1

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

COALA DOCTORAL INTERDISCIPLINAR

FACULTATEA DE MECANIC

CENTRUL DE CERCETARE: PRODUSE I SISTEME HIGH TECH PENTRU AUTOVEHICULE

ING. LEONARDO ERBINA

REZUMAT AL TEZEI DE DOCTORAT : Model pentru studiul rspunsului la excitaii periodice, seismice, a

instalaiei inta - Sursa de ioni pentru producerea de fascicole secundare din produi de fisiune. Analiza modal

Model for studying the response to periodic excitations, seismic, the

Installation Target - Ion Source for Production of Secondary Beams Produced by Fission. Modal analysis

Conducator tiintific : Prof. Dr. Ing. Mihai Tofan

BRAOV 2011

2

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRII, TINERETULUI SI SPORTULUI UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

BRAOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525 RECTORAT

D-lui (D-nei)................................................................................

COMPONENA Comisiei de doctorat

Numit prin ordinul Rectorului Universitaii Transilvania din Braov Nr.4939din11.11.2011

Prof.Dr.ing. ANGHEL CHIRU Preedinte, Universitatea Transilvania din Braov Prof. Dr. Ing. Mihai Tofan Conductor tiinific, Universitatea Transilvania din

Braov Cercetator Principal I Veturia Chiroiu Referent oficial,Institutul De Mecanica Solidului,

Academia Romn Prof. Dr. Ing. Iuliu Negrean Referent oficial, Universitatea tehnic Cluj Napoca Prof. Dr. Ing. Sorin Vlase Referent oficial, Universitatea Transilvania din Braov

Data, ora si locul sustinerii tezei de doctorat Eventualele aprecieri sau observaii cu privire la coninutul lucrrii va rugam sa le transmiteti in tim util, pe adresa serbina_leon@yahoo.com Totodat v invitm s luai parte la edina public de susinere a tezei de doctorat. V mulumim

1

CUPRINS Pag Pag Teza Rezumat 1 Introducere 9 7 2. Obiectivele tezei 13 8 3. Stadiul actual i prezentarea versiunilor pregtitoare 17 9 3.1 Ce este EURISOL-Design Stady 17 9 3.2 ISOL(Isotope Separation On Line) arhitectura

i principiul de funcionare al instalaiei 17 10 3.3 Un tip de instalaie pentru extragerea

produilor secundari de reacie 18 11 3.4 Sistemul de vidare i de transfer a gazelor 19 12 3.5 Prima i a doua versiune 21 13 3.6 Noul Proiect Eurisol: consideraii generale despre

integrarea intei de fisiune tema de proiectare 26 15 3.7 Descrierea sursei de fisiune 29 17 3.8 Optica de fascicol 30 18 3.9 Alimentare cu energie electric 31 18 3.10 Integrarea tubului vidat i a intei de fisiune

in convertorul de neutroni 31 19 4. Prezentarea modelului mecanic al sistemului Eurisol 37 22 4.1 Versiunea 4 37 22 4.2 Modelul geometric 3D al instalaiei pentru

producerea de fascicol secundar de reacie (TIS) 39 24 4.3 Sistemul electric de alimentare cu nalt

tensiune. Modelul geometric i elastic 46 30 4.4 Sistemul electric de alimentare cu joasa

tensiune. Modelul geometric i elastic 51 34 4.5 Sistemul de producere, extragere i conducere

a fascicolului secundar de reacie. Modelul geometric i elastic 54 36

4.6 Sistemul de racire i vidare cu Heliu i Azot

lichid. Modelul geometric i elastic 56 37 4.7 Mantaua exterioara cu pereti dubli prin care

circula apa pentru racire 57 38 5. Analiza seismologic a condiiilor de funcionare

a instalaiei Eurisol 59 38 5.1 Noiuni de inginerie seismologica 59 38 5.1.1 Naterea pamntului 38 5.1.2 Alcatuirea pamntului 60 39 5.1.3 Cutremurele. Cauzele cutremurelor 62 39

5.1.4 Mecanica producerii cutremurelor 67 42

5.1.5 Efectele cutremurelor 68 45

2

5.1.6 Caracterizarea cutremurelor 71 46

5.1.7 Zonarea cutremurelor 73 48 5.2 Analiza seismologica a instalaiei pentru

producerea de fascicol secundar de reacie la vibraiile cutremurului din 4 martie 1977 79 51

5.2.1 Instalaia pentru producerea de fascicol secundar de reacie - sistem oscilant 79 51

5.2.2 Efectele Vibraiilor asupra cladirilor i instalaiilor exemlu de calcul al efortului unitar in cazul in care se cunoaste marimea deformaiei unui element (sgeata) 81 52

5.2.3 Studiul reaciei instalaiei pentru producerea de fascicol secundar de reacie in fata unui cutremur-etape 82 52

5.2.4 Alegerea metodei de calcul pentru instalaia pentru producerea de fascicol secundar de reacie- Metoda Elementelor Finite; Metode ce au stat la baza metodei elementelor finite 82 53

5.2.5 Despre caracterul aleator al cutremurelor 88 58 5.2.6 Energia de deformaie i Puterea medie sau

Densitatea Spectrala de Putere 94 58 5.2.7 Raspunsul seismic al structurilor 97 61 5.2.8 Rspunsul seismic al sistemelor cu n GLD 98 62 5.2.9 O alta metoda: Raspunsul Seismic Normat in

Constructii 100 64 5.2.10 Algoritmul transformarii functiei x(t) in functia

Densitate Spectrala de Putere (PSD) 101 64 5.2.11 Grafice PSD pentru cutremurul din 1977 102 65 6. Analiza Modal i raspunsul seismic al Instalaiei

pentru producerea de fascicol secundar de reacie Eurisol-DS Rezultate Finale 107 68

6.1 Frecvene modale calculate in intervalul de interes 0-80 Hz 107 68

6.2 Deformaii modale maxime corespunzatoare frecvenelor modale calculate in intervalul de interes 0-80 Hz 118 78

6.3 Centralizator cu rezultate calculate privind:

Sgeata max, Epsilon Max, Sigma Max care ar fi produse cu o probabilitate de 68.3% de cutremurul din martie 1977 calculate cu ANSYS 128 88

6.4 Exemplu Analiza la vibraii a structurii de sprijin i rezistenta 132 99

6.4.1 Structura de sprijin i rezistenta descriere 132 99 6.4.2 Date tehnice 132 99

3

6.4.3 Analiza modala Structura de sprijin i rezistenta 133 100

6.4.4 Grafice 3D pentru deformatele totale modale Calculate 134 101

6.4.5 Analiza seismica grafice 3D pentru sageata,

epsilon i eforturi unitare calculate 141 103 6.4.6 Centralizator cu rezultate calculate privind:

Sageata max, Epsilon Max, Sigma Max cu probabilitatea de a se intimpla de 68.3% 150 106

7. Concluzii finale, Contribuii originale, Diseminarea rezultatelor i Directii viitoare de Cercetare 151 107

7.1 Concluzii finale 151 107

7.2 Contribuii originale 154 109

7.3 Diseminarea rezultatelor i direcii de cercetare

Ulterioare 154 109

Bibliografie 155 110

Scurt rezumat in limba romana si engleza 161 112 Curriculum Vitae al autorului romana si engleza 163 113 Lista de lucrari 167 116

4

CUPRINS Pag Pag Teza Rezumat 1 Introducere 9 7 2. Obiectivele tezei 13 8 3. Stadiul actual i prezentarea versiunilor pregtitoare 17 9 3.11 Ce este EURISOL-Design Stady 17 9 3.12 ISOL(Isotope Separation On Line) arhitectura

i principiul de funcionare al instalaiei 17 10 3.13 Un tip de instalaie pentru extragerea

produilor secundari de reacie 18 11 3.14 Sistemul de vidare i de transfer a gazelor 19 12 3.15 Prima i a doua versiune 21 13 3.16 Noul Proiect Eurisol: consideraii generale despre

integrarea intei de fisiune tema de proiectare 26 15 3.17 Descrierea sursei de fisiune 29 17 3.18 Optica de fascicol 30 18 3.19 Alimentare cu energie electric 31 18 3.20 Integrarea tubului vidat i a intei de fisiune

in convertorul de neutroni 31 19 4. Prezentarea modelului mecanic al sistemului Eurisol 37 22 4.1 Versiunea 4 37 22 4.2 Modelul geometric 3D al instalaiei pentru

producerea de fascicol secundar de reacie (TIS) 39 24 4.3 Sistemul electric de alimentare cu nalt

tensiune. Modelul geometric i elastic 46 30 4.4 Sistemul electric de alimentare cu joasa

tensiune. Modelul geometric i elastic 51 34 4.5 Sistemul de producere, extragere i conducere

a fascicolului secundar de reacie. Modelul geometric i elastic 54 36

4.6 Sistemul de racire i vidare cu Heliu i Azot

lichid. Modelul geometric i elastic 56 37 4.7 Mantaua exterioara cu pereti dubli prin care

circula apa pentru racire 57 38 5. Analiza seismologic a condiiilor de funcionare

a instalaiei Eurisol 59 38 5.1 Noiuni de inginerie seismologica 59 38 5.1.1 Naterea pamntului 38 5.1.2 Alcatuirea pamntului 60 39 5.1.3 Cutremurele. Cauzele cutremurelor 62 39

5

5.1.4 Mecanica producerii cutremurelor 67 42

5.1.5 Efectele cutremurelor 68 45

5.1.6 Caracterizarea cutremurelor 71 46

5.1.7 Zonarea cutremurelor 73 48 5.2 Analiza seismologica a instalaiei pentru

producerea de fascicol secundar de reacie la vibraiile cutremurului din 4 martie 1977 79 51

5.2.12 Instalaia pentru producerea de fascicol secundar de reacie - sistem oscilant 79 51

5.2.13 Efectele Vibraiilor asupra cladirilor i instalaiilor exemlu de calcul al efortului unitar in cazul in care se cunoaste marimea deformaiei unui element (sgeata) 81 52

5.2.14 Studiul reaciei instalaiei pentru producerea de fascicol secundar de reacie in fata unui cutremur-etape 82 52

5.2.15 Alegerea metodei de calcul pentru instalaia pentru producerea de fascicol secundar de reacie- Metoda Elementelor Finite; Metode ce au stat la baza metodei elementelor finite 82 53

5.2.16 Despre caracterul aleator al cutremurelor 88 58 5.2.17 Energia de deformaie i Puterea medie sau

Densitatea Spectrala de Putere 94 58 5.2.18 Raspunsul seismic al structurilor 97 61 5.2.19 Rspunsul seismic al sistemelor cu n GLD 98 62 5.2.20 O alta metoda: Raspunsul Seismic Normat in

Constructii 100 64 5.2.21 Algoritmul transformarii functiei x(t) in functia

Densitate Spectrala de Putere (PSD) 101 64 5.2.22 Grafice PSD pentru cutremurul din 1977 102 65 6. Analiza Modal i raspunsul seismic al Instalaiei

pentru producerea de fascicol secundar de reacie Eurisol-DS Rezultate Finale 107 68

6.1 Frecvene modale calculate in intervalul de interes 0-80 Hz 107 68

6.2 Deformaii modale maxime corespunzatoare frecvenelor modale calculate in intervalul de interes 0-80 Hz 118 78

6.3 Centralizator cu rezultate calculate privind:

Sgeata max, Epsilon Max, Sigma Max care ar fi produse cu o probabilitate de 68.3% de cutremurul din martie 1977 calculate cu ANSYS 128 88

6.4 Exemplu Analiza la vibraii a structurii de

6

sprijin i rezistenta 132 99 6.4.1 Structura de sprijin i rezistenta descriere 132 99 6.4.2 Date tehnice 132 99

6.4.3 Analiza modala Structura de sprijin i rezistenta 133 100

6.4.4 Grafice 3D pentru deformatele totale modale Calculate 134 101

6.4.5 Analiza seismica grafice 3D pentru sageata,

epsilon i eforturi unitare calculate 141 103 6.4.6 Centralizator cu rezultate calculate privind:

Sageata max, Epsilon Max, Sigma Max cu probabilitatea de a se intimpla de 68.3% 150 106

7. Concluzii finale, Contribuii originale, Diseminarea rezultatelor i Directii viitoare de Cercetare 151 107

7.1 Concluzii finale 151 107

7.2 Contribuii originale 154 109

7.3 Diseminarea rezultatelor i direcii de cercetare

Ulterioare 154 109

Bibliografie 155 110

Scurt rezumat in limba romana si engleza 161 112 Curriculum Vitae al autorului romana si engleza 163 113 Lista de lucrari 167 116

7

1. INTRODUCERE In cadrul lucrrii de doctorat, cu tema:

Model pentru studiul rspunsului la excitaii periodice, seismice, a instalaiei int - Surs de

ioni pentru producerea de fascicole secundare din produi de fisiune. Analiza modal

susinuta la Universitatea Transilvania din Brasov, autorul a propus dezvoltarea i analiza unei teme

aflata pe masa de lucru, in cadrul unui proiect internaional de cercetare, denumit EURISOL Design

Study, la care perticipa mai multe state.

