УДК 621.039

Влияния эмпирических формул получения скорости радиационной ползучести циркониевых сплавов на термомеханическое поведение тепловыделяющих сборок

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

Аннотация. Статья посвящена наглядной демонстрации зависимости результатов расчета прочности и термомеханической характеристики элементов каркаса жесткости тепловыделяющих сборок реакторов. При анализе данных по свойствам циркониевых сплавов в реакторных условиях можно обнаружить, что существуют неопределенности в вопросах выбора свойств и характеристик для использования их в расчётном обосновании термомеханического поведения и прочности ТВС. С другой стороны, сказать, при каких исходных данных будут получаться консервативные результаты без выполнения специальных расчётных исследований, невозможно. В статье даются рекомендации по использованию некоторых эмперических зависимостей.

Ключевые слова: радиационная ползучесть, прочность, программные комплексы.

Введение

При эксплуатации на тепловыделяющую сборку (ТВС) действуют различные эксплуатационные нагрузки, приводящие к изменениям формы ТВС и возникновению напряжений в ее элементах.

В частности, при эксплуатации возникает прогрессирующее искривление ТВС из-за ползучести и радиационного роста конструкционных материалов, которое может привести к изменению локальных водо-урановых соотношений и увеличению времени срабатывания аварийной защиты. Изменение длины направляющих каналов (НК) может привести к тому, что ТВС окажется либо пережата блоком защитных труб, что будет способствовать её ускоренному искривлению, либо будет недожата, что приводит к снижению запаса до всплытия ТВС. Вместе с механическими нагрузками удлинение твэлов и направляющих каналов приводит к возникновению напряжений в элементах ТВС, которые при определенных условиях могут достигать больших значений, что требует выполнения расчетного обоснования прочности ТВС.

Достоверность полученных при расчетном обосновании результатов с учетом термомеханических эффектов, возникающих при эксплуатации ТВС, зависит от точности используемых в расчетах исходных данных, в частности, данных по свойствам конструкционных материалов. При анализе данных по свойствам циркониевых сплавов в реакторных условиях можно обнаружить, что существуют неопределенности в вопросах выбора свойств и характеристик для использования их в расчётном обосновании термомеханического поведения и прочности ТВС. С другой стороны, сказать, при каких исходных данных будут получаться консервативные результаты без выполнения специальных расчётных исследований, невозможно.

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’)

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 380оС.

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.

Расчет прочности элементов ТВС по программе Ansys Mechanical

Нагружение соединения «НК-ДР» осуществлялось парой сил, образующих момент, и осевой силой. Силы прикладывались равномерно к узлам, расположенным на торцах модели направляющего канала. Закрепление осуществлялось по сварным точкам с внешней поверхности ячеек. Конечно-элементные модель шестиячеечного фрагмента представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Конечно-элементная модель шестиячеечного фрагмента дистанционирующей решетки

Проводимый расчет на прочность шестиячеечного фрагмента дистанционирующей решетки показал, что использование формул (1) и (1') в термомеханических расчетах ТВС-2М консервативно с точки зрения оценки запаса по прочности сварного соединения «НК-ДР», так как в этом случае определяющими получаются нагрузки от изгиба ТВС. На рисунке 3 представлено качественное распределение интенсивности напряжений в ячейках ДР ТВС при максимальных нагрузках, действующих на ДР в ходе эксплуатации.

Рисунок 3. Распределение интенсивности напряжений в ячейках ДР ТВС

На рисунке 4 представлены результаты расчета деформирования сварного соединения «НК-ДР» при пропорционально возрастающих на него нагрузках. Расчет коэффициента запаса по предельным нагрузкам показал наличие запаса более чем в 3,5 раза при использовании максимальной скорости ползучести. При использовании в расчетах данных с низкой скоростью радиационной ползучести циркониевых сплавов запасы по прочности сварного соединения «НК-ДР» оказались еще больше.

Рисунок 4. Деформация соединения «направляющий канал – дистанционирующая решетка» в зависимости от коэффициента запаса по предельным нагрузкам

Заключение

Использование в качестве исходных данных формул, дающих значения максимальной скорости ползучести, позволяет получать консервативные результаты для определения прогибов ТВС, нагрузок в узле «НК – ДР». Полученные результаты показали, что прочность каркаса ТВС обеспечивается при использовании в расчетах как высокой, так и низкой скорости ползучести циркониевых сплавов.

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. Кузнецов Д.Н. и др. Ключевые свойства циркониевых сплавов, определяющие прочность и геометрическую стабильность бесчехловых ТВС. Всероссийская научно-техническая конференция «Материалы ядерной техники». ВНИИНМ, Туапсе, 26 сентября – 2 октября, 2010.
3. 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.