Разработка и совершенствование методов расчета на прочность и надежность стержневых твэлов ЯЭУ

• Автор: Попов, Вячеслав Васильевич
• Шифр специальности: 05.14.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 62 с. : ил.; 30х20 см

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Возможность успешного развития ядсрной энергетики связана с двумя основными условиями. Первое условие безопасность атомных электростанций АЭС. Второе условие их экономичность и конкурентоспособность. Один из основных элементов АЭС ядерноэнергетическая установка ЯЭУ, а основная составная часть ЯЭУ тепловыделяющий элемент твэл.
Безопасная эксплуатация ЯЭУ связана со способностью твэлов удерживать топливо и продукты деления под оболочкой, не давая им выйти за пределы активной зоны как в нормальных условиях эксплуатации, так и в процессе протекания проектных аварий.
Экономичность АЭС определяется глубиной выгорания топлива, увеличением продолжительности работы твэлов, возможностью ЯЭУ работать в режимах маневрирования мощности.
Конструктивно твэл содержит два защитных барьера топливный сердечник и оболочку, препятствующих выходу продуктов деления в теплоноситель и, далее, за пределы активной зоны. Б соответствие с современными требованиями защитные барьеры должны удерживать продукты деления при штатных условиях эксплуатации. Повреждение барьера должно быть минимальным при проектных авариях и прогнозируемо при гипотетических авариях. Первым источником информации о состоянии твэлов и их поведении в различных условиях эксплуатации дают расчетные оценки прочности твэлов. Результаты расчетов прочности и надежности твэлов являются одной из важных составных частей процедуры лицензирования топлива. Они определяют также направление исследований свойств конструкционных и топливных материалов.
Таким образом, создание и развитие методов расчета на прочность твэлов различных ЯЭУ является актуальным.
Цель и задача работы. Работа выполнена с целью развития и совершенствования методов расчета на прочность твэлов различных ЯЭУ в обеспечение лицензирования топлива, соответствующего современным требованиям.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи

проанализировано внутриреакторное поведение конструкционных и топливных материалов, их кратковременных и длительных механических свойств

