Nel quadro delle attività ingegneristiche a supporto del settore nucleare, le analisi sismiche costituiscono un ambito di fondamentale importanza per la valutazione della sicurezza di strutture, sistemi e componenti.

A cura di Vincenzo La Salandra
[RL Design&Virtual Prototyping – Area Ingegneria dei Sistemi]

Le tre attività che andiamo ad approfondire sono state portate a termine nel corso degli anni. Si tratta di sfide che hanno richiesto esperienza e metodologie di analisi sismica in ambito nucleare. Perché vale la pena approfondirle? Perché hanno richiesto requisiti di qualità, sicurezza e robustezza tecnica estremamente rigorosi ed elevati.

Oggi possiamo dire che l’esperienza accumulata ci consente di affiancare i clienti attuali e potenziali su una base solida. Una prerogativa fondamentale per superare le nuove sfide poste dall’ingegneria sismica nei contesti a maggiore complessità.

1) VERIFICA SISMICA DELL’ELECTRON CYCLOTRON UPPER LAUNCHER PORT PLUG (ITER)

Obiettivo

Valutare la risposta strutturale dell’Electron Cyclotron Upper Launcher Port Plug, uno dei componenti installati sulla Vacuum Vessel di ITER, soggetto ad azioni sismiche e a condizioni operative particolarmente gravose.

La Sfida

NIER ha sviluppato modelli FEM avanzati e condotto analisi modali e dinamiche mediante Response Spectrum Analysis (RSA), identificando frequenze naturali, modi propri e opportuni livelli di amplificazione dinamica. Data la complessità e il livello di dettaglio richiesto del modello geometrico e dai diversi sotto-modelli, i risultati delle analisi dinamiche sono stati utilizzati sotto forma di carichi statici equivalenti attraverso il calcolo di specifici Inertial Amplification Factors (IAFs). Questo ha consentito l’integrazione delle azioni sismiche nelle successive verifiche termo-strutturali.

Elementi distintivi

Quali sono stati gli elementi distintivi?

• Analisi di componenti direttamente integrati nella Vacuum Vessel di ITER.
• Determinazione di fattori di amplificazione inerziale per la conversione delle azioni dinamiche in carichi statici equivalenti.
• Integrazione delle verifiche sismiche con scenari multi-carico comprendenti eventi elettromagnetici e termici.
• Utilizzo di modelli FEM sviluppati in ambiente ANSYS per supportare le verifiche di integrità strutturale.

Risultati ottenuti

Il Team NIER ha condotto le analisi che hanno permesso di validare design nei confronti delle combinazioni di carico sismiche previste per il componente.

2) ANALISI SISMICHE DEI SISTEMI AUSILIARI DEL TBM (TEST BLANKET MODULE) DI ITER [1]

Obiettivo

Verificare il comportamento strutturale e sismico dei sistemi ausiliari del Water Cooled Lead Lithium Test Blanket System (WCLL-TBS), comprendenti sistemi di tubazioni, apparecchiature meccaniche (pressurizzatori, scambiatori di calore, etc…) e strutture di supporto installate nelle aree di processo di ITER.

La Sfida

Il progetto ha richiesto la modellazione numerica di sistemi molto diversi tra loro tanto per condizioni operative (fluido di processo, pressioni e temperature di design) quanto per le peculiarità strutturali. La complessità era ulteriormente amplificata dalla necessità di rispettare i requisiti di ITER/F4E e le prescrizioni RCC-MRx per componenti nucleari, ad esempio assicurando il rispetto dei criteri per danni di tipo P, S e l’esecuzione di verifiche a fatica.

NIER ha realizzato modelli FEM tridimensionali completi dei diversi sistemi localizzati in differenti ambienti, eseguendo analisi modali e Response Spectrum Analysis basate sugli spettri di risposta sismica di piano. Le verifiche hanno incluso la valutazione dell’interazione tra diversi componenti e tubazioni, il calcolo delle reazioni trasmesse ai supporti, l’integrazione degli effetti sismici con pressione, temperatura e peso proprio e il controllo dell’integrità strutturale secondo RCC-MRx 2018.

Elementi distintivi

• Modellazione integrata di reti di tubazione complessi, componenti meccanici e strutture di supporto dell’intera area impiantistica.
• Analisi delle interazioni dinamiche tra sistemi differenti all’interno dello stesso ambiente.
• Verifiche complete secondo RCC-MRx, comprese analisi a fatica e valutazione dei danni di tipo P e S.

Risultati Ottenuti

Le verifiche sismiche hanno permesso di trovare soluzioni progettuali atte a validare design nei confronti delle combinazioni di carico sismiche previste per i diversi sistemi studiati.

3) ANALISI SISMICA DELLA RADIAL NEUTRON CAMERA (RNC)

Obiettivo

Valutare il comportamento dinamico e termo-strutturale della Radial Neutron Camera (RNC), sistema diagnostico fondamentale per il monitoraggio del plasma all’interno di ITER.

La Sfida

La RNC presenta una configurazione estremamente articolata che comprende strutture schermanti, sistemi di raffreddamento, detector boxes e componenti di supporto. La verifica richiedeva una modellazione multi-scala capace di rappresentare sia il comportamento globale del sistema sia quello locale dei componenti più critici.

NIER ha sviluppato un approccio basato su modelli FEM globali e sub-modelli locali dedicati alle parti maggiormente sollecitate. Le analisi sismiche sono state eseguite tramite Response Spectrum Analysis secondo le linee guida applicabile (ad esempio ITER), utilizzando metodologie avanzate quali combinazione modale CQC, metodo Lindley-Yow e correzione delle masse mancanti. Gli effetti sismici sono stati successivamente convertiti in carichi statici equivalenti per l’esecuzione delle verifiche strutturali e funzionali.

Elementi distintivi

• Modellazione multi-scala con integrazione tra modello globale e sub-modelli locali.
• Applicazione di metodologie avanzate per l’analisi dinamica nucleare.
• Valutazione combinata di eventi sismici, termici e accidentali (LOCA, incendio, apertura valvole di sicurezza).
• Verifiche complete su strutture, unioni bullonate, sistemi di tubazioni e requisiti funzionali di allineamento.

Risultati ottenuti

Le analisi condotte hanno permesso di validare design nei confronti delle combinazioni di carico sismiche previste per il componente.