Автореферат (Разработка методов расчета релаксационной стойкости тепловыделяющих сборок атомного реактора), страница 2

Н.Э. Баумана (Москва, 2016 г).Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, из них 7,входящих в Перечень ведущих периодических изданий, рекомендованныхВАК РФ, 1 статья в зарубежном научном издании, входящем в реферативную базу Scopus, общим объемом 8.17 п.л./6.55 п.л.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, выводов и списка литературы. Материалы исследований изложены вработе на 157 страницах с ил. и 7 табл. Библиография работы содержит 116наименований.Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель научного исследования, задачи, научная новизна и практическая ценностьработы.

Приведено краткое содержание работы по главам.В первой главе описываются предпосылки создания расчетных методик релаксационной стойкости или деформирования ТВС, приводится анализ факторов, влияющих на формоизменение ТВС во времени, и аналитический обзор методов расчета релаксационной стойкости ТВС.ТВС реакторов ВВЭР-1000 (Рис. 1) эксплуатируются при повышенныхтемпературах и в условиях интенсивных нейтронных воздействий. При таких условиях в элементах конструкции ТВС развиваются деформации ползучести, сопровождающиеся радиационным ростом, и в нагруженных элементах происходят процессы релаксации напряжений.4Рис.

1. Схема тепловыделяющей сборки: 1 – головка; 2 – направляющийканал (НК); 3 – труба центральная; 4 – тепловыделяющий элемент (твэл); 5– дистанционирующая решетка (ДР); 6 – решетка нижняя; 7 – хвостовик.Под действием эксплуатационных нагрузок и при недостаточной деформационной (релаксационной) стойкости ТВС может происходить существенное искривление ТВС. Искривление ТВС вызывает ряд серьезныхпроблем, таких как неполное погружение стержней регулирования и снижение величины межкассетных зазоров между соседними ТВС.

Последствиями вышеуказанных проблем может оказаться локальный перегрев активной зоны реактора и, в случае негативного развития сценария, аварийная ситуация на АЭС.В связи с этим актуальным вопросом становится расчетное обоснование искривления тепловыделяющих сборок, выраженное в виде методикирасчета релаксационной стойкости ТВС.Анализ расчетных методик релаксационной стойкости или деформирования ТВС показал, что существующие методики можно разделить на несколько типов: расчетные методики, основанные на конечно-элементноммоделировании, с применением стандартных КЭ пакетов ANSYS, Abacus идр., и представленные в работах В.М.

Троянова, В.П. Семишкина; методики, основанные на КЭ подходе, но с применением оригинальных программных кодов, представленные в трудах А.С. Киселева и А.А. Тутнова;инженерные методики, основанные на упрощенных моделях механикисплошной среды, представленные в работах В.Л. Данилова и В.М. Троянова.К числу достоинств конечно-элементного подхода, можно отнести высокую степень детализации конструкции и возможность описания локаль5ных эффектов деформирования, но при этом возрастает число степенейсвободы задачи. Инженерные методики не обладают возможностью описывать локальные эффекты деформирования ТВС, однако, расчет искривления ТВС в целом, производится с достаточно высокой точностью и осуществляется с меньшими затратами машинного времени.При расчетах элементов конструкций ТВС учет ползучести и релаксации напряжений в нагруженных элементах ТВС производится по следующему закону ползучести Qe  A exp     e n ,(1) Tгде  e – интенсивность скорости деформаций ползучести; A, n, Q – экспериментальные константы;  – плотность потока нейтронов; T – температура;  e – интенсивность напряжений.В работах В.М.

Троянова, Д.Н. Пузанова и А.Я. Рогозянова материальные константы для циркониевого сплава Э110 в зависимости (1) различаются, поэтому актуальным является расчетно-экспериментальная верификация констант.Учет радиационного роста циркониевых сплавов в разрабатываемойметодике расчета производится в соответствии с работой И.Н.

Васильченко: для сплава Э110  r  1025   t  ; для сплава Э635  r  0.48 1025   t  ,где  r – деформации, вызванные радиационным ростом, t – время.Процессы развития деформаций ползучести, релаксация напряжений внагруженных узлах, неодинаковый радиационный рост различных конструкционных материалов ТВС, а также неоднородность температурного инейтронного полей вызывают проскальзывание твэлов в ячейках дистанционирующих решеток (ДР), релаксацию осевой силы пружинного блока иэксцентриситет ее точки приложения относительно геометрической осисборки. В методике расчета релаксационной стойкости ТВС в полной мерепроизведен учет всех вышеуказанных особенностей.Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования процесса релаксации контактных сил между твэлами и ячейкамидистанционирующих решеток при температурном воздействии. Предложена методика верификации констант в законе ползучести (1).

Определеныоптимальные константы в температурном законе ползучести.Экспериментальные исследования выполнены с целью подтвержденияналичия процессов релаксации и для получения числовых значений контактных сил при релаксации. Образцы для испытания состояли из участковтвэлов, посаженных в ячейках фрагментов ДР (Рис. 2).6Рис.

