УДК 621.039

Анализ влияния разных зависимостей скорости радиаиционной ползучести на прочность поля ячеек дистанционирующих решеток

Сатин Александр Анатольевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Ядерные реакторы и установки» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Аннотация: В статье показано, как прочностные характеристики элементов тепловыделяющих сборок завися от используемых зависимостей радиаиционной ползучести на примере расчетов по программного кода FAME_N1. Результаты статьи демонстрируют, что необходимо создание единых методик исследования конструкционных материалов, а также методов их расчетов с использованием программных кодов.

Ключевые слова: радиационная ползучесть, прочность, программные комплексы.

Введение

На тепловыделяющие сборки ядерных реакторов при эксплуатации действуют различные нагрузки, которые с течение времени приводят к их существенных деформациям, в частности к прогибам. Рассчитать их можно на как с использованием общеизвестных программных кодов, так и отраслевых, в основе которых лежат эмпирические соотношения. В любом случае достоверность поученных результатов сильно зависит от исходных данных, задаваемых на начальных этапах расчета. К сожалению, в результате провала в девяностые годы, были утрачены единые подходы в получению экспериментальных данных и методик расчета. В настоящее время не редки ситуации, когда в разных организациях используют зависимости, в частности по скорости радиационной ползучести, дающие результаты, отличающее на порядок друг от друга. Именно проанализировать к чему это может привести и является целью данной работы

Данные по скорости радиационной ползучести циркониевых сплавов

В результате обработки большого массива данных в работе [1-3] были получены различные формулы, описывающие ползучести сплавов Э110 и Э635.

Для расчета скорости радиационной ползучести сплава Э110 в работах [3-5] предлагаются формулы

                                          ( 1’)

                                        ( 2’)

Для расчета скорости радиационной ползучести сплава Э635 в работах [3-5] предлагаются формулы

                                              ( 1’)

                                            ( 2’)

где      f           - поток быстрых нейтронов, 1/(с×см²);

     - эквивалентное напряжение, МПа;

T         - температура, ^оС;

      - радиационная скорость ползучести циркониевых сплавов, 1/с.

В соответствии с приведенными формулами, скорость радиационной ползучести в рабочем диапазоне температур может различаться в разы. На рисунке 2 приведены зависимости скорости радиационной ползучести сплавов Э110 и Э635 при напряжениях 10 МПа и нейтронном потоке 2*10¹⁴ нейтр./см²*с в интервале температур от 305 до 380 ^оС.

а) Сплав Э110                                                                                  б) Сплав Э635

 

Рисунок 1. Зависимость скорости радиационной ползучести от температуры.

Из рисунка 1 видно, что скорость радиационной ползучести в рабочем диапазоне температур может отличаться более чем в 2 раза. Отсюда возникла необходимость проведения расчетного анализа, с целью выбора формул, позволяющих получать наиболее консервативные результаты при обосновании термомеханической устойчивости и прочности ТВС, как того требуют нормативные отраслевые документы. Необходимые сравнительные расчеты были проведены с использованием программы FAME_N1 и программного комплекса Ansys Mechanical v 17.

Моделирование термомеханического поведения ТВС по программе FAME_N1

Для проведения термомеханического анализа, а именно для получения значений прогиба ТВС и усилий в ее элементах в ходе эксплуатации использовалась программа FAME_N1. В методике данной программы были реализованы и усовершенствованы подходы, изложенные в работах МГТУ им. Н.Э.Баумана и ГНЦ РФ ФЭИ. В ней рассматривается не только деформирование ТВС при развороте дистанционирующих решеток (ДР) друг относительно друга, но и искривление направляющих каналов (НК) и твэлов на участках между ДР как несвязанного пучка. При этом выполняется индивидуальный расчет продольного проскальзывания каждого твэла и НК в ДР.

В отличие от предыдущих подходов методика программы FAME_N1 учитывает возможность проскальзывания твэлов при их повороте в ДР, различные условия закрепления твэлов в нижней решетке и другие особенности конкретных конструкции ТВС. Особое внимание в методике программы FAME_N1 уделяется расчету ползучести материалов элементов ТВС. В программе помимо изменения длины твэлов и НК рассчитывается релаксация упругих натягов в парах «твэл-ячейка ДР», ползучесть твэлов и НК при поперечном изгибе, ползучесть ДР.

В ходе проведения сравнительных расчетов в программе учитывалось:

• индивидуальное продольное проскальзывание твэлов для каждой контактной пары «твэл-ячейка ДР»;
• проскальзывание твэлов при их повороте в ДР;
• радиационный рост материала твэлов и НК в продольном направлении;
• ползучесть конструкционных материалов твэлов, НК и ДР при повороте в ней твэлов и НК;
• релаксация упругих натягов в парах «твэл-ячейка ДР» как за счет ползучести материала ДР, так и за счет изменения диаметров оболочек твэлов;
• изменение геометрических размеров оболочек твэлов во времени индивидуально для каждого твэла на каждом из расчетных участков.

Схема приложения нагрузок к ТВС приведена на рисунке 2. Нагрузки на ТВС задавались в виде продольной и поперечной силы. При этом поперечная сила прикладывалась к наиболее податливой дистанционирующей решетке.

Рисунок 2. Схема приложения нагрузок к ТВС.

На рисунке 3 приведены результаты расчета изменения величины максимального прогиба ТВС во времени. Согласно полученным результатам максимально накопленный прогиб ТВС при максимальной скорости радиационной ползучести циркониевых сплавов Э110 и Э635 больше, чем при минимальной скорости радиационной ползучести циркониевых сплавов Э110 и Э635 более чем в два раза. Следовательно, используемые в расчетах прогибов ТВС формулы (1) и (1') рекомендуются, как дающие более консервативные результаты.

Рисунок 3. Изменение максимального прогиба ТВС.

Заключение

Как видим, при использовании разных подходов результаты отличаются более чем в 3 раза. С одной стороны использование формул для максимальной скорости ползучести дают более консервативные результаты, с другой стороны они могут быть более далеки от физичности, заведомо давая неверные прогнозы при проектировании конструкции. Как итог, необходима дополнительная экспериментальная проверка с широкой выборкой результатов.

Список литературы

1. Пирогов Е.Н., Алымов М.И., Артюхина Л.Л. Ползучесть спава Н-1 в    области полиморфного превращения. Атомная энергия, 1988, т. 65, вып. 4, с. 293-294.
2. Васильченко И.Н., Кушманов С.А., Пузанов Д.Н., Сатин А.А. Анализ  свойств циркониевых сплавов, используемых для моделирования термомеханического поведения тепловыделяющих сборок. Годовой отчет об основных научно-технических работах ОКБ «ГИДРОПРЕСС» за 2010 год. Подольск. ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2011.