Aceasta propunere ndeplineste urmatoarele caracteristici:

Are utilitate, pentru ca este parte dintr-un proiect internaional FP7, de care se ocupa

institute de cercetare din mai multe state.

Prezinta noutate, pentru ca este un experiment de cercetare i datorita conditiilor impuse

nu s-a mai realizat asa ceva inainte. Se bazeaza pe ncercari i documente referitoare la aspecte studiate

separat. De asemenea, se doreste realizarea unei instalaii i a unui laborator complex integrat care sa

asigure condiiile experimentale cerute.

Este un pas nainte, in raport cu ceea ce exista pentru ca este suma pailor mici

realizai pina in momentul declanarii activitailor proiectului Eurisol i complexitatea proiectului este

superioara a tot ceea ce s-a facut pana acum.

Rezulta ca in ansamblu, proiectul are un caracter inovativ. Pentru realizarea acestuia,

activitaile ce conduc la finalizarea fazelor din graficul de realizare, se impart in citeva tipuri de

activitai, dintre care se pot aminti: activitai obinuite, de rutina, cum ar fi de exemplu culegerea de date

i activitai cu caracter inovativ, care au la baza actiuni de documentare, analiza, deductie, modelare i

sinteza. Ambele tipuri de activitai insa conduc la un rezultat inovativ.

Realizarea practica a proiectului, va conduce la subansamble - unitati de lucru inovative

care vor desfasasura activitai de lucru inovative, cu solutii inovative i cu tehnologii inovative.

Tema proiectului EURISOL a fost realizarea unei instalaii pentru producerea i analiza

produilor secundari de fisiune. Desigur, aceasta in anumite condiii propuse de iniiatorii proiectului.

8

Doresc sa mulumesc din suflet celor care m-au ajutat in elaborarea lucrarii.

Exprim recunostinta mea, profesorului indrumator domnul Prof. Dr. Ing. Tofan Mihai,

profesorilor de la catedra de mecanica a Universitaii Transilvania din Brasov Prof. Dr. Mat. Vlase

Sorin ef de catedra i de departament, Conf. Dr. Ing. Teodorescu-Draghicescu Horia, care cu multa

rbdare i competena au reusit sa m ajute s structurez i s finalizez lucrarea de doctorat.

De asemeni, se cuvin mulumiri Dr. Fiz Luigii Techio de la Laboratorul Naional Legnnaro al

Universitaii Padova din Italia i Dr. fiz Negoit Florin care m-au ajutat cu sfaturile i inelepciunea

lor la elaborarea proiectului EURISOL.

Nu n ultimul rnd, se cuvine s aduc mulumiri soiei mele care m-a sprijinit fr rezerve pentru

ca aceast lucrare s aibe loc.

2. OBIECTIVELE TEZEI

Obiectivele urmrite n cadrul lucrrii de doctorat, lucrare care este rezultatul unui proiect

internaional de cercetare tiinific, sunt urmtoarele :

Studiu al stadiului actual al cercetrilor n domeniul instalaiei de producere a fascicolelor secundare de reacie ;

Analiza rspunsului la activitatea cutremurelor pentru a justifica metodele de calcul utilizate i a modelului folosit;

Analiza, din punct de vedere mecanic, a instalaiei EURISOL pentru identificarea solicitrilor la care va fi supus n exploatare ; identificarea riscurilor n funcionare pentru

ajustarea modelului mecanic ;

Analiza spectrului acceleraiilor care au aprut n cutremurul din 1977 ; Modelarea cu ajutorul softului specific (INVENTOR) a structurii mecanice analizate ; Analiza modala a unei structuri complexe cu ajutorul programului ANSYS i obinerea

frecvenelor proprii, a modurilor proprii de vibraie;

Analiza rezultatelor obinute pentru elementele care alctuiesc structura mecanic studiat ;

9

Aceeasi analiz construita pe ecuatiile de miscare si valorile proprii asociate, bazate pe studiile facute la inceputul secolului XX :

Modalele lui Ritz ; Flexibilizarea conductelor cu pereti subtiri circulare facuta de Von Karmann,

aplicata aici la conductele drepte scufundate in spatiile modale care au curburi

din ce in ce mai profunde, o data cu cresterea frecventelor proprii ;

Incercarea extensiei ipotezelor Cebev Von Karman, a invarianei lungimii conturului transversal prin componente modale ale tensiunii tangeniale alungirii transversale Cebev

Cosinus, ce confera analizei o convergena rapida a determinarii factorului de flexibilizare, la

nivelul seciunii circulare, extinsa la elemente cu sectiune transversala patrate sau dublu-

patrate ;

Prin aceast analiza se va urmri care este raspunsul structurii de tip nuclear Instalaie inta - Surs de ioni pentru producerea de fascicole secundare din produi de fisiune la actiunile

seismului din 1977, cu ajutorul inregistrarilor - diagrame acceleraie-timp puse la dispozitie

de Institutul de Fizic a Pmntului ; n acest scop, utilizand programul MathCad se va

analiza i aplica tranformarea Fourrier, rezultatele urmand a fi folosite ca date de intrare n

programul de element finit ANSYS. Pe baza acestor date de intrare reale se estimeaz c se

va obine un rspuns apropiat de realitate, n cazul unui seism major, pentru instalaia studiata

EURISOL DS.

Se va utiliza sistemul de analiz numeric pe baza unui model mecanic al instalaiei n faza de proiectare pentru a evita necesitatea unor experimentri costisitoare i consumatoare de

timp. Pentru realizarea acestui scop, se utilizeaz experiena anterioar n domeniu;

Teza de doctorat i propune s rezolve o problem izvort din practica curent i materializat n cadrul unui contract de cercetare internaional FP7, EURISOL DS.

3. - STADIUL ACTUAL I PREZENTAREA VERSIUNILOR PREGTITOARE 3.1 Ce este EURISOL-Design Stady Eurisol DS, este proiectul la nivel de concept a unui accelerator de cercetare bazat pe studii obinute ndiverse programe de cercetare anterioare. 3.2 ISOL(Isotope Separation On Line) arhitectura si principiul de funcionare al instalaiei

10

Dupa cum se arata n [AFC2009], ISOL (Isotope Separation On Line) a fost dedicat productiei de fascicole radioactive de ioni foarte intense (RIB).

Una dintre cele mai importante tehnici dezvoltate nproiectul ISOL a fost exploatarea unui flux intens de neutroni rapizi, care induce fragmente de fisiune nurma reaciei cu inte de Uranium Carbite (UC). Neutronii sunt obinuti prin bombardarea unei inte de mercur lichid,cu un flux de protoni care are urmatoarele caracteristici: 1GeV, 4mA (4GW). Produii de reacie obinuti dninteracia cu inta de Uranium Carbite, vor fi ionizati, extrasi, separati, formind un fascicol de izotopi de inalta calitate.

Izotopii vor fi extrai direct cu ajutorul unor instalatii experimentale cu energie joaa, sau post-accelerai. ninteriorul sistemului ncare se desfasoara procesul de obinere a fascicolului de izotopi, se afla inta, moderatorul si sursa de ioni. Este de ateptat ca vacuumul sa fie contaminat cu produi radioactivi rezultai nurma reaciilor nucleare care au loc.

Vaporii si gazele rezultate vor fi extrase si stocate intr-un container.ncamera principala, pentru a se micsora radoactivitatea si pentru a evita contaminarea exteriorului, vor fi folosite tehnici de decontaminare si se vor realiza diferene de presiuni intre exterior si interior, mai mare la exterior, mai mica la interior.

Figura 3.1 [TNS2007], [ABT2007] reprezinta seciuni transversale prin modelul instaliei experimentale ce a stat la baza realizarii proiectului EURISOL. Conceptul de la care s-a plecat, este o instalaie de forma cilindrica, vezi fig. 3.2, ncare se gsesc cele doua sisteme de inte : ncentru inta de mercur lichid, aflata intr-un cilindru izolat de exterior. Frontal, se poate observa linia de deplaare a fascicolului de protoni, care este coaxial cu tubul intei de mercur.

njurul intei de Mercur, se afla intele de Uranium Carbite, de form paralelipipedic. Dupa cum se observ, spaiul instlaiei este imprit practic ndoua zone, astfel nct n partea dreapt se afla intele, iar npartea sting se afl dispozitivele de ionizare si de extragere a fascicolului de produi secundari de reacie RIB. nfigura 3.1, este prezentat vederea de ansamblu a laboratorului ncare este montat instalaia si se poate observa ca spaiul ncare au loc reaciile nucleare este vidat cu ajutorul unor pompe turbomoleculare, ca pereii ncperii sunt practic ecrane de protectie, care prin compoziie, natura materialelor, densitate si grosime izoleaza incinta pentru ca radiatiile sa nu treaca nexterior.

Se poate observa ca nvecintate exista mai multe incaperi, ce constitue depozite de surse, laboratoare, zone de intreinere, ci de transfer al surselor, etc

Figura 3. 1 - Vedere de ansamblu asupra instalaiei si utilitatilor

11

Complexul arhitectonic ncare se va gasi instalaia EURISOL, va fi destul de amplu si va

constitui prin specificitatea sa teme de lucru pentru toate specialitatile ce se ocupa de proiectarea reactoarelor nucleare pentru cercetare.

3.3 Un tip de instalaie pentru extragerea produilor secundari de reacie.

nfigurile 3.2 si 3.3, se vd detalii cu privire la constructia instalaiei de extragere a produilor

secundari de reacie. Vasul exterior (de cloare gri ) este realizat dnoel inoxidabil AISI 304 si are un volum de 0.95

m3, si o suprafata exterioara de aprox. 6 m3. Interiorul vasului este rcit cu He si opereaza la temperatura camerei.

Fiecare inta de fisiune (vezi fig. 3 c), contine: 3.5 Kg de Uranium Carbite cu densitatea de 3g/cm3, distribuite pe 30 de straturi. Aceste straturi,

au dimensiunea de gabarit de 1x70x400. UC este ncapsulat intr-un container de grafit de 2 mm grosime. Containerul de grafit, este invelit la rindul lui intr-un strat de tantal, de 0.5 mm grosime. Reacia de fisiune trebuie sa se desfasoare la temperatura de 2000 0C. Aceasta se realizeaza cu

ajutorul unei rezistene tot dntantal, care nveleste stratul descris anterior, si care asigur n acelasi timp si procesul de degazare.