2. Образцы для испытания на релаксацию контактноговзаимодействия твэла в ячейке ДРЭксперимент состоял из трех этапов: на первом этапе производилсяввод твэлов в ячейки ДР на испытательной машине и фиксировалась силаввода; на втором этапе образцы выдерживали заданное время при определенной температуре в печи в среде аргона; на третьем этапе, после выдержки образцов в печи, производилось извлечение твэлов из ячеек ДР ификсировалась сила при извлечении. По значениям сил определялись количественные характеристики релаксации контактной силы.В результате экспериментальных исследований было подтвержденоналичие релаксационных процессов между твэлами и ДР. Полученные врезультате экспериментов количественные значения, отражающие релаксацию, были использованы для верификации констант в температурномзаконе ползучести (1) (без учета плотности потока нейтронов). Верификация материальных констант была необходима, поскольку в литературныхисточниках наблюдается существенный разброс значений констант.

Дляверификации констант была разработана методика, позволяющая определять оптимальные константы.В основе методики верификации лежит метод многокритериальной оптимизации и анализ чувствительности модели. Отличительной особенностью методики верификации констант является возможность использоватьэкспериментальные данные, различного типа испытаний.Методика верификации констант построена на математическом моделировании эксперимента по релаксации контактных сил между твэлами иячейками ДР и определению оптимальных констант, при которых расчетные значения контактных сил хорошо согласуются с экспериментальными.Согласно методике оптимальные константы в законе ползучести (1)определяются из соотношения†Pi   Pi1   S i Fi r  Fer .(2)   Здесь {Pi } , {Pi 1} – вектора констант А, Q, n на текущем и предыдущемрасчете i и i–1; {Fi r } , {Fer } – вектора расчетных и экспериментальных значений контактных сил при релаксации; [ S ]†i – псевдообратная матрицачувствительности.

Элементы матрицы чувствительности [ S ]i определяются как7Fi r  A, Q, n  n   FeirFi r  A  A, Q, n   Feir(3)si1 , … , si 3 .nAЗдесь i  1  N , где N – число экспериментальных значений.Алгоритм методики верификации реализован автором в программномкоде среды MatLAB.В результате применения разработанной методики верификации былиопределены значения оптимальных констант в температурном законе ползучести.(4)A  6.29 1015 1/ ( Па n  ч), Q  1.30 104 K , n  1.42 .Расчеты релаксации контактных сил, произведенные с применениемнайденных констант (4), хорошо согласуются с экспериментальными данными (в пределах 10 %, Рис.

3), что подтверждает достоверность методикиверификации констант.Рис. 3. Сравнение расчетных и экспериментальных значений при расчетерелаксации контактных сил с оптимальными константами (4)В третьей главе представлен расчетный анализ релаксации контактных сил между твэлами и дистанционирующими решетками в зависимостиот осевого воздействия на твэл и коэффициента трения между оболочкамитвэла и ячейки ДР.

Приведены результаты расчетов релаксации контактных сил с использованием констант из работ В.М. Троянова, Д.Н. Пузанова и А.Я. Рогозянова.Анализ релаксации контактных сил между твэлом и ДР было произведено с целью исследования различных факторов, влияющих на процесс релаксации, а также для последующего учета релаксации контактных сил врасчетной методике релаксационной стойкости ТВС.Исследование процесса релаксации контактных сил между твэламиячейками ДР вызвано необходимостью определения условий проскальзывания твэлов в ячейках ДР, для их последующего учета в методике расчетарелаксационной стойкости ТВС.8Расчетный анализ производился в КЭ пакете ANSYS 12. Обработка результатов выполнялась в математическом пакете MatLAB.Влияние осевого воздействия на твэл и коэффициента трения междуоболочками твэла и ДР на релаксацию контактного взаимодействия представлено на Рис.

4.Рис. 4. Зависимость времени полной релаксации от осевой силы в твэле (а)и коэффициента трения (б)На Рис. 4 время полной релаксации – это момент времени, при которомсилы трения Ffr равны осевому воздействию на твэл. В этот момент времени происходит проскальзывание твэлов в ячейках ДР.

Силы трения междуоболочками твэла и ДР связаны с контактными силами Fc коэффициентомтрения μFfr  3 Fc .(5)Множитель 3 в соотношении (5) связан с наличием трех контактныхобластей между твэлом и ячейки ДР (Рис. 1).Расчеты релаксации контактных сил с использованием констант из работ В.М. Троянова (2), Д.Н. Пузанова (1) и А.Я. Рогозянова (3) показалисущественное различие скорости релаксации, что подтверждает Рис. 5.Рис. 5. Результаты расчетов релаксации контактной силы с различнымиконстантами9Поскольку наблюдается существенное отличие в расчетах релаксацииконтактной силы с использованием констант, взятых из трех литературныхисточников, то необходима верификация константы A в радиационном законе ползучести (1).В четвертой главе представлены результаты расчетной верификацииконстанты A в радиационном законе ползучести, с использованием экспериментальных данных по радиационной ползучести, взятых из литературных источников.Необходимость верификации только одной константы в законе ползучести (1), вызвана тем, что указанная константа связана с нейтронным облучением, а константы Q, n связаны с температурой и напряжением и былиопределены в результате верификации с использованием экспериментальных данных по релаксации контактных сил между твэлом и ячейкой ДР(глава 2).