Математическое моделирование поведения теплофизических, прочностных и надежностных характеристик энергетических реакторов

• Автор: Тутнов, Антон Александрович
• Шифр специальности: 05.14.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 292 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
I. Методика математического моделирования поведения теплофизических, прочностных и надежностях характеристик твэлов энергетических реакторов при их эксплуатации в квазистационарных, переходных и маневренных режимах. Расчетный код "РиЕ5АК-2"
1.1. Общая постановка задачи и обзор имеющихся расчетных кодов
1.2. Постановка задачи об определении напряженно-деформированного состояния топлива и оболочки твэла в произвольном осевом сечении
1.2.1. Основная система дифференциальных уравнений
1.2.2. Модель пластического деформирования материалов
1.2.3. Модель ползучести материалов
1.2.4. Радиационное распухание топлива
1.2.5. Радиационное доспекание диоксида урана
1.2.6. Релокация топлива
1.2.7. Радиационный рост оболочки
1.2.8. Модель механического взаимодействия топлива и оболочки
1.3. Постановка задачи об определении температурных полей
в твэле
1.3.1. Уравнение теплопроводности
1.3.2. Теплопроводность топлива
1.3.3. Проводимость газового зазора
1.3.4. Теплопроводность смеси газов под оболочкой твэла
1.3.5. Теплопроводность оболочки
1.3.6. Определение высотного распределения температуры теплоносителя
1.4. Определение структуры топлива и относительного газовыделения
1.4.1. Определение структуры топлива
1.4.2. Формирование РИМ-слоя на поверхности топливной таблетки
1.4.3. Моделирование газовыделения из топлива
1.5. Расчет давления газов под оболочкой
1.6. Критерии оценки работоспособности твэлов
1.7. Методика математического моделирования
1.7.1.Методика решения задачи об определении НДС в топливе и оболочке твэла
1.7.2. Численное решение задачи об определении температурного распределения в твэле
1.8. Тестирование программных модулей расчетного кода "PULSAR-2" на аналитических решениях
1.8.1. Упруго-пластическое деформирование толстостенной трубы, нагруженной внутренним давлением и осевой силой при отсутствии
упрочнения материала
1.8.2. Релаксация напряжений в толстостенной несжимаемой трубе
1.8.3. Тестирование блока рассчета температурных полей
II. Верификация расчетного кода "PULSAR-2” и проведение расчетного анализа работоспособности твэлов энергетических реакторов при их эксплуатации в квазистационарных, переходных и маневренных режимах
2.1. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными для твэлов ТВС 13624637, проработавшей три топливных цикла в реакторе ВВЭР-440 “Loviisa-2" в Финляндии
2.2. Сравнение результатов моделирования с опытными данными для ТВС 13624638, проработавшей четыре
топливных цикла в реакторе ВВЭР-440 ‘‘Loviisa-2"
2.3. Сравнение результатов моделирования с опытными данными для ТВС 4436001114, проработавшей три года в реакторе ВВЭР-1000 V блока Ново-Воронежской АЭС
2.4. Сравнение результатов моделирования с опытными данными для твэлов ТВС, проработавшей 195 суток в реакторе МР
2.5. Первый выход на мощность исследовательской кассеты в условиях РБМК
2.6. Сравнение расчетных и опытных данных для твэлов ТВС 14422198, проработавшей 4 кампании в 3-м энергоблоке ВВЭР-440 Кольской АЭС
2.7. Расчетный анализ напряженно-деформированного состояния и работоспособности твэлов ВВЭР-440 при переходе на 5-ти годичную кампанию
2.7.1. Основные проектные критерии работоспособности твэлов для квазистационарных режимов эксплуатации
2.7.2. Моделируемые твэлы
2.7.3. Исходные данные для расчетов
2.7.4. Результаты моделирования поведения теплофизических
и прочностных характеристик твэлов при глубоких выгораниях топлива ВВЭР
2.7.5. Анализ выполнения критериев работоспособности твэлов в квазистационарных пятигодичных режимах эксплуатации
2.8. Расчетный анализ предельно допустимых уровней кратковременного наброса мощности в твэлах ВВЭР
при пятигодичной кампании
2.8.1. Основные проектные критерии работоспособности оболочек твэлов при их эксплуатации в режмах с кратковременными набросами мощности