Rezistenta la rindul ei este nvelita cu un alt strat de tantal de 50 microni, care constitue un ecran termic si folosete la pstrarea caldurii.

nexteriorul intei se realizeaza racirea cu He. Fiecare inta, aa cum este prezentata n[TNS2007],[ABT2007] este cuplata cu cte o camer de

ionizare care ar putea fi de diferite tipuri: cu suprafaa de ionizare, RILIS, EBIS, cu plasm, etc.

Figura 3. 2

Seciune transversala prin instalaia de

fisiune

Figura 3. 3

Seciune longitudinala prin instalaia de fisiune

Ansamblul intei i ansamblul sursei de ioni sunt izolate electric si opereaza la 60 kV.

12

3.4 Sistemul de vidare si de transfer al gazelor Dupa cum se arata n [TNS2007],[ABT2007] gazele produse n urma reaciilor nucleare, vor fi

extrase prin sistemele de vidare, i se estimeaz c vor avea un debit de 10-1 Pa l/s. Sunt folosite 11 pompe turbo moleculare cu un volum de pompare de 500 l/s. 3 pentru vidarea

vasului si 8 pentru vidarea liniilor de fascicol. Liniile de vidare sunt racite cu aer. De asemeni, pentru a mri viteza de pompare, s-au folosit si pompe criogenice, care au o

suprafata de 1m2, iar viteza de pompare este de 105 l/s

Figura 3. 4 - Seciune longitudinal printr-un modul de int de fisiune + ansamblu surs

de ioni.

Figura 3. 5 [ABT 2007]

. Panourile criogenice sunt instalate n vecinatatea liniilor de vacuum, dup iesirea din camerele

13

de ionizare. Acestea sunt meninute la temperatura de 20 0K. La aceasta temperatur presiunea de vapori a elementelor radioactive volatile este suficient de

scazut pentru ca acestia s se depun pe suprafeele pompelor criogenice. Ar rezulta, n vas, un vid de 5 x 10-5 Pa. Schematic, instalaia de vidare si de transfer a gazelor este prezentata nfigura 3.6. Vidul de la 2 x 102 poate fi msurat cu ajutorul aparatului de msura de tip Pirani. Pentru vidul inalt de la 10-1 la 10-6 se vor utiliza aparate de masura adecvate. Toate componentele de vid utilizate sunt standardizate si tipizate, pentru sigurana montajului si

pentru beneficiul utilizatorilor statiei. 3.5 Prima si a doua versiune [TNS 2007]

nprima varianta vezi figura 3.6 si figura 3.7, materialul de fisiune este din tablete de Ucx introduse n containere de 15 mm diametru si lungi de 200 mm.

Containerele sunt dispuse pe doua inele: un inel are 4 containere de 1,2 l (200x200x30), iar al doilea inel este format tot din 4 containere, numai ca au capacitatea de 0,6 l (100x200x30 mm3).

Figura 3. 6 Prima versiune a proiectului

Diferena de volum, este impusa din considerente de natura tehnica i dimensionala.

14

Figura 3. 7 A doua versiune a proiectului

na doua varianta, dupa cum se observa n figura 3.7, s-a renuntat la distribuirea intelor de Ucx pe doua inele, Au fost aezate pe un singur inel. Dupa analize facute la nivelul stafului EURISOL, s-a hotarit sa se studieze experienta cistigata ncadrul proiectului MAFF, si studiul acestuia a revenit pentru Task-urile 2-4 [ABT2007].

Lentilele extractoare, impreuna cu linia fascicolului secundar si lentilele electrostatice sunt montate n interiorul canalului reactorului, spre capat. Pentru a preveni dipersia gazelor si a produilor de reacie, se folosesc doua schimbtoare de cldura prin care curge He lichid la 15 0C, la o presiune de 3 bar.

Schimbtoarele sunt facute din tuburi de aluminiu. Izotopii volatili, vor condensa pe aceste schimbatoare. Cu alte cuvinte, schimbatoarele prin care circula He, sunt adevarate pompe de vid criogenice. Au fost discutate si solutiile propuse n cadrul proiectului PIAFE, proiect desfsurat n Institutul de Cercetari de la Grenoble, n care au fost dezvoltate cercetari cu privire la obinerea produilor de fisiune prin expunerea unei inte de Hg la un flux puternic de neutroni.

Figura 3. 8

15

Figura 3. 9

3.6 Noul Proiect Eurisol: consideratii generale despre integrarea intei de fisiune tema de proiectare [ABT2007]

Pornind de la conceptul anterior adoptat de programele PIAFE si MAFF, datorit faptului ca

unele tehnologii si tehnici au fost rezolvate ncadrul acestor proiecte, s-a dorit aplicarea acestora si n cadrul programului EURISOL.

Conceptual, o inta umpluta cu 235 U este introdusa intr-un canal creat intr-un convertor de neutroni, a crui poziie ii confer un flux de neutroni de maxima intensitate. Energia neutronilor este moderata, pentru a se obine o optimizare a numarului de fisiuni induse de sursa de 235U.

Se considera o soluie intermediara a convertorului. Fluxul de protoni care ataca tubul de Hg, are o putere de 4 MW, cu un curent mediu de 4mA.

Figura 3. 10 - Integrarea conceptului MAFF - Introducerea intei de fisiune n convertorul

de neutroni.

16

Figura 3. 11 - Schema de principiu a mecanismului de realizare a

produilor secundari de reacie

Figura 3. 12 - Schita conceptuala a statiei EURISOL Multi MW

Aezarea vertical a acestor ansamble (vezi Fig. 3.16 ) are unele avantaje. Ecranul combinat de otel + beton are o grosime totala njur de 7m. n fig 3.14, cele 6 conducte

orizontale reprezinta liniile de productie a sistemului Fiecare linie este compusa din: ansamblul inta de fisiune, asezat la unul din capetele liniei i n

17

continuare sistemul de extragere a fascicolului. Combinnd cele doua subansamble n unul singur, se poate mri numrul de ciocniri intre

neutroni si casetele de 235UUnul dintre acestea il constitue alinierea mai buna a fascicolului, activitate eseniala n extragerea si transportul produilor secundari de reacie.nfigura 3.16 [HER2007] este prezentat punctul de plecare (tema de proiectare) pentru noua varianta de proiect EURISOL. Sunt prezentate 6 inte de fisiune verticale, care incadreaza inta de Hg, astfel: 2 n dreapta, doua n stinga, 2 n planul intei de Hg, si 2 deasupra. Asezate astfel, exploateaza n cel mai fericit mod fluxul de neutroni. 235U, dispersat intr-o matrice de grafit produce intr-o secunda, njur de 1015 elemente de fisiune, pentru fiecare inta. Aceasta contine o cantitate de 15 g de 235U.

Figura 3. 13 - Harta distributiei spatiale a neutronilor si modul de atac al intelor de fisiune. 3.7 Descrierea sursei de fisiune [ABT2007]

Figura 3. 14 - inta de fisiune EURISOL si electrozii de extractie

18

Cilindrul interior care contine incarcatura de grafit amestecata cu 235U, are 85 mm lungime, 45 mm diametrul exterior si 8 mm diametrul interior.

La exterior, inta este invelita cu o teaca dnmolibden, care joaca rolul unei surse de caldura. Cilindrul interior care contine incarcatura de grafit amestecata cu 235U, are 85 mm lungime, 45

mm diametrul exterior si 8 mm diametrul interior. La exterior, inta este invelita cu o teaca dnmolibden, care joaca rolul unei surse de caldura. n mod normal ncalzirea nu este necesara, deoarece reaciile nucleare au loc cu emisie de

caldura. Containerul albastru are rol de a disipa caldura printr-un anumit numr de aripioare radiale,

precum si rolul de a pastra materialul radioactiv n cazul n care sursa de grafit s-ar sparge accidental (pentru a transforma sursa n sursa inchisa).

Toate aceste componente sunt conectate la inalta tensiune, si sunt separate intre ele cu ajutorul unor izolatori (culoare galbena vezi figura 3.20).npartea de sus a containerului este realizata o mica gaura prin care este extras fascicolul format din produi de reacie.

Concentric orificiului amintit mai sus, este conectata o sursa de ioni, care ionizeaza produii de reacie incrcindu-i electric, dind astfel posibilitatea extragerii produilor de reacie.

Extragerea se realizeaza sub forma unui fascicol de produi de reacie, care are axa geometrica verticala.

Se pot monta diferite tipuri de surse de ionizare, astfel incit deocamdata tipul nu este precizat. 3.8 Optica de fascicol

Structura electrozilor de extragere este inspirat din proiectul PIAFE. Pentru Eurisol se va folosi o diferenta de potential de 60 kV. Transportul fascicolului secundar se va desfaura pe 6 m lungime, si alinierea sa va fi facut cu

ajutorul unui cimp electrostatic diferenial produs de 3 lentile cu quadrupoli dublii, aflate la 2m distant una de cealalta. Diametrul interior prin care trece fascicolul este de 60 mm.

n captul de sus al tubului liniei de fascicol, se afla o alta lentila electrostatica care va devia fascicolul la un unghi de 90 0 . De acolo fascicolul se va deplasa nplan orizontal printr-un tub, pna la destinaie. ungul tubului orizontal vor fi dispuse dispozitive electrostatice care vor purifica si vor accelera fascicolul de produi de reacie, obinut la subsol

.

3.9 Alimentare cu energie electrica

Pentru a aplica o tensiune inalta diferitelor componente, si pentru a furniza curent rezistentei electrice care trebuie sa incalzeasca inta, s-au folosit bare de curent concentrice si paralele cu tubul de fascicol secundar.

Barele sunt legate electric la diferite nivele corespondente cu ajutorul unor conectori elastici, pentru a compensa efectele dilatarii termice.

n figura 8, ansamblul int are nevoie de 7 bare alimentate la 60 kV. Pentru fiecare quadrupol dublu, se folosec 4 bare alimentate la 10kV. Pentru a schimba inta de 235U, este nevoie sa se extrg impreun ansamblul int, tubul i toate

barele de curent. n partea superioara, barele de curent intra intr-un conector special, etajat, dotat cu conectori

19

mam. Intreg subansamblul, este conceput n aa fel incit sa poata fi extras intr-un tub de transport

exterior ce va fi deplasat cu ajutorul unei macarale electrice pin la camera fierbinte, etc. Legtura electric la retea se face printrun conector special mobil, cu actionare pneumatic, dupa

cum se vede n fig 3.20 Conectorul special este alcatuit dintr-un corp legat de tubul exterior al sistemului de extracie al

fascicolului secundar, un panou de conexiuni fix etan la vid, un panou de conexiuni mobil, 4 motoare pneumatice si bare de curent telescopice corespunztor ca numar cu cele care se gasesc nRIB.

Panoul mobil, poart barele pline, care au n capatul dinspre RIB conectori de tip tat. Barele de curent pline fixate n panoul mobil, culiseaza pe barele de curent n forma de eav,

care sunt prinse npanoul fix . Din panoul special fix, se fac legturile electrice la retea.

3.10 Integrarea tubului vidat si a intei de fisiune n convertorul de neutroni. Toate componentele amintite mai sus, sunt plasate intr-un tub vidat, introdus intr-un bloc de

beton. Tubul are perei dublii, prin care circula apa pentru rcire, pentru a evacua caldura produsa de reaciile nucleare, astfel incit rezistenta mecanica a tubului sa se pastreze nparametrii normali.

