Разработка методов расчета работоспособности твэлов ВВЭР в вероятностной и детерминистической постановке

• Автор: Алексеев, Евгений Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.14.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 108 с. : ил.

Содержание
СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Цель и задачи исследований

Научная новизна и практическая значимость работы

Внедрение работ

Апробация результатов работы и публикации

Вклад автора в разработку научного направления

Структура работы

На защиту выносятся

1. МОДЕЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ КОДАМИ PULSAR-2 И PULSAR+ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ТВЭЛОВ ТВС ВВЭР В СТАЦИОНАРНЫХ, МАНЕВРЕННЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ РЕАКТОРА
1.1. Использование кода PULSAR-2 для описания поведения твэлов в стационарных, переходных и маневренных режимах
1.1.1. Постановка задачи об определении напряженно-деформированного состояния топлива и оболочки твэла в произвольном осевом сечении
1.1.2. Постановка задачи об определении температурных полей в твэле
1.1.3. Определение структуры топлива и относительного газовыделения
1.2 Использование кода PULSAR+ в аварийных режимах работы реактора
Математическая модель твэла
1.2.1 Определение нестационарных полей температур твэла
1.2.2. Учет изменения давления под оболочкой при ее локальном деформировании
1.2.3. Модель взаимодействия циркония с водяным паром
1.2.4. Постановка и метод решения термомеханической задачи
1.3. Верификация расчетных кодов PULSAR-2 и PULSAR+
1.4 Критерии оценки работоспособности твэлов
2. ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПОВЕДЕНИЯ ТВЭЛОВ ТВС ВВЭР В СТАЦИОНАРНЫХ, ПЕРЕХОДНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ РЕАКТОРА
2.1. Применение вероятностного анализа к исследованию поведения твэлов ВВЭР в стационарных условиях эксплуатации
Вероятностный анализ твэлов в стационарном режиме эксплуатации
Вероятностный анализ твэгов в стационарном режиме эксплуатации
2.2. Применение вероятностного анализа к исследованию поведения твэлов ВВЭР в переходных режимах эксплуатации
Определение вероятности разрушения оболочки вследствие KPН при скачке
тепловой нагрузки 100 Вт/см
Определение вероятности разрушения оболочки вследствие КРН при скачке
тепловой нагрузки 150 Вт/см
Определение вероятности разрушения оболочки вследствие КРН при скачке тепловой нагрузки 200 Вт/см
2.3. Применение вероятностного анализа к исследованию поведения твэлов ВВЭР при проектных авариях с потерей теплоносителя
Результаты вероятностного анализа Ь/ГПА
2.4. Применение вероятностного анализа к исследованию поведения твэлов ВВЭР при авариях со всплеском реактивности
Модельная АВР с полушириной импульса 0.1 сек
Модельная АВР с полушириной импульса 1 сек
Модельная АВР с полушириной импульса 10 сек
3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФРЕТТИНГ-ПОВРЕЖДЕНИЙ ТВЭЛОВ ТВС ВВЭР
3.1. Экспериментальные исследования фреттинг-износа в узлах твэл
Испытания 9-ти имитаторов твэлов на стенде ОКБГП в 2002 году
Экспериментальные исследования собственных колебаний модели одиночного твэла
в ОКБ ГП в 2005 году
Исследования фреттинг-износа твэлов ВВЭР на экспериментальном стенде ОКБ ГП

