Experimental study on the behaviour of 4 half-scale PWR fuel assemblies under seismic excitation

During an earthquake, the fuel assemblies of a PWR (Pressurized Water Reactor) can be set in motion. In the case of high excitation, these movements can cause shocks between the assemblies. In order to create some margin it is necessary to better understand the dynamics of fuel assemblies under axial flow and to have tools to predict the intensity of fuel assemblies vibrations. The dynamic behaviour of the assemblies is nonlinear. This non-linearity has two origins: the first is due to the internal friction of the structure, and the second is due to the fluid-coupling effects induced by the flow. For nuclear industries it is too expensive, in computational time terms, to explore the behaviour of an entire core dealing with every detail. Thus, the research of simple models that take into account qualitatively or quantitatively some parameters is encouraged. Simulation or experimental works are needed in order to validate models and to have a better understanding of involved phenomena. In the case of an experimental validation, it is necessary to design a specific setup, calibrate it and conduct the experimental campaigns. The analysis of the collected data is then carried out by means of the implementation of appropriate computational codes. Concerning fluid-structure interaction, it is important to conduct experiments by recording the data on the dynamics of the assemblies and on the flow velocity to which they are subjected. Different investigation techniques can be used for the speed field: LDV and PIV are non intrusive laser techniques for the analysis of the velocity field punctually (LDV) and in plane (PIV). The motion of the assemblies can be recorded with mechanical motion captors. The development of computational codes, the records of the experimental data set and its analysis are the focus of this document. The previous experimental setups are illustrated highlighting the strengths and weaknesses. The used setup is called Icare, it consists of 4 half-scale PWR fuel assemblies in a square lattice 2x2. Icare and the modifications made to conduct the experimental campaigns are illustrated in detail. The analysis of the data concern the dependence on some parameters of the dynamic behaviour of the assemblies, the coupling between assemblies and is correlated by the study of the velocity field to which they were subjected.

Durante un evento sismico, gli assemblaggi di combustibile di un PWR sono soggetti a un moto di vibrazione. Tali vibrazioni possono essere abbastanza ampie da portare ad uno scontro tra gli assemblaggi e ad una eventuale deformazione o rottura delle loro griglie. La rottura delle griglie inficia il comportamento meccanico e invalida il funzionamento dell’assemblaggio stesso. È quindi importante riuscire a valutare le forze in gioco e studiare il comportamento dinamico degli assemblaggi. Un assemblaggio di combustibile ha un comportamento dinamico non lineare a causa dei numerosi punti di attrito presenti tra i cilindri e le griglie che lo costituiscono. Nel core di un reattore gli assemblaggi sono inoltre soggetti ad un flusso d’acqua assiale, che influenza l’interazione tra essi e aumenta la non linearità del comportamento dello stesso assemblaggio. Per l’industria nucleare, studiare il comportamento di un core, tramite un modello che tenga conto minuziosamente di ogni dettaglio, è costoso in termini di tempo computazionale. Quindi è incentivata la ricerca di modelli semplificati che tengano conto qualitativamente o quantitativamente di alcuni parametri. La validazione di tali modelli può avvenire tramite simulazioni e campagne sperimentali. Nel caso di una validazione sperimentale, bisogna costruire un setup apposito, calibrarlo e condurre le varie campagne. L’analisi dei dati raccolti viene poi effettuata per mezzo di opportuni software computazionali. Parlando d’interazione fluido struttura è importante condurre esperimenti regi- strando i dati sulla dinamica degli assemblaggi e sul campo di velocità del flusso cui sono sottoposti. Diverse tecniche di investigazione si possono usare per il campo di velocità; tra le meno invasive la LDV e la PIV sono tecniche laser che permettono un’analisi del campo di velocità puntuale (LDV) e in piano (PIV). Il moto degli assemblaggi si può registrare con dei sensori di movimento meccanici. Lo sviluppo dei codici computazionali, la raccolta e l’analisi dei dati sperimentali su un setup con 4 assemblaggi in scala dimezzata sono il fulcro di questo documento. I precedenti setup sperimentali sono illustrati evidenziandone i punti di forza e di debolezza. Il setup usato e le modifiche fatte per condurre le campagne sperimentali sono illustrati con maggior dettaglio. L’analisi dei dati è concentrata sulla dipendenza da alcuni parametri del comportamento dinamico degli assemblaggi, sull’accoppia- mento tra essi ed è correlata dallo studio del campo di velocità cui gli stessi erano sottoposti.