Figura 3. 15 Aezarea schimbatoarelor de caldura

criogenice n figura 3.21, se d dimensiunea ctorva componente : linia fascicolului secundar (RIB) are

diametrul = 60 mm, quadropolul are 80 mm, barele de inalt tensiune sunt de 10 mm si sunt asezate pe un cerc de 160 mm, diametrul interior al schimbatoarelor de caldura criogenice este de 230 mm, iar tubul exterior are diametrul exterior de 280 mm, iar diametrul interior de 250 mm

Gazele produse n timpul reaciilor nucleare vor fi evacuate de pompele de vid, si de asemeni vor condensa pe suprafeele schimbatoarelor de caldura criogenice, aflate imediat n apropierea tubului exterior, n partea de deasupra intei de 235U.

Dupa cum se observa nfigura 3.22, deasupra, si lateral fat de inta de Hg, sunt asezate intele de 135U. Distanta intre acestea este de 350 mm.

20

La 7 m inaltime fata de inta de Hg, exista o sala ncare se face schimpul traiectoriei fasciculelor verticale n traiectorii orizontale, unde se gasesc pompele de vid care asigura conditii de extragere adecvate, figura 3.22.

Figura 3. 16 -

Figura 3. 17 Aezarea intelor secundare de 235U nraport cu inta de Hg

n tuburi, sistemul de transport al ansamblului este alcatuit din: barele de alimentare, inta de uraniu, tubul de transport, instalaiile de racire, panourile de conexiuni electrice la reteaua centrala etc.

Reaciile nucleare n inta de Hg (n poziie centrala si de culoare gri) au loc pe o lungime axiala de 450 mm. Are loc o degajare de energie de 1 GeV,

21

Tot n sala liniilor de transport a fascicolelor orizontale, se gaseste instalaia de etanare a tubului de transport, instalaia podului rulant, instalaia de introducere a sistemului vertical de extractie n camerele fierbini.

n aceasta variant s-a preferat o sala principala de dimensiuni mari, existent ntr-un laborator pentru experimentri nucleare, n care instalaia de susinere a podului rulant este demontabil si reprezint o travee separat pentru EURISOL. Dupa terminarea experimentului, aceasta se poate demonta, si pot fi ncontinuare montate alte tipuri de instalaii pentru urmatorul experiment.

Cu galben sunt marcati stilpii de sustinere ai cii de rulare pentru podul rulant de 5 tone. De asemeni n figura 3.23 se observ platforma de introducere a sistemelor verticale de reacie (colorata ncaramiziu.) Pe platform este asezata instalaia hidraulic pentru cuplarea si etanarea tubului de transport. Acesta este colorat n maro inchis, si chiar la capatul de jos are montata o vana pentru inchiderea si deschiderea tubului.

Dupa ce subansamblul amintit mai sus a fost extras, introdus n tubul de transport, se va merge cu ajutorul podului rulant pina n dreptul unei camere fierbini, si se va demonta subansamblul intei.

Pentru aceasta se vor demonta conductorii electrici i conexiunea intre int si tubul de extractie al fascicolului.

Figura 3. 18 detaliu sala principala

Camera fierbinte (denumit generic astfel), este dotat cu sisteme de radioprotecie adecvate, cu

sisteme de splare si de decontaminare, cu sisteme de scurgere a efluenilor radioactivi, cu sisteme de manipulare robotice si cu sisteme de manevrare de la distana, camere de luat vederi, dispozitive de apucare pentru inurubare deurubare, etc.

Se pot face foarte multe manevre n camera fierbinte, dar esentiale sunt trei: 1. schimarea intei din material radioactiv (una veche cu una noua) 2. intreinerea sistemului de extragere a fascicolului secundar de reacie. 3. pregtirea materialului radioactiv pentru transport n depozite

22

4. - PREZENTAREA MODELULUI MECANIC AL SISTEMULUI EURISOL-DS [BAB2009],[NSU2009] 4.1 Versiunea 4 i, totui, studii de optimizare, calcule ulterioare realizrii proiectului pentru versiunea 3 prezentat succint n capitolul 2, a artat c este nevoie s se foloseasc spaiul din jurul intei de uraniu mai judicios, pentru a crete gradul de inciden a neutronilor asupra intelor de 235 U. Din nou s-a hotrt c trebuie s se adopte realizarea unei noi configuraii, care const n ase containere modulare nclinate n jurul intei de Hg. De asemeni, studiile de radioprotecie au evoluat, i au intervenit modificri la nivelul structurii cldirii. n concluzie, a fost creat versiunea 4, care n cadrul EURISOL DS va fi i ultima. Pe aceast versiune a fost elaborat raportul final, i s-au fcut recomandrile de rigoare n ceea ce privete viitorul proiectului EURISOL. Instalaiile verticale de extragere a fascicolului secundar nu mai au n seciune form circular aa cum s-a artat n versiunea 3, ci au seciune dreptunghiulara, mprit n dou compartimente, aa cum se vede n figura 4.3. Compartimentul intei i tubului de extragere al fascicolului secundar 1 i compartimentul de alimentare cu energie electric i cu gaz 2. Aceste dou compartimente sunt desprite de un perete despritor 3, care este o parte din structur de rezistent a ansamblului RIB.

Figura 4. 1- Modul de aezare al intelor secundare de 235 U faa de inta primara de Hg.

Compartimentul intei de 235 U este aa cum se vede orientat n Fig. 4.4. Modulele TIS au fost nclinate, urmrindu-se dou motive principale: 1. intele de UCx trebuie s fie ct mai apropiate de int de Hg; 2. Fluxurile secundare de reacie s poat fi extrase orizontal pe direcii paralele (tuburile verzi, aa cum se poate vedea n Figur 4.9, 4.10 )

23

Figura 4. 2 - Vedere 3D prin instalaia verticala de extragere a fascicolului secundar de reacie TIS

Figura 4. 3 - Sectiunea 2D prin instalaia verticala de extragere a fascicolului secundar de reactie TIS

Figura 4. 4 - Expunere maxima la fluxul de neutroni.

1

3

212

3

24

4.2 Modelul geometric 3D al instalaiei pentru producerea de fascicol secundar de reacie (TIS)

Figura 4.5- Modelul geometric al modulului pentru producerea de fascicol secundar de reacie

(TIS)

n studiile ce se vor face n cadrul proiectului tiinific pentru doctorat, nu se va ine seama de partea superioar ce este compus din sistemul de conexiune automat pentru ap i curent electric i partea de etanare i prindere a sistemului acionat de aer comprimat, sau de prinderea i etanarea tubului de transport.

25

Dup ce au fost nlturate elementele enumerate mai sus, n continuare va fi prezentat modulul care va fi obiectul studiului de acum nainte. Acesta se compune din : 1. Sistemul electric de tensiune nalt; 2. Sistemul electric de tensiune joas 3. Sistemul de producere a fascicolului secundar 4. Sistemul de conducere a fascicolului 5. Sistemul de rcire i vidare cu Heliu i Azot lichid 6. Structur de sprijin i rezistent 7. Mantaua exterioar cu perei dubli prin care circul apa pentru rcire n interiorul modulului se ntlnesc urmtoarele condiii de mediu:

n interiorul mantalei, se face vid foarte nalt. n zona intei de uraniu a fost introdusa o surs de cldur, pentru c reacia trebuie s se

desfoare la 2000 de grade C Barele de curent de nalt tensiune sunt evi cu seciune ptrat de 10 x 10 mm prin care circul

apa de rcire Exist o conduct pentru gaz etalon, care merge pn n zona sursei pentru testarea funcionrii

sistemului Pn deasupra zonei intei intr He i Azot lichid.

n fig. 4.5, 4.6 4.7, 4.8 sunt prezentate vedere general din profil stinga i dreapta a captului superior i inferior al modelului geometric constructiv al modulului TIS.

S-a abordat aceast metod de prezentare, pentru c modulul are n jur de 7m lungime, i prezentarea n totalitate s-ar face la o scar prea mare, iar cititorul nu va mai putea nelege mare lucru. Iat cum sunt aezate modulele TIS n zona activ: n figur 4.9, se poate vedea undeva jos n dreapta, reprezentat n culoare neagr subansamblul int de Hg. Acest subansamblu este reprezentat la nivel de concept. Modulul intei de Hg, este montat pe o platform mobil, pe care se afl ntreaga instalaie de alimentare cu Hg, de rcire a mercurului, etc. Aceast platform, se poate retrage pentru ntreinere ntr-o camer alturat, de tip camer fierbinte, aflat la acelai nivel. Datorit radiaiilor intense, ntreinerea se va face cu roboi i telemanipulatori, manevrai de ctre oameni, din spatele unui ecran de sticl rezistent la trecerea radiaiilor. Din sistemul de recirculare al Hg (circuit nchis),colorat n negru, ies dou evi care spal cutia intei reprezentat n vedere n culoare crmizie. inta de Hg, se afl introdus la rndul sau ntr-un convertor de neutroni rcit cu apa.

26

Figura 4. 5

Figura 4. 6

Figura 4. 7

Figura 4. 8

n convertor se degaja cldur produs de reaciile nucleare, care are un flux energetic n jur de 10 MWh.

Pe partea din stnga, simbolizat n culoarea roie, intr linia fascicolului primar de protoni de putere foarte mare (MultiMWh), care atac inta de metal de nalt densitate, care este n cazul nostru din Hg.

27

Figura 4. 9 - Vedere general asupra instalaiei de producere a fascicolelor secundare de reacie

Din convertor, pe vertical, se ridica 6 module TIS. Acestea sunt introduse ntr-un bloc ecran de beton. Diferena ntre nivelul intei de Hg i nivelul superior al blocului ecran este n jur de 7 m aa cum se vede n fig 4.5. i 4.10 . Nivelul superior al blocului ecran este la nivelul podelei camerei principale de manevr vezi figura 4.11. Se poate face acum o descriere a fluxului tehnologic n vederea producerii fascicolelor de reacie secundare: La subsol, sunt amplasate 2 depozite, unul cu surse de UCx uzate, i altul cu surse UCx noi. Sursele noi, sunt pregtite s fie montate pe subansamblul RIB. Pe de o parte, se aduce n camera fierbinte, din depozitul de surse noi, o surs noua, cu ajutorul unui crucior telecomandat care se deplaseaz pe ine. Cruciorul este reprezentat n fig 4.12 printr-un ptrat de culoare galben

28

Figura 4. 10 - Seciune vertical prin cladirea EURISOL Uile depozitelor i ale celulelor fierbini, se nchid i se deschid deasemeni telecomandat. Pentru schimbarea de direcie a cruciorului, se folosesc platforme rotative, care n Figura 4.12 sunt reprezentate ca nite discuri verzi.

