Введение к работе
Актуальность проблемы
Учет характерных особенностей расчетов на прочность элементов конструкций ядерных реакторов актуален, как при продлении срока эксплуатации этих реакторов, так и при создании новых установок. К числу таких особенностей относится существенная пластичность и ползучесть, связанные с высокими температурами и длительными сроками эксплуатации, анизотропия свойств реакторных материалов, в частности, таких широко используемых, как графит и сплавы циркония; изменение механических свойств под действием облучения, влияние активной разрушающей среды, особенно коррозионной. Существенную роль могут сыграть такие специфические виды коррозии, как, например, нодульная коррозия, рассмотрение которой также представляется весьма актуальным. Кроме того, важной и актуальной проблемой является снижение и исчерпание прочности вследствие эрозионно-коррозионного износа трубопроводов -элементов второго контура.
Уточнение всех расчетных прогнозов, в частности, предполагаемого ресурса в настоящее время приобретает всё большую актуальность. На первых энергоблоках РБМК уже встал вопрос о продлении срока службы сверх проектного тридцатилетнего до сорока пяти лет, поэтому весьма актуальными представляются расчеты на прочность графитовой кладки, которая является несменяемой частью реактора.
Эти расчеты предполагают рассмотрение всего процесса деформирования кладки вплоть до стадии образования и роста трещин.
Актуальными являются также расчеты на прочность в свете концепции "течь перед разрушением", удовлетворение положений которой позволяет отказаться от рассмотрения возможности крупномасштабного разрушения, важно лишь своевременно обнаружить течь и безопасно остановить реакторную установку.
Не менее актуальными являются расчеты на прочность элементов конструкций вновь создаваемых реакторных установок. Важнейшей составляющей дальнейшего развития цивилизации становится водородная энергетика. В данной работе представлены расчеты на прочность элементов графитовых отражателей ВГ-400. Проведен сравнительный анализ прочности блоков графитового отражателя трех типов.
Цели и задачи работы
Целью работы является разработка методик, алгоритмов и расчетных программ для проведения вариантных расчетов, позволяющих рассчитать напряженно-деформированное состояние и прочностные характеристики, закладываемые в критерии прочности, необходимые для оценки целостности и работоспособности реакторных конструкций.
В числе задач данной работы следует назвать:
разработку математической модели и вывод определяющих уравнений для расчета напряженно-деформированного состояния в элементах реакторных конструкций, материалы которых обладают существенной анизотропией, в частности, такие как сплавы циркония и графит;
разработку методик и программ, с помощью которых можно рассчитать такие прочностные характеристики как функция повреждаемости, коэффициент интенсивности напряжений, J-интеграл, раскрытие трещины в вершине;
создание трехмерной оболочечной программы для расчета сосудов давления, трубопроводов, патрубков и других оболочечных конструкций и проведение расчетов по ней;
разработку двух и трехмерных программ для расчетного исследования элементов графитовой кладки с учетом анизотропии свойств, образования и роста трещин и других особенностей внутриреакторного поведения;
исследование устойчивости оболочек твэлов;
математическое моделирование роста трещин в трубопроводах в условиях коррозионно-активной среды;
проведение расчетов напряженно-деформированного состояния в трубопроводах второго контура АЭС с ВВЭР, имеющих утонения вследствие эрозионно-коррозионного износа;
разработку математической модели и вычислительной программы нодульной коррозии канальных труб;
- разработку методики расчета кинетики роста трещин в трубопроводах по механизму водородного
охрупчив ания;
- создание методики, программы и проведение вариантных расчетов для определения площади проходного
сечения сквозных трещин, как кольцевых, так и продольных, в стенке корпуса ВВЭР, для вероятностной
программы, а также вывод аппроксимирующей зависимости площади трещины от характеристик
материала, размеров трещины и напряжений;
создание методики расчета кинетики развития микротрещин в особо тонкостенных оболочках, в которой учитываются индивидуальные процессы роста и слияния субмикротрещин в микротрещины.
написание программы и расчеты на прочность элементов графитовых отражателей ВТГР.
Научная новизна и практическая значимость работы
При расчетах на прочность разработаны не только математические модели, дающие возможность оценить прочность конструкций с традиционных позиций, позволяющих определить напряженно-деформированное состояние, но и программы, с помощью которых можно рассчитать такие прочностные характеристики как функция повреждаемости, J-интеграл.
Впервые разработаны методики, в которых учитывается неравномерное взаимодействие отдельных элементов конструкций, таких, например, как графитовая кладка и канальная труба реактора РБМК.
