Введение к работе
з
Актуальность работы. Безопасность АЭС во многом обеспечивается прочностью топлива в режимах нормальной эксплуатации, а также при внешних динамических воздействиях. Как в отечественной, так и в зарубежной атомной энергетике значительную долю отказов ядерного топлива составляют отказы, вызванные вибрацией. Фреттинг-износ оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) в местах контакта с нижней опорной и дистанционирующи-ми решетками (ДР) влечет за собой существенные экономические потери, связанные с загрязнением первого контура и преждевременной выгрузкой тепловыделяющих сборок (ТВС). Даже несмотря на то, что с начала 2000-х годов в водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР) случаи массового выхода из строя ТВС по причине фреттинга отмечены не были, проблему фреттинга нельзя считать решенной, во-первых, по причине увеличения глубины выгорания и срока эксплуатации ТВС и, во-вторых, в связи с внедрением в конструкцию ТВС новых технических решений. В частности, введение решеток-перемешивателей, отказ от крепления твэлов в нижней решетке, удлинение пролетов твэлов способны привести к увеличению уровня вибрации ТВС, что в свою очередь может повлечь износ оболочек твэлов. До недавнего времени в России отсутствовали программы, позволявшие разработчикам топлива выполнять оценки глубины износа и ресурса оболочки твэла.
В последние годы в РНЦ «Курчатовский институт» совместно с ОКБ «Гидропресс» разрабатывается расчетно-экспериментальная модель фреттинг-износа твэлов. В рамках этой работы на стендовой базе ОКБ «Гидропресс» проводятся экспериментальные исследования динамических характеристик ТВС, процессов трения и фреттинг-износа. Также результаты исследований динамических характеристик могут быть использованы непосредственно конструкторами при разработке новых конструкций ТВС, например, для отстройки от ре-зонансов твэлов на частотах вынуждающих сил.
Одним из направлений совершенствования конструкции ТВС является снятие излишнего консерватизма. В частности, значительный, а, возможно, излишний запас консерватизма заложен в обосновании сейсмической прочности ТВС. В настоящее время обоснование сейсмической прочности ДР ТВС проводится на основании консервативного критерия отсутствия пластических де-
4 формаций ДР от действия статической поперечной сжимающей силы, равной максимальному расчетному динамическому усилию взаимодействия ТВС между собой и с выгородкой в активной зоне. При расчете усилий взаимодействия также применяется консервативный подход, согласно которому все ТВС откликаются на собственных частотах колебаний и собираются в плотную упаковку вблизи выгородки. Необходимость дополнительных (прежде всего - экспериментальных) исследований отклика ТВС на сейсмическое воздействие определяется возможностью снятия излишнего консерватизма в конструкции ТВС, в частности, - оптимизации конструкции ячейки ДР.
Разработка современных методик и проведение на уровне ведущих зарубежных исследователей экспериментальных работ по обоснованию безопасности ТВС при динамических воздействиях является одним из слагаемых, определяющих конкурентоспособность российского топлива на зарубежных рынках топлива как для реакторов ВВЭР, так и для зарубежных реакторов.
Актуальность работы определяется изложенными аргументами, а также отраслевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 6 октября 2006 года.
Целью диссертационной работы являлась разработка методики экспериментальных исследований динамических свойств тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР и получение экспериментальных данных, необходимых для обоснования вибрационной прочности и сейсмической стойкости ТВС.
Исследования проводились по следующим направлениям:
Экспериментальное определение параметров собственных колебаний (частот, форм и коэффициентов демпфирования) семи полномасштабных макетов ТВС реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1500, ВВЭР-1200 (АЭС-2006).
Экспериментальные исследования собственных колебаний отдельных элементов ТВС (твэлов, нижней опорной решетки, уголков) в составе макетов ТВС и на моделях отдельных узлов.
Экспериментальные исследования ТВС как нелинейной динамической системы.
Анализ влияния эксплуатационных факторов и конструктивных особенностей ТВ С на их динамические характеристики.