29

Pe de alt parte, montajul RIB fr surs se face la suprafa, ntr-un laborator obinuit. El este preluat de containerul de transport, adus cu macaraua pn n dreptul unei camere fierbini i cobort. n camera fierbinte, sursa i montajul RIB se vor monta mpreun.Se cupleaz barele de curent pentru ca sursa s poat fi alimentat cu energie electric. Se umbl la toate componentele instalaiei cu ajutorul telemanipulatorilor. Omul nu are voie s ntre n interiorul camerelor fierbini, din cauza radiaiilor de intensitate mare. Telemanipulatorii, pot s lucreze ntr-o zon limitat cu acces direct (nu trebuie s aib nimic n dreptul miinii mecanice), cam 700 x 700 x 500. Subansamblul RIB are o lungime de 7 m, i pentru a ajunge n orice punct al instalaiei, se poate roti cu ajutorul unui sistem special i poate cobor sau urca prin intermediul unui troliu izolat de exterior, aflat n tubul de transport. Dup ce a fost montat inta secundar noua, sistemul RIB se va transporta cu ajutorul tubului de transport pn n dreptul unei alte ncperi aflate sub podeaua slii principale, denumit camer de testare. Aici sunt testate la rece (fr fascicolul de neutroni) toate componentele. Dac este bun, subansamblul RIB, se ridic n tubul de transport i se mut ntr-o camer de ateptare liber Dac subansamblul RIB pe care l-am avut n camera de test nu corespunde tuturor ncercrilor, va fi scos i transportat napoi n camera fierbinte, pentru remedieri. S-au prevzut 6 camere de ateptare, n aa fel nct s existe n permanen 6

Spent targets storage area

Hot-cell for TIS exchange

TIS transport container

Rails

hot-cell window

Hot-cell for spent targets conditioning

Transport container rotation system

Figura 4. 12 Sectiune orizontala prin camerele fierbinti.

30

Se reaminteste ca in studiile ce se vor face in cadrul proiectului stiintific pentru doctorat, nu se va

tine seama de partea superioara ce este compusa din sistemul de conexiune automata pentru apa si curent electric si partea de etansare si prindere a sistemului actionata de aer comprimat, sau de prindere si etansare a tubului de transport.

Descompunerea modelului geometric in module ce au caracteristici geometrice si fizice asemanatoare Pentru a realiza modelul elastic al instalatiei, o descompunem in urmatoarele module :

1. Sistemul electric de alimentare cu inalta tensiune; 2. Sistemul electric de alimentare cu tensiune joasa 3. Sistemul de producere a fascicolului secundar, extragere si conducere 4. Sistemul de racire si vidare cu Heliu si Azot lichid 5. Structura de sprijin si rezistenta 6. Mantaua exterioara cu pereti dubli prin care circula apa pentru racire

4.3 Sistemul electric de alimentare cu nalta tensiune. Modelul geometric si elastic.

n figura 4.12 dreapta este prezentat o vedere asupra sistemului de alimentare cu energie electric de nalt tensiune. n stnga sus, n fig 4.13, este prezentat un detaliu a modului de dispunere i incastrare a barelor, iar n stnga jos, un detaliu asupra prii de jos a barelor. Sistemul de alimentare cu tensiune este alctuit din bare drepte din Cu, prin care trece un curent electric ce are o tensiune n jur de 50 kv i o intensitate n jur de 1000 A. La nivelul intei de U235, adic n partea inferioar a barelor, reacia se desfoar la o temperatur n jur de 2500 oc.

Waiting/cooling pits

Hot-cells entrance area

Laser optics

Crane

RIB lines

Laser mirrors mounted on

the ceiling

Power supplies area

Lasers rooms

Entrance of testing tube

Laser beam

Power supplies area

Figura 2. 19 - Vedere de sus la nivelul camerei principale Figura 4. 11 Vedere de sus n camera de manevra

31

Figura 4. 13

Figura 4. 12

n partea superioar, barele de curent sunt ncastrate ntr-o flan, aa cum se vede n figura 4.2 sus, sau n fig 4.4. Barele sunt independente, nu au ncrcri suplimentare. Seciunea barelor este constanta, i este de forma prezentat n fig. 4.14.

In mijlocul sectiunii, se observ bara de alimentare cu gaz de control, care are sectiune rotunda. Restul barelor sunt in fascicol de cite 2, sudate intre ele spate in spate. Barele sunt in forma de teava cu sectiune dreptunghiulara cu grosimea peretilor de 1 mm. Barele perechi au la partea inferioara un capac sudat, si o deschizatura in peretele comun, astfel

incit sa formeze un circuit de apa pentru racire, ca in fig. 4.15 . Si bineinteles, cele doua bare sunt alimentate cu aceeasi tensiune. In plus, acestea sunt conectate spre modulul tintei cu ajutorul unor conectori flexibili, ca in figura 4.16 :

Figura 4. 14 Detaliu seciune transversal parial prin modulul TIS la nivelul flanei n care sunt ncastrate

32

Figura 4. 15 Modul de intoarcere al curentului de apa Barele de nalt tensiune, se leag fiecare de int, cu ajutorul conectorilor, aa cum este prezentat n fig. 4.18 . Datorit temperaturii, bara se dilat longitudinal. Asupra ei acioneaz din exterior numai fora de gravitaie.Nu mai sunt alte fore exterioare. Prin aceste bare, circul apa, care supune pereii interiori la o presiune de 6 bar. La partea superioar, aa cum se vede n detaliul din fig. 4.4. stnga sus, fiecare fascicol de cte dou evi, se despart, pentru a se putea suda tuuri de intrare i de ieire a apei de rcire, pe un panou izolator vertical, ce face corp comun cu izolatorul colorat n galben, ncastrat n flana orizontal . Lungimile prii de deasupra flanei n care sunt ncastrate barele, sunt foarte mici, i nu constitue o problem de deformaii a barelor de alimentare cu energie electric de nalt tensiune.

Figura 4. 16 - Modul de transmitere prin conductor flexibil a curentului electric de la bare la modulul intei.

33

Toate barele de nalta tensiune sunt paralele, si au acelasi model elastic ca si cel prezentat in fig 4.8. In momentul in care se tine seama de toti conectorii flexibili, atunci se poate considera ca acestia duc la un fenomen de amortizare de intensitate mica al miscarii de vibratie.

Bara de alimentare cu gaz de control, este de sectiune circulara, este incastrata in izolatorul galben, si paralela cu barele de sectiune dreptunghiulara. Si ea este alimentata la tensiune inalta, pentru ca sa aibe acelasi regim electric ca si barele de sectiune dreptunghiulara. Continua n partea inferioara, (spre deosebire de evile ce au sectiune dreptunghiulara), cu un cot la 90 o, traverseaza peretele intermediar si se duce apoi pina in camera sursei de ioni, acolo unde trebuie sa fie introdus gazul de test, i arata ca in fig 4.19.

Figura 4. 17 - Modelul geometric pentru o bara alimentata cu energie de nalta tensiune.

Figura 4. 18. - Modelul elastic pentru o bara alimentata cu energie de nalta tensiune.

34

Figura 4. 19 forma evii prin care este introdus in zona intei gazul de etalonare Nu este supusa la presiune interioara, pentru ca nu este racita cu apa. Alimentarea cu gaz se face pe o perioada foarte scurta, numai atunci cind trebuie sa se etaloneze aparatele de masura. Asupra ei actioneaza numai forta gravitationala. Nu este conectata la ansamlul intei. In figura 4.23 si 4.24, este prezentat sistemul de alimentare cu energie electrica de joasa tensiune. Cu acest fel de curent, este alimentat sistemul de control si aliniere a fascicolului de produsi secundari de fisiune. 4.4 Sistemul electric de alimentare cu joasa tensiune. Modelul geometric si elastic.

Fig. 4.23 Fig. 4.24 . Pentru fiecare etaj.se folosesc 8 bare, legate de sistemul de control i aliniere prin intermediul unui singur conector gril. Barele de curent sunt egale ca lungime. Aceste conectoare au ax perpendiculara pe barele de curent, trec prin peretele despritor al incintei vidate, i apoi din fiecare pornesc fire elastice care ajung acolo unde trebuie, aa cum se vede n fig. 4.23 stnga jos i n fig 4.24.

35

Figura 4. 20 - Conector pentru barele de tensiune joasa

Figura 4. 21. - Reprezentare 2D - Modelul geometric al barelor de alimentare cu tensiune joas

Figura 4. 22.-. Modelul elastic al barelor de alimentare cu tensiune joas

36

Firele flexibile fac ca barele de curent s se poat dilata liber doar axial, i n acelai timp s nu existe constrngeri datorate acestor legturi. Acestea au un factor de elasticitate, care influeneaz deplasarea vibratorie a barelor de curent de joas tensiune. n acelai timp formeaz un sistem mpreun cu mecanismele de orientare a fascicolului i cu elementele de prindere pe peretele despritor, aa cum se vede n fig. 4.24 . Dup cum se vede n figura 4.11, modulele intelor secundare sunt dispuse nclinat fa de vertical, dup cum urmeaz : dou module sunt aezate lateral dreapta, i nclinate spre dreapta, dou sunt aezate n planul axei intei primare i sunt verticale, i ultimile dou sunt aezate lateral stnga i sunt nclinate spre stnga, aa cum se vede i n fig. 4.10 . Datorit nclinrii verticale, componenta gravitaional nu acioneaz pentru toate modulele n mod axial In continuare, a fost analizat doar modulul TIS aezat in poziie verticala, aflat de exemplu in camerele de ateptare. 4.5 Sistemul de producere, extragere si conducere a fascicolului secundar de reacie. Modelul geometric i elastic.

Figura 4. 23 - Modelul geometric al sistemului de producere, extragere si conducere a fascicolului secundar de reactie

Figura 4. 24 - Modelul elastic al sistemului de producere, extragere si conducere a fascicolului secundar de reactie

37

.

4.6 Sistemul de racire i vidare cu Heliu si Azot lichid. Modelul geometric si elastic.

Utilizat pentru curirea incintei de particule aparute in timpul reactiilor nucleare, acesta este format din panouri prin care circula He si N lichid. Este prezentat in figurile 4.30, 4.31, 4.32 Se intinde de la partea superioara a incindei vidate i pin aproape de limita superioar a sistemului de extracie. Este format din 3 panouri pentru He asezate in partea de jos a tubului vidat, i dintr-un panou pentru Azot, montat in partea de sus. Heliul i azotul alimenteaz panourile prin dou perechi de conducte magistrale, care se conecteaz la instalaiile corespunzatoare de depozitare a He si azotului lichid, aflate undeva in exteriorul cldirii.

Figura 4. 25 - Sistem de vidare cu azot lichid

Figura 4. 26 Sistem de vidare cu heliu lichid

Figura 4. 27 - Vedere generala a sistemului de vidare cu azot i He lichid

Sistemul de He i Azot din interiorul tubului, este mobil, i poate fi extras i transportat cu ajutorul tubului de transport pn n camera fierbinte, pentru ntreinere. Sistemul, are ghidaje verticale, reprezentate colorat n negru. Dup cum se observ n figura 4.33, acestea culiseaz pe ghidaje fixe, montate pe pereii camerei vidate, care a fost reprezentata n culoare gri.

