Расчетно-экспериментальный анализ прочности внутриобъектовых транспортных контейнеров реакторов типа БН в авариях с падением

• Автор: Лапшин, Денис Александрович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 222 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования
1.1 Основные результаты динамических испытаний металлов и сплавов ОИАЭ
1.2 Математические модели нестационарного деформирования конструкций
1.3 Численные методы и программные комплексы решения нелинейных задач
нестационарной динамики конструкций
1.4 Экспериментальные и теоретические исследования прочности и безопасности
контейнеров для транспортировки и хранения радиоактивных материалов
1.5 Выводы из обзора. Структура диссертационной работы
Глава 2. Конечно-элементная модель упругопластического деформирования конструкций
2.1 Определяющая система уравнения
2.2 Методика численного решения задачи
2.2.1 Конечные элементы для решения трехмерных нелинейных задач динамики
2.2.2 Конечные элементы для решения двумерных нелинейных задач динамики
2.3 Результаты верификационных расчетов
2.4 Валидация ПК ANSYS/LS-DYNA на результатах экспериментально-теоретического
анализа деформирования макетов ТВС и гильз СУЗ при падении
2.5 Выводы к главе
Глава 3. Экспериментальное исследование и моделирование поведения материалов в
условиях, соответствующих динамическим нагрузкам при падении исследуемых транспортных контейнеров
3.1 Экспериментальное определение динамических диаграмм деформирования
конструкционных материалов методом Кольского
3.2 Результаты экспериментального исследования деформирования и разрушения
материалов ВТУК
3.3 Результаты параметрической идентификации математических моделей для
исследованных материалов
3.4 Верификация математических моделей деформирования сталей
3.5 Выводы к главе
Глава 4. Численный анализ аварийного падения ВТУК при проведении транспортнотехнологических операций
4.1 Описание конструкции и определение сценариев падения ВТУК

4.2 Анализ динамики процесса падения ВТУК в вертикальном положении
4.3 Анализ динамики процесса взаимодействия ТВС с ВТУК при падении в вертикальном положении
4.4 Анализ динамики процесса падения ВТУК в горизонтальном положении
4.5 Анализ динамики процесса взаимодействия ТВС с ВТУК при падении в горизонтальном положении
4.6 Анализ динамики процесса падения ВТУК под углом к горизонтальной плоскости..
4.7 Анализ динамики процесса взаимодействия ТВС с ВТУК при падении под углом к горизонтальной плоскости
4.8 Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы
Приложение А (Рисунки к главе 1)
Приложение Б (Рисунки к главе 2)
Приложение В (Рисунки к главе 3)
Приложение Г (Рисунки к главе 4)

ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития атомной энергетики характеризуется повышенными требованиями безопасности, предъявляемыми к объектам использования атомной энергии (ОИАЭ).
Особое место на ОИАЭ занимают системы хранения и транспортирования ядерного топлива (СХТЯТ). Особенностью СХТЯТ является потенциальная возможность (в детерминистской постановке) возникновения аварийных ситуаций, связанных с падением оборудования при проведении транспортно-технологических операций (ТТО), что может привести к серьёзным радиационным последствиям.
Для транспортировки радиоактивных материалов применяют специально разработанные для этого контейнеры, которые входят в состав внутриобъектового транспортного упаковочного комплекта (ВТУК). ВТУК - комплекс технических средств, используемых для размещения свежего или отработавшего ЯТ, обеспечивающий ядерную и радиационную безопасность, а также сохранность ЯТ при хранении и транспортировании ЯТ по территории ОИАЭ.
В соответствии с требованиями НП-061-05 «Правила безопасности при хранении и транспортировании ядерного топлива на объектах использования атомной энергии» [80], СХТЯТ должна быть способна выполнять свои функции в установленном проектом объеме с учетом всех внутренних и внешних воздействий природного и техногенного происхождения, учитываемых в проекте. В перечень воздействий должны входить все нагрузки, возникающие при нормальной эксплуатации (НЭ) оборудования, в режимах нарушений нормальной эксплуатации (ННЭ) и при проектных авариях (ПА). Отдельно выделяется группа режимов, в которой анализируются последствия аварий, связанных с падением оборудования в процессе выполнения транспортно-технологических операций с радиоактивными материалами.
В качестве исходных событий проектных аварий НП-061-05 рекомендовано учитывать следующие ситуации, реализация которых постулируется:
- падение предметов, которые могут изменить шаг размещения ТВС (тепловыделяющих сборок) и твэлов (тепловыделяющих элементов), нарушение целостности оболочек твэлов и ТВС;
- падение отдельных ТВС, ВТУК, пеналов и чехлов с ОТВС при транспортнотехнологических операциях.
В соответствии с требованиями НП-018-05 «Требования к содержанию отчета по обоснованию безопасности атомных станций с реакторами на быстрых нейтронах» [78] предусматривается выполнение оценки безопасности АЭУ при постулировании падения перемещаемого оборудования (транспортные контейнеры, тепловыделяющие сборки, чехлы, пеналы) с радиоактивными материалами.

Предлагаемые алгоритмы отличаются друг от друга трудоемкостью, точностью и областью эффективного применения. Как правило повышение точности численного решения контактной задачи сопровождается увеличением затрат вычислительных ресурсов. Это обстоятельство необходимо иметь в виду при выборе известного контактного алгоритма или при разработке его нового варианта, поскольку решение трехмерных задач динамики само по себе очень трудоемко. Поэтому предпочтительным представляется не разработка универсального и экономичного алгоритма, а создание в рамках единой методики и соответственно программного комплекса, серии совместимых и дополняющих друг друга алгоритмов, позволяющих повысить эффективность вычислительного процесса в широком круге решаемых задач.
Для проектирования сложных изделий в условиях очень плотного графика разработки и запуска ее в производство как правило применяют современные CAE (Computer Aided Engineering) системы. В настоящее время разработано большое количество CAE-систем, в которых применятся метод конечных элементов. В машиностроении широко распространены так называемые «тяжелые» универсальные зарубежные пакеты, среди которых можно выделить:
• система расчета и оптимизации конструкций NASTRAN [120];
• универсальный конечно-элементный пакет ANSYS [17, 119];
• система для анализа нелинейных задач динамики LS-DYNA [173, 199];
• программный комплекс прочностного конечно-элементного анализа ABAQUS
[124, 125];
Такие комплексы включают в себя ряд программ, ориентированных на разные приложения, и отличающихся функциональностью и специализацией. Различные модули позволяют выполнять анализ прочности, теплопроводности, динамики жидкостей и газов, акустических и электромагнитных полей. Между системами САЕ и CAD (Computer Aided Design) существует интеграция и предусмотрен экспорт и импорт геометрических моделей. Программные комплексы конечно-элементного анализа включают в себя библиотеки конечных элементов, решатель, препроцессор и постпроцессор.
Система расчета и оптимизации конструкций NASTRAN
Nastran - это главный продукт компании MSC.Software, которая выполняет [120]:
• расчет напряженно - деформированного состояния,
• расчет собственных частот и форм колебаний,
• анализ устойчивости,
• решение задач теплопередачи,
• исследование установившихся и неустановившихся процессов,
• исследование акустических явлений,