Разработка методики воспроизведения колебаний опор ТВС при землетрясениях, исследования отклика ТВС при воспроизведении акселерограмм на опорах.
Исследование влияния вибрации на силу трения между твэлами и ДР, характеристики сопротивления ТВС продольно-поперечному изгибу и циклически изменяющимся температурам.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов подтверждены успешно проведенными научно-исследовательскими работами, что стало возможным благодаря комплексному применению теоретических и экспериментальных методов исследования. Достоверность результатов исследований обеспечена применением современных средств измерений, своевременных метрологических калибровок измерительных каналов и подтверждена сравнением с результатами экспериментальных и расчетных исследований, выполненных в ОКБ «Гидропресс», ОАО МСЗ, РНЦ «Курчатовский институт».
На защиту выносятся:
методика и результаты исследования частот, форм и коэффициентов демпфирования собственных колебаний ТВС и их элементов;
методика и результаты исследования ТВС как нелинейных динамических систем;
методика сейсмических испытаний ТВС, результаты исследования отклика ТВС на сейсмические воздействия;
методика и результаты исследований влияния вибрации на характеристики сопротивления ТВС статическим механическим и температурным воздействиям.
Научная новизна. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования собственных колебаний полномасштабных макетов ТВС и их узлов на воздухе при 20 С. Впервые исследованы зависимости динамических характеристик (коэффициентов демпфирования, резонансных частот ТВС, динамической жесткости твэлов) от амплитуды колебаний. Разработана методика сейсмических испытаний ТВС с воспроизведением акселерограмм опор при землетрясениях, определен динамический отклик ТВС на воздействие сейсми-
6 ческих нагрузок, исследован процесс деформирования ТВ С под действием сейсмических нагрузок, выполнен сравнительный анализ результатов эксперимента с расчетами активной зоны на сейсмические воздействия. Разработаны методики испытаний на продольно-поперечный изгиб сосредоточенной силой и термоциклических испытаний ТВС в условиях вибрации, получены оценки характеристик сопротивления ТВС продольно-поперечному изгибу и циклически меняющимся температурам в условиях вибрации. Определено влияние вибрации на усилия взаимодействия между твэлами и ячейками ДР.
Практическая полезность работы определяется проведенными в течение ряда лет исследовательскими работами в соответствии с договорами между ОКБ «Гидропресс» и ОАО «ТВЭЛ», ЗАО «Атомстройэкспорт».
Результаты работы использованы при разработке технических проектов ТВС с жестким каркасом модернизированной (ТВС-2М), ТВС ВВЭР-1500, ТВС АЭС-2006, при создании расчетно-эмпирической модели фреттинг-износа совместной разработки РНЦ «Курчатовский институт» и ОКБ «Гидропресс».
Полученные динамические характеристики ТВС использованы при разработке перспективных конструкций ТВС для существующих и новых проектов реакторных установок.
Реализация результатов
Результаты исследований использованы:
в пояснительных записках к техническим проектам ТВС-2М, ТВС ВВЭР-1500, ТВС АЭС-2006;
при разработке кода для расчета фреттинг-износа оболочек твэлов в контакте с ячейками ДР.
Личный вклад автора в разработку методик, конструкций стендов и приспособлений, проведение, обработку, анализ результатов всех представленных в работе исследований, проводившихся в ОКБ «Гидропресс» в период с 2005 по 2008 годы, был определяющим.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались, публиковались в трудах научно-технических конференций:
- International Meeting on LWR Fuel Performance Top Fuel-2006, Sala
manca, Spain, 2006;
5-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ФГУП ОКБ «Гидропресс», г. Подольск, Россия, 2007;
7th International Conference on WWER Fuel Performance, Modeling and Experimental Support, Albena, Bulgaria, 17-21 September 2007;
ICAPP 2007, Nice, France, May 13-18, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 печатных работы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 70 наименований; диссертация содержит 123 страницы машинописного текста, включая 43 рисунка, 22 таблицы.