38

Modelul elastic este alcatuit din mase concentrate ce stau in ghidajele camerei vidate. Reprezentarea modelului elastic este facuta in fig. 4.36 4.7 Mantaua exterioar cu perei dubli prin care circul apa pentru rcire Acest subansamblu este constituit din incinta vidat n care se desfoar reaciile nucleare. Este construit din oel INOX. Are o seciune dreptunghiulara de 380 x 160 mm. n ea, intr toate subsistemele care particip la buna desfurare a reaciilor nucleare, i acelea care particip la realizarea mediului corespunztor: temperatur, presiune, astfel nct s se poat pstra integritatea structural a materialelor componente (schimbtoarele de cldur). 5. ANALIZA SEISMOLOGIC A CONDIIILOR DE FUNCIONARE A INSTALAIEI EURISOL[www1,www02,www03,www04] 5.1 Notiuni de inginerie seismologica

Figura 5. 1 structura pamntului

Figura 4. 28 - Vedere de sus in incinta vidata

39

5.1.2 Alctuirea pamntului Pamntul are forma de par. Raza pmntului variaz ntre 6357 i 6378 km. Este stratificat, iar structura lui este alctuit astfel vezi fig.5.1: Nucleul, ncepe la o adncime de 2890 de km, i are diametrul de 6800 de km. Este alctuit din

dou straturi, stratul interior solid, i stratul exterior lichid. Se presupune c stratul interior al nucleului este alctuit n principal din: fier i nichel. Se

termin la o adncime cuprins ntre 5100 i 6371 km. Temperaturile ajung pn la 5000 grade Celsius. Stratul exterior al nucleului este alctuit din fier topit. Este situat la o adncime cuprins ntre

2900 i 5100 km. Presiunea din acest strat atinge milioane de atmosfere, au loc reacii de fuziune nuclear, cu

degajri uriae de energie. De aceea este o zon n care pmntul este ntr-o stare de agregare fluid. Aici sunt temperaturi de circa 2900 de grade Celsius.Acest strat, este rspunztor de formarea magnetismului terestru

Nucleul are 31,5% din masa pmntului i 16.2% din volumul acestuia. Mantaua pmntului a) Mantaua intern Se ntinde ntre adncimea de 660 km i 2900 km Rocile sunt n stare

lichid i plastic. Sunt temperaturi de 2000 grade Celsius. Zona dintre nucleul extern i mantaua intern este considerat zona de provenien a magmei

vulcanice. b) Mantaua extern - Este situat la o adncime cuprins ntre 660 i 40 km, Are o

consisten fluid viscoasa, i atenueaz viteza de propagare a undelor seismice de adncime. Pe suprafaa ei plutesc i alunec plcile continentale. Mantaua reprezint 0.3% din greutatea pmntului.

c) Scoar terestr - litosfera Este stratul de la suprafaa pmntului, este solid, i are o grosime de maxim 40 km. Este alctuit din dou pri:

Scoara oceanic, care are o grosime de 5 la 10 km. - Este alctuit din plci, care sunt n permanent micare, plutesc pe mantaua extern, i intr unele sub altele. Partea de dedesubt se topete, iar n zona de crpturi este pompat magm bazaltica, astfel nct vrsta plcilor continentale oceanice este ntotdeauna mai mic de 200 de milioane de ani.

Scoara continental - Este alctuit din blocuri separate numite continente. i ele plutesc pe suprafaa mantalei, ca i plcile oceanice. Are o grosime ntre 30 i 60 Km, cu o grosime medie de 35 km. Este compus n special din minerale din grupa cuarului, feldspai i oxizi metalici.

Hidrosfera - Este stratul de ap care formeaz mrile i oceanele Atmosfera - Este stratul de aer sau gazos al pmntului

5.1.3 Cutremurele. Cauzele cutremurelor

Cutremur sau seism sunt termenii folositi pentru miscrile pmntului, ce constau n vibratii care ii au originea n zonele interne ale pamintului, i care se propaga n form de unde prin roci. Aceste vibratii rezult din miscrile plcilor tectonice, fiind des cauzate i de activitati vulcanice.

Legendele i povestirile orale care s-au transmis prin viu grai de-a lungul mileniilor, sunt presarate cu evenimente ce descriu framintari majore ale pamintului.

Energiile uriae care se elibereaza datorita fierberii pamintului i care duc la micrile scoartei, au produs atitea pagube, inct cutremurele reprezinta unele din cele mai de temut evenimente naturale.

40

Datorita faptului ca scoara pamintului plutete pe mantaua lichida, iar n interior au loc procese de fierbere, buctile de scoar sunt in continu micare. Au fost cartografiate 7 plci tectonice principale i multe altele mai mici.

Placile tectonice, au mase i grosimi uriae. Sunt trei posibiliti de micare a acestora. Micari de indepartare, de apropiere, i de alunecare una pe linga cealalta. De asemeni, in afara de micarile de-a lungul marginilor plcilor tectonice, exist i deformri ale plcilor tectonice, sau rupturi, in interiorul plcii, in zone mai subiri, acolo unde partea de dedesubt, s-a topit.

Figura 5. 2 - Tipuri de zone de confluenta ale placilor tectonice

Aa cum se prezint n figura 5.2, n cazul micrii de ndeprtare, zona respectiv se numete zon divergent. Pentru micarea de ntlnire a dou plci, n locul de ntlnire, este vorba de o zon de convergen. Acolo unde plcile alunec una pe lng cealalt, se spune c este o zon de transcuren. n cazul cnd dou plci tectonice se apropie una de cealalt i marginile se ncalec, o parte din marginile n contact se distrug. Chiar dac marginile sunt sufficient de rezistente s nu se rup, apar frecri uriae. Toate aceste fenomene descrise mai sus, dau natere la cutremure. n afar de micrile plcilor tectonice, mai exist i fenomenele de topire punctual ale scoarei pmntului. Pe acolo, datorit presiunii foarte mari existente ntre manta i scoar, este injectat magm, i astfel apare fenomenul numit Vulcan. n momentul strpungerii scoarei , au loc degajri masive de energie, care se transmit pmntului sub form de cutremure. Vulcani pot fi i n zonele de vecintate ale plcilor, dar majoritatea sunt n intraplaci.

Vulcanii, se mpart n dou categorii : vulcani activi i vulcani inactivi.

41

De asemeni, dup mrimea craterului, exist vulcani obinuii, cu diametrul craterului de cteva sute de m ptrai care erup destul de des,care provoac pagube la nivel local, pe o raz de 20 Km, i supervulcani, care erup o data la 6-700000 de ani, i care au diametrul craterului de civa zeci de km ptrai. Un exemplu, este supervulcanul aflat pe teritoriul parcului Yelowstone. Supervulcanii atunci cnd erup, provoac distrugeri i schimbri majore de clim pe o mare ntindere a suprafeei terestre. O alt cauza posibil n ceea ce privete apariia vulcanilor este cderea unor meteorii. Aceast posibilitate este rar, dar exist, pentru c n trecutul istoric al pmntului, la nceputuri, a existat un bombardament intens de meteorii, care a produs framntri puternice ale scoarei, schimbri climatice, etc. rile avansate din punct de vedere tehnologic urmresc cu ajutorul telescoapelor meteoriii ce zboar n apropierea pmntului i dezvolt politici de ndeprtare sau de distrugere a acestora, funcie de mrimea lor. Pn acum s-a vorbit despre cauzele naturale ale cutremurelor, dar exist i cauze induse de mna omului. Se pot aminti cutremure datorate exploziilor atomice, sau cutremure datorate bazinelor hidroenergetice. Datorit tensiunilor adugate de mas de apa, au loc reaezri ale scoarei, sau micri de redistribuire ale tensiunilor existente n scoar, acolo unde a fost construit barajul. Datorit faptului c procesele de fierbere din interiorul pmntului sunt continue, au loc cutremure pe toat suprafaa globului, n mod permanent. Fiind un potenial pericol pentru viaa oamenilor i pentru construciile i realizrile acestora, s-a dezvoltat o ramur a ingineriei, i anume seismologia. Aceasta se ocup cu studiul tiinific al cutremurelor. Au fost cartografiate toate zonele seismice i potenial seismice ale globului, au fost plasate instrumente de msur i detecie a cutremurelor. Un cutremur, se nate printr-o eliberare de energie distribuit ntr-o zon volumic de pmnt. Dar, este convenabil din punct de vedere tiinific s se considere un punct, s zicem ntr-un centru energetic ipotetic al zonei considerate. Acest punct se numete focar sau hipocentru i este prezentat n figura 5.3. Se obinuiete s se reprezinte pe hart locul de unde a pornit cutremurul respectiv, i de aceea se face proiecia focarului pe scoara pmntului. Acest punct poart denumirea de epicentru. Funcie de adncimea focarului, un cutremur de aceeai intensitate are consecine devastatoare diferite.

Figura 5. 3 Reprezentarea schematic a Hipocentrului i a Epicentrului

42

Figura 5. 4 - Distributia mondiala a cutremurelor (Bolt 2001)

Cu cit hipocentrul este mai la suprafat, consecintele sunt mai grave. De aceea, oamenii de tiinta, au imparit cutremurele funcie de adincimea la care se produc:

Cutremure de suprafa hipocentrul este la o adincime mai mic de 70km Cutremure intermediare - hipocentrul este la o adincime cuprins intre 70 i 300 km Cutremure de adincime - hipocentrul este la o adincime > de 300 km

Majoritatea cutremurelor sunt urmate de replici, adic scoara pmntului nu se aeaz o singur data. Dar n 99% din cazuri, replicile se produc dup cutremurul care are intensitatea cea mai mare. De aceea, nu se poate prezice un cutremur dup replicile sale. n Romnia, n zona Vrancea, se produc cutremure de adncime medie i mare. Astfel de tipuri de cutremur, se mai produc n: Marea Egee, Spania, Anzii din America de Sud, insulele Tonga, Samoa, Noile Hebride, Marea Japoniei, Indonezia i Insulele Caraibe.

Studiul cutremurelor se face cu ajutorul unor aparate numite seismografe 5.1.4 Mecanica producerii cutremurelor n momentul n care se produce un cutremur, din epicentru, se transmit unde de oc. Primele unde se numesc unde primare, sau aa numitele unde P. Acestea sunt unde longitudinale, de compresie-dilatare, care se transmit n lungul direciei de propagare. Amplitudinea undei este proporional cu magnitudinea (energia) cutremurului. Nu este periculoas pentru structuri datorit

43

faptului c transport circa 20% din energia cutremurului. Este perceput de ctre oameni ca pe o sltare n plan vertical. Urmeaz unda S. Care este o und transversal de forfecare pe direcia de propagare i, aa cum se vede n figura 5.5, se produc distrugeri semnificative ale structurilor intilnite.Este resimit la suprafa ca o micare lateral de balans, i este periculoas pentru structuri pentru c transport 80% din energia total

. Figura 5.5 Modul in care se propaga undele de tip P i S pe verticala i pe orizontala

a cutremurului. Vor avea loc prin urmare, distrugeri proporionale cu magnitudinea cutremurului i cu durata de aciune. Dac frecvenele proprii ale cldirilor se potrivesc cu frecvenele oscilaiilor cutremurului, atunci apare fenomenul de rezonan i distrugerile vor fi majore Deplasarea undei S este asemntoare cu deplasarea unui arpe (micri ondulatorii sting dreapt fa de direcia de naintare)

44

Figura 5. 6 - Incendiul din San Francisco 1923

Figura 5. 7 Alunecri de teren in La Conchita, California (sursa USGS)

n figura 5.5 sunt prezentate modul n care oscileaz unda S i unda P, dac direcia de propagare este vertical (n partea de sus) , i deasemeni dac direcia de propagare este orizontal (n partea de jos). Structurile sunt reprezentate sub forma unor elemente de cub suprapuse.

45

5.1.5 Efectele cutremurelor Instalaiile de ap se fisureaza i au loc inundaii. In larg, la ape adnci, valul mareic prezint viteze de 300 pina la 700 m/s i se propag in toat masa apei (pe toat adncimea oceanului) . nlimea valului variaza ntre ciiva cm, pna la civa m. n momentul n care ajunge n apropierea malurilor, valul se nal si se transform ntr-un zid care mtura rmul pe citiva Km.

Figura 5. 8 mecanismul de formare al unui tsunami (sursa USGS)

Dac panta malului este abrupt, atunci valul va fi nalt, i va avea un potenial energetic distructiv foarte mare.

Figura 5. 9 - Tsunami pe pant abrupt. Potenial distructiv mare (sursa Wikipedia)

n Japonia, cutremurul din 2011, a produs un tsunami care a afectat Noua Zeeland, Australia, Rusia, Guam, Indonezia, Papua Noua Guinee, Nauru, Hawaii, Marianele de Nord i Taiwan. nlimea valului a fost de 10 m. Viteza de propagare a valului a fost de 700-800 km/h d. Modificarea proprietilor fizice ale terenului. Un exemplu l constitue lichefierea terenului

de fundare al construciilor Se produce urmtorul mecanism : Datorit undei de oc, apa freatica iese din subteran, nmoaie terenul de fundaie, i atunci cldirea se nclin i chiar se rastoarn.