Исследование фреттинг-износа материалов ТВС
Испытания 18 образцов фрагментов твэлов на стенде ОКБ ГП в 2005 году
3.2. Расчетные методы моделирования динамики ТВС в активной зоне
3.2.1. Аналитические методы оценки собственных частот участков твэлов
3.2.2. Конечно-элементные методы моделирования поведения ТВС и их элементов в реакторных условиях
3.3. Разработка эмпирической модели фреттинг-износа оболочек твэлов ВВЭР в местах контакта с дистанционирующей решеткой
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ С УЧАСТИЕМ АВТОРА
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Сокращения
АЭС — атомная электростанция
ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор
ТВС — тепловыделяющая сборка
ДР - дистанциониругощая решетка
РБМК- реактор большой мощности канальный
РУ АЭС-2006 - реакторная установка с реактором типа ВВЭР мощностью 1200 МВт Р'К. - реактор с водой под давлением Г АН - Г осатомнадзор
ГЦТ - главный циркуляционный трубопровод НДС - напряженно деформированное состояние Твэл — топливный элемент без гадолиния , Твэг — топливный элемент с гадолинием МПА — максимальная проектная авария АВР — авария с увеличением реактивности
КРН — коррозионное растрескивание под напряжением в условии агрессивных сред ГОД - газообразные продукты деления
Введение
Стратегия развития атомной энергетики России предусматривает обеспечение безопасного и вместе с тем эффективного функционирования ядерно-энергетического комплекса, разработку проектов усовершенствованных АЭС для строительства в XXI веке. Одним из основных типов реакторов для АЭС, строительство которых предусмотрено федеральной целевой программой является реактор типа ВВЭР. Рентабельность и безопасность ядерных энергетических реакторов во многом зависит от эффективности использования топлива. В свою очередь, для увеличения эффективности использования топлива необходимо обеспечить работоспособность топливных элементов - твэлов в различных вариантах топливных циклов с достижением глубоких выгораний топлива. Для этого необходимо исследование и моделирование различных процессов, в частности, теплогидравлических и термомеханических, диффузионных, коррозионно-химических, процессов перестройки микроструктуры топлива и газовыделения из него в процессе работы реактора. В результате моделирования перечисленных выше процессов определяются параметры состояния твэлов в нормальных условиях эксплуатации, в переходных режимах и при проектных авариях. Полученные параметры состояния сравниваются с так называемыми теплофизическими, деформационными коррозионными и т.д. критериями приемки твэлов. Как правило, выполнение указанных критериев приемки проверяется по базе детерминистических расчетов указанных выше параметров состояния твэлов. При этом для обеспечения безопасной эксплуатации используются самые консервативные оценки. Выполнение части из указанных критериев диктуется нормативными документами высшего уровня, в частности, «Правилами ядерной безопасности реакторных установок атомных станций», [1].
В качестве топлива в отечественных энергетических реакторах типа ВВЭР используются таблетки, спеченные из обогащенного диоксида урана и заключенные в оболочки из циркониевого сплава. В последнее время также используются таблетки топлива кроме урана содержащие гадолиний. Гадолиний используют для компенсации избыточной положительной реактивности в начале кампании, для увеличения длительности кампании, а также для выравнивания энерговыделения в активной зоне и оптимизации выгорания топлива. Тволы содержащие гадолиний - твэгн. кроме состава топлива, конструктивно от обычных твэлов не отличаются. Между топливными таблетками и оболочкой имеется зазор, заполненный инертным газом. С торцов твэл герметизируется с помощью заглушек, привариваемых к оболочке. В верхней части твэла

Табл. 1.5.
Т<820иС 1200°С>Т>820°С
аэф а Ь 5 а Ъ у
аэф <22 МПа 230 1.83 104 1.1 9.7'1011 4.25
а:1ф>22 МПа 5.3210"2 1.83 104 3.8 2.25' 0Э 4.25104
Компоненты прир ащения дефор Де=' Аесг __еАт А2д ®эф маций ползучести определялись 1 -IIе -Ос 0 - Нс Нс + Пс -Ес 0 -Сс -Ес Ес +Ос 0 0 0 0 2Тс как: а, 1 1 г 1 Г к,,]
Здесь Дт — шаг по времени; В1',17С. Ос, 7с — коэффициенты анизотропии ползучести. При Т больше 700°С принималось: 71е = = Ис = 0.5; 7е =1.5.
Для определения приращения пластических деформаций использовалась теория нсизотермического течения, как в РиЬ8А11-2.
Методика определения напряэ/сенпо-деформированного состояния при осесилшетричном локальном деформировании оболочки твэла Задача определения напряженно-деформированного состояния участка оболочки при осесимметричном локальном деформировании оболочки твэла решается методом конечных элементов в двухмерной постановке.
При симметричном вздутии оболочки уравнения механики твердого тела, записанные в скоростях напряжений и деформаций, имеют вид [19]:
Зет. да —г + —с;
дг дI

- +-дг - +
со' 1 о СО
дг + Г
д2гг: _ 1 (д%
дгдг 2 дгдг
СГг-р(<70 + <П)

2(1 + ц)р„ Е

дгдг )
+ £? +ё +е'
(и'Р-Х
Здесь (г, г) - цилиндрические координаты, гвтт , г - внутренний и наружный радиусы оболочки, гпт и гвсрх - нижняя и верхняя границы области расчета. Индексы р, с. 1 -обозначают пластическую, вязкую и температурнз'ю деформации, р., Е, — коэффициент Пуассона и модуль Юнга. Система уравнений дополняется граничными условиями в виде: аг = рч, при г = гта>т, и аг= рГ, при г = гпчр, здесь ря - давление газов или контактное давление, рТ - давление теплоносителя. Граничные условия в осевом направлении на торцах оболочек задавались в виде осевого равновесия для длинной трубы с заглушками.
Поскольку скорости пластических и вязких деформаций нелинейно зависят от напряжения, сама механическая задача является нелинейной. По этой причине на каждом