Впервые получены результаты исследования влияния такого технологического дефекта, как исходная овальность на потерю устойчивости оболочки твэлов ВВЭР и РБМК.
С участием автора была получена функция повреждаемости для материалов оболочек твэлов ВВЭР.
Разработанная методика и программа позволили осуществить вариантные расчеты для оценки влияния исходных параметров (в частности, начальной глубины) технологических трещинообразных дефектов на работоспособность элементов конструкций ядерных реакторов (твэлов, трубопроводов, канальных труб) и научно обосновать браковочные признаки.
Результаты исследования прочности графитовых втулок сложного профиля вошли в "Нормы расчета на прочность типовых узлов и деталей из реакторного графита уран-графитовых реакторов".
Программа расчета напряженно-деформированного состояния графитовых блоков отражателей ВТГР передана в отдел высокотемпературной энергетики и внедрена в практику вычислительных расчетов.
Методика и программа для расчета площади проходного сечения сквозных трещин, как кольцевых, так и продольных, в стенке корпуса реактора типа ВВЭР были в составе вероятностной методики и программы переданы в ОКБ «Гидропресс» и другие организации отрасли, а также в Китайскую народную республику.
Получена аппроксимирующая зависимость изменения площади трещины при вариациях механических характеристик материала, длины трещины и уровня напряжений, возникающих в конструкции при эксплуатационном нагружении.
Методика и результаты расчета кинетики изменения напряженно-деформированного состояния и
раскрытия трещин в элементах металлоконструкций вошли в комплекс работ, выполненных для оценки
и обоснования остаточного ресурса металлоконструкций промышленных уран-графитовых реакторов, а
также были использованы для прогнозирования процесса разрушения основных элементов
металлоконструкций ПУГР и постепенного вывода их из эксплуатации.
Автор выносит на защиту
методику расчетного исследования кинетики роста трещин в элементах конструкций активных зон с учетом воздействия внешней среды;
методику, программу и результаты вариантных расчетов площади проходного сечения сквозных трещин, как кольцевых, так и продольных, в стенке корпуса реактора, типа ВВЭР в свете концепции «течь перед разрушением»;
трехмерную конечно-элементную модель и программу расчета напряженно-деформированного состояния элементов графитовой кладки, позволяющую учитывать существенную анизотропию свойств графита в разных направлениях, а также во времени;
- модель расчета напряженно-деформированного состояния при неравномерном исчерпании зазора и
дальнейшем контакте элементов графитовой кладки и трубы технологического канала с учетом упругих,
вязкопластических деформаций, а также того, что графит и канальная труба обладают существенной
анизотропией свойств;
результаты исследования влияния такого технологического дефекта, как исходная овальность на потерю устойчивости оболочки твэла;
математическую модель и вычислительную программу нодульной коррозии канальных труб;
трехмерную обол очечную программу для расчета сосудов давления, трубопроводов, патрубков и других оболочечных конструкций и результаты расчетов по ней;
проведение расчетов напряженно-деформированного состояния в трубопроводах второго контура АЭС с ВВЭР, имеющих утонения вследствие эрозионно-коррозионного износа;
- расчеты на прочность элементов графитовых отражателей ВТГР. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на всесоюзных, российских и международных семинарах, конференциях и симпозиумах.
Цикл работ, выполненных Сергеевой Л.В. и в соавторстве, был отмечен почетным дипломом Академии наук СССР (1983г.), премиями им. И.В. Курчатова на конкурсе научных работ РНЦ «Курчатовский институт» (трижды).
Сообщения и публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано более 120 работ, из них более 35 печатных. Работы, составляющие основное содержание диссертации, опубликованы:
в отечественных журналах: «Атомная энергия», «Вопросы атомной науки и техники» (ВАНТ),
«Вестник машиностроения», «Справочник. Инженерный журнал», в зарубежном журнале «Nuclear
Engineering and Design»,
в трудах международных конференций « Proceedings International Conference on Pipeline Safety»,
1997г. и 1999г.
- в материалах отраслевого семинара "Вопросы прочности и надежности элементов активных зон
энергетических ядерных реакторов", г. Обнинск, 1982г.
в сборнике научных трудов МИФИ «Проблемы материаловедения атомной техники», Москва, Энергоатомиздат, 1989г.
- в материалах семинара "Прочность и надежность элементов активных зон энергетических
ядерных реакторов", Обнинск, 1991г.
Структура диссертации
