Автореферат (Разработка методов расчета релаксационной стойкости тепловыделяющих сборок атомного реактора)

На правах рукописиГусев Михаил ПавловичРазработка методов расчета релаксационной стойкости тепловыделяющих сборок атомного реактора01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидататехнических наукМосква – 2016Общая характеристика работыАктуальность темы. Тепловыделяющие сборки (ТВС) реакторовВВЭР в настоящее время широко используются на отечественных и на зарубежных атомных энергетических станциях. Эксплуатация топливныхсборок в активных зонах реактора происходит при повышенных температурах и в условиях интенсивных нейтронных воздействий.

При таких условиях эксплуатации в нагруженных конструктивных элементах ТВС развиваются деформации ползучести и происходят процессы релаксации напряжений. Ползучесть, релаксация напряжений и эксплуатационные нагрузки, действующие в ТВС, приводят к ее необратимому искривлению,что является существенной проблемой, которая может привести к локальному перегреву активной зоны и к проектным или запроектным авариям наатомной энергетической станции.Решение проблемы предотвращения искривления или необратимогоформоизменения ТВС, включает в себя мероприятия по совершенствованию конструкции, подробный расчетный анализ топливной сборки, а также разработку методов расчета ТВС, проводимые с целью прогнозирования искривления ТВС.Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостьюразработки методики расчета искривления или релаксационной стойкостиТВС – способности конструкции ТВС сохранять свою жесткость при релаксации напряжений.Степень разработанности темы.

Современные методики расчета релаксационной стойкости ТВС включают в себя достаточно много особенностей, в том числе, учет ползучести и релаксации напряжений, что отражается в работах В.М. Троянова, В.П. Семишкина, В.Л. Данилова, А.С.Киселева, Д.Н. Пузанова и др. Однако в методиках расчета, предложенныхэтими учеными, не принимаются во внимание такие факторы, влияющиена искривление ТВС, как релаксация осевой силы пружинного блока ТВСи изменение ее точки приложения во времени. В разрабатываемом методерасчета учтены все вышеуказанные факторы, влияющие на искривлениеТВС.Цель и задачи работы: разработка методики, алгоритма и программырасчета релаксационной стойкости тепловыделяющей сборки атомного реактора, учитывающих ползучесть элементов конструкции сборки и релаксацию напряжений в наиболее нагруженных узлах.Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:1.

Проведение анализа разработанных ранее методов расчета релаксационной стойкости и геометрической стабильности ТВС атомного реактора и оценка степени их полноты с точки зрения учета основных факторов, влияющих на искривление сборки;12. Экспериментальное исследование релаксации контактного взаимодействия между твэлами и ячейками дистанционирующих решеток (ДР) сцелью подтверждения релаксационных процессов в ТВС;3.

Разработка расчетно-экспериментальной методики верификации температурного закона ползучести для циркониевого сплава Э110(Zr1%Nb) – материала твэлов и ДР в ТВС;4. Исследование влияния эксплуатационных факторов на релаксациюконтактного взаимодействия между твэлами и ячейками ДР;5. Верификация радиационного закона ползучести для сплава Э110;6. Разработка комплексной методики расчета релаксационной стойкоститепловыделяющей сборки атомного реактора;7. Разработка методики расчета релаксации осевой силы, приводящей кискривлению ТВС и действующей от пружинного блока ТВС.Методы исследования.

Для разработки методики расчета релаксационной стойкости ТВС при эксплуатационных нагрузках, применялись инженерные подходы и методы механики деформируемого твердого тела.При деформировании ТВС рассматривалась как обобщенный стержень снабором элементов, работающих только на растяжение и сжатие. Учетползучести и релаксации напряжений производился в соответствии с моделями установившейся ползучести. Для исследования релаксационныхпроцессов между твэлами и дистанционирующими решетками применялсяконечно-элементный пакет ANSYS. Управление расчетами, вывод графических результатов осуществлялись в математическом пакете MatLAB.Алгоритмы метода расчета релаксационной стойкости ТВС были реализованы в разработанных программах в среде MatLAB.Научная новизна работы состоит в следующих положениях:1.