46

Figura 5. 10 - Lichefierea solului produs de cutremur (sursa Berkley.edu)

5.1.6 Caracterizarea cutremurelor : Intensitatea seismic n Romania se foloseste scara MSK-65. Intensitatea seismica este cea mai veche unitate de masura a cutremurelor. Magnitudinea unui cutremur Este o msur a energiei unui cutremur. Are o valoare unic. Se bazeaz n exclusivitate pe msurtori, i de aceea nu conine o doz foarte mare de subiectivitate incorporata in msura intensitii seismice. n 1931, Wadati n Japonia, apoi n 1935 Beno Gutenberg (1889-1960) i Charles Richter (1900-1985) n California au definit noiunea de magnitudine local ML ca fiind logaritmul n baz 10 a amplitudinii maxime nregistrate la 100 km de epicentru (punctul A care este o distan ipotetic), cu un seismograf Wood Anderson. A0 este un coeficient care depinde de distana real la care a fost amplasat aparatul, dar nu mai departe de 600 de km de A. 01010 loglog AAM L =

Pentru creterea cu o unitate, energia cutremurului crete de aproximativ 30 de ori. Dei limita teoretic superioar nu exist, cutremurele nregistrate pn acum nu au depit valoarea de 9.5. Acesta s-a nregistrat n Chile n 1960. n Japonia, anul 2011, s-a nregistrat valoarea de 9. Doar 4 cutremure au avut valoarea de 9.

47

Figura 5. 11 Scara MSK-64

48

Cutremurul din 2004, din Sumatra, a avut valoarea de 9.1, i vlul mareic tsunami, a produs moartea a peste 200000 de personae.

Folosit azi pe scar larg, msura magnitudinii unui cutremur, a fost introdus n 1935 de seismologul american Beno Gutenberg (1889 - 1960) i Charles F. Richter (1900 - 1985).

S-au dezvoltat i alte scri: Magnitudinea de suprafaa introdus de Gutenberg pentru nregistrri la distante mai mari de

2000 de km. Magnitudinea undelor de volum care msoar cutremurul dup unda seismic P. Amplitudinea

undelor P nu este afectat de adncimea hipocentrului. Amlitudinea de moment Este cea mai sensibil scar pentru cutremure foarte puternice. Acesta

depinde n mod direct de momentul seismic , aflat n relaie direct cu dimensiunea sursei seismice.

In tara noastra, asa cum se observa din figura 5.13, epicentrele cutremurelor se concentreaza mai

ales in zona Vrancea. i sunt cutremure de adincime.

5.1.7 Zonarea cutremurelor Zona seismogen Vrancea este situat la curbura Carpailor, avnd, dup datele din acest

secol,un volum relativ redus: adncimea focarelor ntre 60 i 170 km i suprafaa epicentral de cca. 40x80 km2.

Sursa Vrancea este capabil s produc mari distrugeri n peste 2/3 din teritoriul Romniei i n primul rnd n Bucureti: pagube de 1.4 Miliarde USD numai n Capital din totalul de peste 2 Miliarde USD n Romnia n 1977.

Cutremurul Vrncean cel mai puternic este considerat a fi cel din 26 Octombrie 1802, cu magnitudinea Gutenberg-Richter 7.5 i 7.7, Cutremurul Vrncean cu cea mai mare magnitudine din acest secol a fost cel din 10 Noiembrie 1940, avnd magnitudinea Gutenberg-Richter M=7.4 i adncimea de 140-150 km.

Cutremurul Vrncean cu cele mai distrugtoare efecte asupra construciilor i primul cutremur puternic pentru care s-a obinut o accelerogram nregistrat n Romnia a fost cel din 4 Martie 1977 cu: magnitudinea Gutenberg-Richter M=7.2, adncimea focarului h=109 km, distana epicentral fa de Bucureti 105 km. n Bucureti acest cutremur a cauzat peste 1400 pierderi de viei omeneti i prbuirea a 23 construcii nalte din beton armat i 6 cldiri multietajate din zidrie realizate nainte de cel de al doilea rzboi mondial precum i a 3 cldiri nalte din beton armat construite ntre anii 1960 - 1970 In normele de proiectare din punct de vedere al riscului la cutremur P100-2006, Romania a fost zonata ca in figura 5.13 Despre cutremurul din 1977 (sursa Wikipedia) Cutremurul din 1977 s-a produs la orele 21:22 n data de 4 martie 1977, cu efecte devastatoare asupra Romniei. Magnitudinea a fost de 7.2 grade pe scara Richter i a durat 56 de secunde. Au fost 11300 de raniti, 1578 de morti. 1391 de victime s-au nregistrat numai in Bucureti. S-au prabuit circa 35000 de locuine in intreaga ara, dintre care 33 de cldiri i blocuri numai n Bucuresti. .

49

Figura 5. 12 - Zonarea Romaniei (P100-2006)

Figura 5. 13

50

Figura 5. 17 nregistrri pentru componentele NS ale acceleraiei, vitezei i deplasrii effectuate n staia NCERC Bucureti n timpul cutremurului din 4 Martie 1977

Un instrument ca cel prezentat in fig 5,17, are de obicei trei senzori: doi pentru nregistrarea componentelor orizontale (nord-sud i est-vest), i un al treilea pentru componenta vertical a micrii seismice.

51

Acceleraia este uzual exprimat n 2/ scm , fie este raportat la acceleraia gravitaional g=981 2/ scm .

Valorile vitezei i cele ale deplasrii terenului n urma unei micri seismice se pot obine ulterior prin integrarea acceleraiei.

5.2 Analiza seismologica a instalaiei pentru producerea de fascicol secundar de reacie la

vibraiile cutremurului din 4 martie 1977 5.2.1 Instalaia pentru producerea de fascicol secundar de reacie - sistem oscilant Dupa cum se arata in [BFR1979],[BMR1979],[HBU1956]

Vibraia este caracterizat prin aciunea asupra sistemului a forelor care determin deplasarea (oscilaia) elementelor componente, msurat n puncte caracteristice, a forelor elastice i a forelor de amortizare.

Un sistem oscilant, aa cum este modulul Eurisol pentru extragerea produilor secundari de reacie, i care constitue obiectul de studiu al temei de doctorat, poate fi excitat de forele produse de energia dezlnuit n momentele producerii cutremurelor de pmnt.

Un sistem care vibreaz, poate fi caracterizat de anumii parametrii. Studiul acestor parametrii, nseamn determinarea valorilor acestora, i interpretarea rezultatelor att din punct de vedere cantitativ, ct i calitativ.

A face aceste studii, nseamn a studia rspunsul sistemului la excitaia dat. Rspunsul sistemului depinde de dou categorii de factori:

Caracteristicile ansamblului studiat : Fizice, chimice, dinamice, de form elementelor din care este constituit sistemul, de modul n care elementele se mbin ntre ele, deci de tipul cuplelor cinematice.

Caracteristicile excitaiei externe ale sistemului Eforurile, deformaiile i tensiunile variabile n timp, reprezint rspunsul seismic al

sistemului. Tipuri de micri vibratorii Intotdeauna, forele de acceleraie, de amortizare, elastice, i de

excitatie sunt in echilibru. Rezultanta compunerii acestora, va determina raspunsul sistemului. Adica amplitudinea

vibratiilor sistemului se va atenua, va ramine constanta in timp, sau se va amplifica. Inginerul care proiecteaza structuri noi sau analizeaza solutii construcive materializate sau nu, incearca sa determine comportamentul acestora la vibratii. Dupa cum se stie, vibratiile sunt de doua tipuri: vibratii produse de cauze naturale, cum ar fi miscarile tectonice, etc. i vibratii produse de miscarea unor masini i utilaje construite de mina omului, cum ar fi de exemplu vibratia caroseriei unei masini atunci cind se deplaseaza pe sosea.. Pe de alta parte, vibratiile pot avea un caracter daunator sau un caracter benefic. De exemplu, dac ne referim la vibratiile produse de un ventilator asupra carcasei unui aparat electronic care masoara ceva, atunci acestea pot fi considerate daunatoare pentru scopul propus, iar dac ne gindim la o sita cu ajutorul caruia se face o selectie dimensionala granulara, atunci vibratiile ramei sunt produse intentionat i pot fi considerate benefice. Trebuie mentionat ca studiul vibratiilor se face pentru a vedea dac integritatea structurala a masinilor sau a construciilor va rezista, in doua momente de timp : la aparitia vibratiilor, i dupa o peroada de timp, adica se spune ca se face calculul la oboseala. De asemeni, studiul comportarii la vibratii, se face nu in ultimul rind i pentru a vedea dac omul are de suferit sau nu. De exemplu, dac o casa se darima, atunci cineva care se afla in momentul t0 (la aparitia vibratiilor) in interior, ar putea fi zdrobit sub greutatea caramizilor. Acelai lucru se va intimpla,

52

adica cineva i-ar putea pierde viata, dac cladirea se va prabui dupa o perioada mai lunga de timp. De asemeni, vibratiile actioneaza i asupra fizicului i psihicului uman. Asa cum s-a aratat mai sus, se poate construi un model matematic pentru un sistem, dac acel sistem nu este foarte complex. Dac nivelul de complexitate este ridicat, atunci trebuie sa se treaca la masurarea vibratiilor fie pe sistemul real, atunci cind exista o sursa de producere a vibratiilor, sau pe modele construite la o scara cit mai apropiata de scara reala. Desigur, sunt importante i verificarile facute unor construcii tip, atunci cind s-a produs un cutremur de exemplu poduri, cladiri cu multe etaje. Dac previziunile construcorilor s-au adeverit, adica dac cladirea sau podul a rezistat, atunci se va trece la tipizare i standardizare. Se vor putea trage concluzii i dac integritatea structurala a avut de suferit. 5.2.2 Efectele Vibraiilor asupra cldirilor i instalaiilor -exemlu de calcul al eforului

unitar n cazul n care se cunoate mrimea deformaiei unui element (sgeata) Cunoscnd amplitudinea vibraiilor, se cunoaste ia elementului elastic i deci se poate face o verificare a acestuia. De exemplu, dac sistemul este format dintr-o bara ncastrata, de masa m care oscileaza, i dac amplitudinea vibraiei forate este x0, iar asupra captului acioneaza o fora care deformeaza bara cu o sgeata statica fst atunci sgeata totala este :

f = fst + x0 Aceasta sgeat poate fi produs de o fora Q, aplicat in captul barei.

Dupa cum se stie, din mecanic, pentru o bar incastrat EI

Qlf3

3

= de unde rezult

33

lEIfQ = momentul maxim n ncastrare este 23 l

EIfQlM == Rezult c efortul unitar calculat maxim in bar va fi :

WlxfEI

WlEIf

WM st

cal 20

2)(33 +===

Bineineles, admiscal pentru materialul i pentru modulul de rezisten W din care este facut bara 5.2.3 Studiul reaciei sistemului instalaiei pentru producerea de fascicol secundar de reacie in

faa unui cutremur-etape Studiul reaciei sistemului EURISOL in fata unui cutremur, se face in trei etape:

1. Analiza modala a structurii, prin determinarea vibraiilor proprii i a deplasrilor proprii; 2. Studiul rspunsului structurii sub aciunea vibraiilor pmntului n timpul unui cutremur

cunoscut; 3. Interpretarea rezultatelor obinute la punctele 1 i 2.