2.8.2. Моделируемые твэлы
2.8.3. Наложение скачков мощности на базовую историю тепловой нагрузки
2.8.4. Моделирование поведения твэлов при однократных скачках мощности в конце каждого года эксплуатации
2.8.5. Моделирование поведения твэлов при многократных
скачках тепловой нагрузки
2.9. Исследование поведения твэлов ВВЭР в маневренных режимах
2.9.1. Моделируемые твэлы
2.9.2. Методика анализа целостности оболочек твэлов при маневрировании мощности реактора
2.9.3. Результаты моделирования напряженно-
деформированного состояния оболочек твэлов
2.9.4. Анализ выполнения прочностных критериев
по сохранению целостности оболочек твэлов
III. Описание расчетного кода "PULSAR+". Методика математического моделирования поведения твэлов в аварийных ситуациях
3.1. Предназначение и общее описание расчетного
кода " PULSAR+"
3.2. Структура расчетного кода ''PULSAR+''
3.3. Математическая модель твэла
3.4. Постановка и метод решения тепло физической задачи
3.4.1. Определение нестационарных полей температур твэла
3.4.2. Учет изменения давления под оболочкой при ее локальном деформировании
3.4.3. Модель взаимодействия циркония с водяным паром
3.5. Постановка и метод решения термомеханической задачи
3.5.1. Модель вязко-пластического локального деформирования оболочки
3.5.2. Методика определения напряженно-деформированного состояния при осесимметричном локальном деформировании оболочки твэла
3.5.3. Методика определения напряженно-деформированного состояния при несимметричном локальном деформировании оболочки твэла
3.5.4. Определение блокировки проходного сечения в ТВС
3.6.Критерии разгерметизации оболочки твэла

эквивалентный диаметр. Следовательно, удельная энтальпия на высоте z-сечения определяется как:
I(Z) = lin + J-dz. (1.35)
о Рт vt
После нахождения удельной энтальпии по таблицам теплофизических свойств определялись значения температуры теплоносителя [46]. В стационарных условиях история коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности оболочки считалась известной (категория исходных данных).
1.4. Определение структуры топлива и относительного газовыделения
1.4.1. Определение структуры топлива
При работе в условиях реактора структура топливных таблеток (или стержней) из U02 перестраивается. В сечении таблетки можно выделить три зоны: зону неизменой структуры (при температуре <1200-1450°С), зону роста равноосных зерен (при температуре от 1300 - 1500 до 1700 -1800°С) и зону роста столбчатых кристаллов (при более высоких температурах). Температура на границах этих зон зависит от градиента температуры по топливу и плотности потока нейтронов. При достаточно высокой температуре центра сердечника (>1800°С) и больших радиальных перепадах температуры перестройка топлива происходит достаточно быстро ( в течение первых 100 часов работы твэла).
В зоне роста столбчатых кристаллов происходит интенсивная миграция пузырьков с газообразными продуктами в направлении температурного градиента. Известны три механизма движения пузырей: испарение топлива с более горячих поверхностей пузырей и конденсация на более холодных поверхностях, объемная диффузия, поверхностная диффузия. В зависимости от размера пузырей меняется относительная роль этих процессов. Механизм испарение - конденсация проявляется на крупных пузырях, диффузионные механизмы - на мелких. Рассчетные оценки показывают, что при градиенте температуры 1000 град/см тормозящее действие дислокаций достаточно для удержания на месте пузырей диаметром <0,13 мкм. При большем диаметре пузырей начинается их движение в направлении больших температур, но лишь до встречи с границами зерен. На границах зерен пузыри укрупняются за счет слияния. После достижения пузырями размеров 0,9 мкм они отрываются от границ зерен и дальнейшее их передвижение приводит к образованию столбчатой формы зерна. Механизм движения пузырей в этом случае диффузионный. При диаметре пузырей >1,4 мкм большее значение приобретает механизм испарение - конденсация. В результате движения пузырей по радиусу в стержневых таблетках образуется