Разработана математическая модель деформирования тепловыделяющей сборки, основанная на балочно-стержневом представлении ТВС,которая позволяет учитывать ползучесть элементов конструкции сборки, релаксацию контактных сил между твэлами и ячейками ДР и релаксацию осевой силы, действующей от пружинного блока;2. Предложена математическая модель расчета релаксации осевой силыпружинного блока, учитывающая разброс геометрических параметровпружин, неоднородность температурного и нейтронного полей и позволяющая определять эксцентриситет точки приложения осевой силыотносительно геометрической оси ТВС.3.

Разработана расчетно-экспериментальная методика верификации констант в законе ползучести, основанная на методе многокритериальнойоптимизации, и позволяющая использовать результаты различных типов испытаний для верификации констант.4. Предложена методика экспериментального исследования релаксацииконтактного взаимодействия между твэлами и ячейками ДР, подтверждающая наличие релаксационных процессов в элементах ТВС;25. Установлены эффекты проскальзывания твэлов в ячейках ДР, которыеоказывают влияние на искривление конструкции ТВС.Достоверность результатов и научных положений обоснована:1. Применением классических подходов и методов механики деформируемого твердого тела и теории ползучести.2.

Использованием в методике расчета релаксационной стойкости ТВСверифицированного закона ползучести.3. Результатами экспериментальных исследований, подтверждающиминаличие релаксационных процессов в элементах ТВС.4. Удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными исследований искривления ТВС.Практическая ценность работы заключается в следующих результатах:1. Разработана методика расчета релаксационной стойкости тепловыделяющей сборки, учитывающая ползучесть основных элементов сборки,релаксацию напряжений между твэлами и ДР и релаксацию осевой силы пружинного блока ТВС;2. Разработаны алгоритм и пакет прикладных программ для расчета релаксационной стойкости ТВС, зарегистрированных в отделе регистрации программ для ЭВМ ФГУ ФИПС, написанных на языке MatLAB ипозволяющих получать результаты для различных модификаций сборок при различных силовых нагрузках, действующих на сборку;3.

Предложена методика расчета, позволяющая с использованием экспериментальных данных по радиационной или термической ползучести,определять константы законов ползучести конструкционных материалов элементов ТВС;4. Результаты работы могут быть использованы на предприятиях Росатома при модернизации ядерного топлива.На защиту выносятся следующие научные положения:1) Методика расчета релаксационной стойкости ТВС, позволяющая определять искривление конструкции сборки в зависимости от времени эксплуатации;2) Методика экспериментальных исследований релаксации контактных силмежду твэлом и ячейкой дистанционирующей решетки;3) Методика расчета релаксации осевой силы пружинного блока ТВС, позволяющая определять эксцентриситет точки приложения силы относительно геометрической оси ТВС;4) Методика верификации констант в законе ползучести с использованиемэкспериментальных данных различного типа;5) Влияние проскальзывания твэлов в ячейках ДР на искривление конструкции ТВС.Реализация работы.

Программа расчета релаксационной стойкостиТВС, основанная на разработанной методике расчета, зарегистрирована в3отделе регистрации программ для ЭВМ ФГУ ФИПС. Результаты работыиспользуются в учебном процессе МГТУ им. Н.Э. Баумана.Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на всероссийских и международных научных конференциях. Школа-семинар для молодых ученых, ИСМАН РАН (Черноголовка,2012 - 2015 г); Международная научно-инновационная молодежная конференция «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент», ТГТУ (Тамбов, 2013 - 2015 г); X международная азиатская школа-семинар «Проблемы оптимизациисложных систем», Институт теоретической и прикладной математикиНАН КР, (Кыргызская Республика, Бишкек, 2014 г); I Международная конференция молодых ученых «Электротехника,Энергетика, Машиностроение», НГТУ (Новосибирск, 2014 г); VI Международная конференция «Проблемы механики современныхмашин», ВСГУТУ (Улан-Удэ, 2015 г); Всероссийская научно-техническая конференция «Механика и математическое моделирование в технике», РАН, МГТУ им.