53

5.2.4 Alegerea metodei de calcul pentru instalaia pentru producerea de fascicol

secundar de reacie - Metoda Elementelor Finite, Metode ce au stat la baza metodei elementelor finite[CAI2002]

Datorit complexitii modulului TIS, a fost preferat metoda de analiz cu elemente finite, pe care cei de la compania ANSYS au ridicat-o la standarde foarte nalte. La baza aparitiei metodei elementelor finite, a stat Metoda deplasrilor: Sistemul de ecuaii are ca necunoscute deplasrile sau rotirile nodurilor elementelor structurii (articulaii, zone de rigidizare, capetele unor tronsoane, puncte de aplicaie ale forelor sau cuplurilor exterioare, etc. Metoda const n exprimarea forelor din noduri pentru fiecare element, funcie de deplasrile nodale i scrierea ecuaiilor de echilibru ale forelor nodale corespunztoare fiecrui element. Prin asamblarea ecuaiilor de echilibru corespunzatoare fiecrui element, se obine matricea global de echilibru, care este singular. Pentru ridicarea singularitii matricei, se introduc condiiile la limit globale(deplasri nule sau impuse). Practic, pentru fiecare element se va obtine : [ ] { } { }eee FK =* Unde: [ ]eK este matricea de rigiditate a elementului e { }e este matricea coloana a deplasrilor nodale pentru elementul e { }eF este matricea forelor din noduri pentru elementul e Se asambleaz ecuaiile mtriceale obinute pentru fiecare element n parte prin nsumare, obinndu-se o matrice global de forma: [ ] { } { }FK =* n care: [ ]K este matricea de rigiditate a ntregului model { } este matricea coloan a deplasrilor nodale a intregului model { }F este matricea forelor din noduri a intregului model (pentru sarcinile direct aplicate) [ ]K este o matrice singulara de dimensiune N x N Pentru a ndeparta singularitatea (linii si coloane 0 sau proportionale), se elimina liniile i coloanele corespunzatoare reaciunilor necunoscute ,sau corespunzatoare blocajelor sau deplasrilor impuse nodurilor-cunoscute . Se obine astfel o matrice patrat nesingular.

54

Metoda deplasarilor Algoritm de calcul : Se consider un element de tip bar ce are seciunea constant Ae i de lungime Le delimitat de nodurile i i j Se noteaz : ui i uj deplasrile din nodurile i i j

exiF i

exjF forele nodale din i i j

iN i jN eforurile secionale din i i j.

Rezulta ca : ie

xi NF = i jexj NF = Se exprim deformaia elementului e ( ijL ) i forele nodale in funcie de deplasrile nodale ui i uj.

)( jiee

jie

ej

e

ei

ijij uuLEANN

EALN

EALNuuL =====

)( jiee

ie

xi uuLEANF == i )( jie

e

je

xj uuLEANF ==

Relaia dintre forele nodale i deplasri se mai poate scrie sub form matriceal astfel :

=

e

xj

exi

j

ie

e

FF

uu

LEA

1111

Se exemplific pentru o bar alcatuit din mai multe elemente ca n figura urmatoare :

55

In continuare, sunt reprezentate relaiile de echilibru dintre fore in fiecare nod :

Se scriu relaiile ntre forele nodale funcie de deplasri pentru fiecare element in tabelul urmator :

Nodurile elementului Element i j

Le Ae Fexi Fexj

1 0 1 a 4A 4EA(u0-u1)/a -4EA(u0-u1)/a 2 1 2 1.5a 3A 2EA(u0-u1)/a -2EA(u0-u1)/a 3 2 3 2a 2A EA(u0-u1)/a -EA(u0-u1)/a 4 3 4 2.25a A 4EA(u0-u1)/a -4EA(u0-u1)/a

56

Se vor scrie ecuatiile de echilbru pentru fiecare nod :

Nodul 0 010010 )(

40 HuuaEAHFx ==+

Nodul 1 PuuaEAuu

aEAPFF xx 3)(

2)(403 121021

11 ==+

Nodul 2 Puua

EAuuaEAPFF xx 2)()(

202 322132

22 ==+

Nodul 3 Puua

EAuua

EAPFF xx ==+ )(94)(0 4332

43

33

Nodul 4 443444 )(9

40 Huua

EAHFx ==+ A rezultat un sistem de ecuaii cu 5 necunoscute: 0H , 4H , 1u , 2u , 3u , care matriceal se poate scrie sub forma :

=

4

0

4

3

2

1

0

23

*

94

94000

94

913100

013200026400044

Hppp

H

uuuuu

aEA

Dac in ecuaii se introduc condiiile la limit 040 == uu , atunci se suprima liniile 1 i 5, respectiv coloanele 1 i 5, pentru a obine o matrice nesingulara.

Rezult :

=

PPP

uuu

aEA 2

3*

91310

132026

3

2

1

Sub form general [ ] { } { }FK =* unde :

[ ]

=

91310

132

026

aEAK este matricea de rigiditate a sistemului

Dac se inmuleste la stinga cu inversul matricei de rigiditate, [ ] [ ] { } [ ] { } { } [ ] { }FKFKKK **** 111 ==

57

Rezulta :

=

=

25.225.225.1

2*

1462

6326

926

2926

310

1289

3

2

1

EAPa

PP

P

EAa

uuu

Din sistemul: 040 == uu

010 )(4 Huu

aEA =

443 )(94 Huu

aEA =

Rezult 0H i 4H Datorita faptului c metoda poate fi algorirtmizat relativ uor, aceast metoda sta la baza rezolvrii problemelor oricit de complexe, acolo unde structurile pot fi imparite in elemente finite. Modelarea cu Elemente Finite Metoda elementelor finite este un caz particular de rezolvare al ecuaiilor al metodei Ritz Conform celor care au dezvoltat teoria elementelor finite: - Din punct de vedere geometric, lementul finit care este un corp tridimensional, modeleaz corpul prin muchii, suprafee i volume avnd form geometric ideal n spaiul tridimensional Euclidian; - Din punct de vedere al proprietilor fizice, elementului finit I se pot asocia proprieti ideale de material: continuitate, izotropie, densitate, constante termice, etc. - Din punct de vedere funcional, modeleaz evoluia variabilei de cmp a problemei i derivata acesteia pn la un anumit ordin, funcie de condiiile la limit a domeniului analizat funcie de condiiile iniiale ale problemei studiate. Metoda de analiz cu elemente finite este o metod matematic i se desfoar pe parcursul urmtoarelor etape: 1. Crearea modelului geometric 2. Discretizarea lui n elemente finite 3. Obinerea formei variaionale corespunztoare fenomenului studiat i minimizarea formei ptratice associate 4. Asamblarea matricei de rigiditate global din matricele de rigiditate a elementelor finite: Pentru fiecare element se formeaz o ecuaie variaionala [ ] { } { }eee FK =* Prin asamblarea tuturor ecuaiilor variaionale ale elementelor finite in una singur, rezult o ecuaie matriceal globala de forma :

[ ] { } { }FK =*

58

1. Rezolvarea numeric a sistemului de ecuaii liniare sau a ecuaiei matriceale globale cu impunerea condiiilor la limit globale (noduri fixe, deplasri cunoscute, fore de legtur cunoscute. 2. Post procesarea rezultatelor - calculul variabilelor secundare, trasarea graficelor de variaie a variabilelor secundare (deplasri, tensiuni echivalente, deformaii elastice, verificarea seciunilor periculoase, etc) De fapt, mare parte din comunitatea internaional folosete ANSYS pentru cele mai importante proiecte. Pentru a face analiz modal, se va descompune sistemul TIS n elemente de sine stttoare. Unul din cele mai importante principii n mecanic, este Principiul suprapunerii efectelor. Se poate studia separat, care sunt frcventele i deplasrile proprii, ale fiecrui subansamblu n parte. tiind caracteristicile cutremurului de pmnt, putem anticipa care sunt reaciile ansamblului TIS . Vibraiile unui cutremur se ncadreaz n categoria VIBRAII ALEATOARE. Funciile de timp ce vor caracteriza aceste tipuri de vibraii, nu sunt cunoscute. Pentru un fenomen cu evoluie aleatoare n timp, nu se poate cunoate, dect evoluia anterioar momentului actual. Nu se poate cunoate evoluia n timp a micrii maselor unui sistem dac ne gndim la un cutremur din anul viitor, indiferent de gradul acestuia. 5.2.5 Despre caracterul aleator al cutremurelor[BFR1979]

Dup cutremur, oamenii de tiin au fcut o analiz a pagubelor suferite, i au fost luate msuri n consecin.

Ansamblul datelor obinute n urm realizrii unui eveniment (cutremur de grad 5 de exemplu) formeaz o realizare a fenomenului. Ansamblul datelor obinute n experimente distincte, petrecute n aceleai condiii (aceleai aparate amplasate n acelai loc i care au msurat cutremure de grad 5), definesc un proces aleator. Practic, un proces aleator este dat de un numr finit de realizri finite.

Funcia aleatoare va fi notat cu x(t), dar, dup cum s-a artat mai sus, nu are o reprezentare analitic, cu ajutorul creia s s determine precis valoarea lui x la momentul t.

Att excitaia ct i rspunsul (micrii vibratorii) sunt aleatoare. Att excitaia ct i rspunsul au o anumit amplitudine instantanee la un moment dat. Amplitudinea la momentul t1 este o variabil aleatoare i este caracterizat de ansamblul statistic

al valorilor la momentul t1 pe axa timpului, pentru toate realizrile anterioare. Mrimile de ansamblu definite pentru funcia aleatoare (timp, vitez, acceleraie, etc.) a

amplitudinilor vor permite caracterizarea n timp a excitaiilor i a micrilor aleatoare (sau echivalent n frecven) i n mrime, pentru un moment al micrii.

Pentru caracterizarea oscilaiilor structurilor, datorit caracterului aleator al comportamentului mediului de propagare al cutremurelor, se folosesc mrimi statistice - media geometric i funcia de autocorelaie

Se consider c procesul aleator are T secunde.

5.2.6 Energia de deformaie i Puterea medie sau Densitatea Spectrala de Putere Un sistem elastic liniar, are energia de deformaie acumulat intr-o perioad :

59

= 000

)()(211 T

p dttxtkxTW (5.10)

Din mecanic : Fe * deplasarea = Lucru mecanic

prin analogie, se consider 00

2 )(T

dttx masur a energiei funciei x(t) pe o perioada, indiferent de natura

funciei x(t) (poate sa fie deplasare, vitez, acceleraie, etc.)

00

2 )(T

dttx = =n

ncT2

0 (5.11)

Dac se imparte energia la 0T , atunci se obine media ptratic a funciei x(t), adic puterea medie pe o perioad

=

====

nn

nn

T

ccTTdttx

Ttx 22

0

0

0

2

0

20

)(1 )( (5.12)

Reprezentarea grafic a lui )(2 nc d spectrul puterii funciei x(t) figura 5.25.

Figura 5. 14

O funcie neperiodic x(t) poate fi privit ca un caz limit de funcie periodic ale carei valori se

repet dup o durat infinit de mare. 0T . In acest caz, pulsaia fundamental 0 este infinit mic pentru c : 02

00 = T

pentru ca 0T . Spectrele de frecvena, i de putere se vor transforma din spectre discrete in spectre continue ca in fig 5.25 .

Densitatea spectral de putere se mai poate scrie :

=

= n

nctx 2

2 )( (5.13)

i 2

nc reprezint puterea coninut in unitatea de band de pulsaii i se va numi densitate

spectral de putere i se va nota cu )( nS unde 001 == + nn