определены условия нагружения различных конструкций твэлов

разработаны методы расчета напряженнодеформированного состояния НДС, прочности и надежности стержневых цилиндрических твэлов различных ЯЭУ.
Научная новизна заключается в том, что в работе разработан ряд новых методов и развиты известные методы расчета напряженнодеформированного состояния, работоспособности и надежности цилиндрических стержневых твэлов, используемых при расчете работоспособности твэлов реакторов БН, РБМК, ВВЭР, реакторов с ТЖМТ.
Исследовано и проанализировано изменение механических свойств материалов оболочек твэлов различных ЯЭУ в процессе облучения, предложены феноменологические зависимости для описания этих свойств как функции температуры, напряжений и повреждающей дозы облучения.
На основании результатов расчетов ИДС и работоспособности твэлов реакторов БН предложена конструкция составного твэла, которая без существенных переделов реактора позволяет добиться получения максимального выгорания т.а. в реакторе типа БН0. Анализ особенностей НДС и работоспособности твэлов типа ВВЭР и РБМК позволил вдвинуть идею использования в реакторах ВВЭР твэлов с керметным топливом.
Практическая ценность. Выполненная работа позволила провести расчетные исследования прочности твэлов реакторов БН, РБМК, ВВЭР. Результаты исследований легли в проектное обоснование работоспособности твэлов реактора БР, а также оптимизации конструкций твэлов, уже работающих ЯЭУ БН, РБМК, ВВЭР.
Автор защищает разработанные и усовершенствованные методы расчета на
прочность и надежность стержневых цилиндрических твэлов различных ЯЭУ, оптимизированные решения по конструкции твэлов реакторов БН, ВВЭР.
Апробация работы Основные результаты диссертации обсуждены на 1ом , 2ом , 3ем , 4ом и 5ом Отраслевых семинарах по прочности и надежности элементов активных зон энергетических реакторов Обнинск, международных конференциях по радиационному материаловедению Алушта, , , 3ей , 4ой , 5ой Межотраслевых конференциях по реакторному материаловедению г.Димитровград, международной конференции Проектирование и безопасность перспективных ЯЭУ Токио, , на техническом комитете МАГАТЭ Изучение топлива с низким выходом газообразных продуктов деления Москва, , на техническом комитете МАГАТЭ по влиянию высоких доз облучения на конструкционные и топливные материалы активной зоны перспективного быстрого реактора Обнинск, , на международной конференции ТЖМТ Обнинск, , на международных конференциях 1П1РМ Бельгия, , ЯКРМ Франция, и ряде других ведомственных и международных семинарах.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 0 работ, из них печатных и 3 рукописных, получено 7 авторских свидетелЕ.ств и патентов.
Личный вклад автора. Автор выполнил большой объем работ по созданию новых и развитию известных методов расчета НДС, работоспособности и надежности твэлов различных ЯЭУ, обобщению материала.
Под руководством автора велись научные темы по разработке методов расчета и обоснованию работоспособности конструкций твэлов ЯЭУ, по разработке самих конструкций твэлов различных ЯЭУ, по организации экспериментов в обоснование внутриреакторного поведения материалов и конструкций твэлов.
7 Для оценки работоспособности оболочек твэлов при Т0,4 Т использовались методы механики разрушения. Разработан метод оценки надежности оболочки твэла, имеющей поверхностные трещинообразные дефекты. Для получения характеристик трещиностойкости стальных оболочек твэлов БН были проведены облучения образцов в реакторах БР и БН0 и получены значения параметров трещиностойкости стали типа ХН в зависимости от повреждающей дозы облучения.
8 Для подтверждения правильности разработанных методов расчета НДС оболочек твэлов был предложен метод статистического сравнения результатов расчета НДС с результатами эксперимента. Основным измеряемым параметром в процессе реакторного эксперимента с твэлами было выбрано формоизменение оболочки твэла. Сравнивались экспериментальная выборка результатов изменения диаметра длины твэлов и расчетная выборка изменения диаметра длины, полученная методом МонтеКарло. Для сравнения был выбран критерий принадлежности двух выборок одной и той же генеральной совокупности критерий Уилкоксона. I
Глава 1. Методы расчета напряженнодеформированного состояния
ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО СТЕРЖНЕВОГО ТВЭЛА
Введение


Ниже рассматриваются разработанные автором методы расчета НДС твэлов стержневой круглой геометрии, получившие наиболее широкое применение в ядерных реакторах, и зависимости, описывающие изменение физикомеханических свойств материалов оболочки и топливной композиции под облучением и используемые в этих методах. Облучение нейтронами вызывает значительные нарушения кристаллической решетки твердых тел, что существенно изменяет физикомеханические свойства как делящихся, так и конструкционных материалов . Подробное рассмотрение вопросов о том, какие именно виды радиационных дефектов и каким образом изменяют длительные и кратковременные механические свойства, составляет задачу радиационного материаловедения. Здесь предполагается, что обусловленное действием облучения изменение какойлибо механической характеристики однозначно определяется некоторой величиной Р, которую можно вычислить для заданных условий облучения при данной температуре упругих свойств РсС , мгновенной
пластической деформации РрС, вязкой деформации Рсн Р рск, где р скорость накопления
величины Р. Фф I р А нейтрм2, где р1плотность потока нейтронов, нейтрм2с. В последние годы изменение механических свойств под действием облучения характеризуется количеством смещенных атомов в единице объема. Ы Югдеф 0 флюенс нейтронов
ой группы энергий, нейтрм2. Облучение конструкционных материалов большими флюенсами быстрых нейтронов Ф нейтрм2, Е0,1 МэВ в диапазоне температур 0,,7ТП приводит к образованию и росту вакансионных пор и, как следствие, к распуханию этих материалов.