Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ факторов, ограничивающих ресурс стержней СУЗ реакторов БН 10
1.1 Работоспособность конструкционных элементов стержней СУЗ... 13
1.2 Работоспособность ПЭЛ 14
1.3 Критерии предельного состояния 18
Выводы и основные результаты главы 21
Глава 2 Методический подход к расчётному обоснованию работоспособности стержней СУЗ РБН в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой ПЭЛ 23
2.1 Основные положения методического подхода 23
2.2 Постановка задачи, методика и алгоритм трёхмерного теплогидравлического расчёта сборок СУЗ БН. Расчётный код BUMT 27
2.2.1 Моделирование процессов тепломассообмена в теплоносителе в сборке СУЗ РБН 29
2.2.2 Конечно-разностная аппроксимация и алгоритм решения системы разностных уравнений
2.2.3 Метод решения системы конечно-разностных уравнений 37
2.2.4 Расчётный код BUMT 38
2.3 Постановка задачи и физическая модель нагружения оболочки ПЭЛ при её механическом контакте с поглотителем 38
Выводы и основные результаты главы 45
Глава 3 Верификация методики расчёта работоспособности ПЭЛ \Щ-стержней СУЗ РБН в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой 47
3.1 Верификация теплогидравлического кода BUMT 48
3.1.1 Верификация на экспериментальных данных 48
3.1.2 Верификация на расчётных данных 51
3.1.3 Выводы 55
3.2 Верификация методики расчёта НДС ПЭЛ в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой 55
3.2.1 Силовое взаимодействие поглощающего сердечника с оболочкой ПЭЛ стержней СУЗ реактора JOYO 57
3.2.2 Исходные данные для верификационных расчётов НДС ПЭЛ при силовом контакте поглотителя с оболочкой 59
3.2.3 Результаты верификационных расчётов 64
3.2.4 Анализ результатов и рекомендации 68
Выводы и основные результаты главы 69
Расчётные исследования работоспособности стержней аварийной защиты реактора БН-600 71
4.1 Расчётные исследования в обоснование увеличения ресурса стержней аварийной защиты сб. 1663 реактора БН-600 72
4.1.1 Конструкция стержня A3 сб. 1663 и условия эксплуатации 73
4.1.2 Оценка остаточного ресурса стержней A3 сб. 1663 при наработке 500 эффективных суток 74
4.1.2.1 Расчёт выгорания поглотителя и оценка физической эффективности стержня 76
4.1.2.2 Теплогидравлический расчёт стержня A3 сб. 1663 77
4.1.2.3 Расчёт НДС ПЭЛ 82
4.1.2.4 Расчётно-эмпирические исследования работоспособности конструкционных элементов стержня 85
4.1.3 Обсуждение полученных результатов и рекомендации 89
4.1.4 Внедрение результатов 91
4.2 Расчётные исследования предельного состояния стержней аварийной защиты сб. 2637 реактора БН-600 91
4.2.1 Конструкция стержня A3 сб. 2637 92
4.2.2 Оценка физической эффективности 94
4.2.3 Оценка распухания и деградации прочностных свойств конструкционных материалов 94
4.2.4 Теплогидравлический расчёт стержня A3 сб. 2637 96
4.2.5 Расчёт НДС ПЭЛ с учётом механического взаимодействия поглотителя и оболочки 99
4.2.6 Обсуждение полученных результатов и рекомендации 102
Выводы и основные результаты главы 103
Глава 5 Расчётный анализ ресурсных характеристик ПЭЛ и стержней СУЗ реактора типа БН -1800 104
5.1 Функциональное назначение и условия эксплуатации стержней СУЗ в активной зоне БН-1800 104
5.2 Выбор конструкции и обоснование работоспособности стержней СУЗ реактора типа БН-1800 105
5.2.1 Конструкция стержней СУЗ реактора типа БН-1800 106
5.2.2 Обоснование работоспособности конструкционных материалов и поглотителя 107
5.2.2.1 Распределение выгорания поглотителя по высоте ПЭЛ
стержня PC реактора БН-1800 108
5.2.2.2 Оценка работоспособности конструкционных материалов с учётом деградации прочностных свойств под облучением... 109
5.2.2.3 Теплогидравлический расчёт сборки стержня PC 112
5.2.2.4 Расчёт НДС ПЭЛ стержня PC 114
5.2.3 Обсуждение полученных результатов и рекомендации 117
Выводы и основные результаты главы 117
Заключение 119
Список использованной литературы
- Критерии предельного состояния
- Моделирование процессов тепломассообмена в теплоносителе в сборке СУЗ РБН
- Верификация методики расчёта НДС ПЭЛ в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой
- Конструкция стержня A3 сб. 1663 и условия эксплуатации
Введение к работе
Актуальность темы
В соответствии со «Стратегией развития атомной энергетики России в первой половине XXI века» [1], в качестве приоритетного рассматривается экономически эффективный коммерческий быстрый реактор нового поколения. Одним из важнейших аспектов разработки такого реактора является обеспечение высокого уровня безопасности реакторной установки в целом при сохранении конкурентоспособности по сравнению с перспективными источниками энергии. Поиск оптимального решения этой проблемы предполагает выполнение большого комплекса научно-исследовательских работ. Частью этих работ становится оправданная минимизация затрат на органы системы управления и защиты (СУЗ) быстрых натриевых реакторов (РБН) нового типа. В последние годы в России в качестве возможных путей достижения этой цели (на примере реактора БН-600) рассматривались:
повышение назначенного ресурса стержней СУЗ штатной конструкции;
применение рефабрицированного поглотителя (карбида бора) в стержнях аварийной защиты (A3);
внедрение новых материалов и конструкторских решений с целью увеличения ресурса.
История разработки и эксплуатации стержней СУЗ реактора БН-600 показывает, что решение об увеличении назначенного ресурса стержня конкретной конструкции основывалось на результатах его послерадиационных исследований. Величина предельно допустимого ресурса при этом прогнозировалась с некоторым запасом прочности. К настоящему времени накоплен значительный опыт разработки, эксплуатации и послерадиационных исследований стержней СУЗ. В целом ясны определяющие механизмы повреждений и старения элементов конструкции и поглощающих элементов (ПЭЛ) стержней, влияющие на их работоспособность. Появилась реальная возможность на основе критериев предельного состояния создать методику расчетного обоснования работоспособности, как элементов стержней СУЗ, так и самих стержней в целом, позволяющую с хорошей точностью прогнозировать фактический остаточный ресурс. Разработка подобного инструмента для расчета работоспособности элементов стержней СУЗ является весьма актуальной задачей при создании стержней СУЗ БН следующего поколения с техническими характеристиками и надежностью, полностью отвечающими перспективным технико-экономическим показателям.
Цель диссертационной работы заключается в создании и апробации методики расчета работоспособности стержней СУЗ при высоких температурах и глубоких выгораниях поглотителя, позволяющей проводить оценку работоспособности ПЭЛ в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой. В соответствии с поставленной целью автором был выполнен ряд задач:
на базе обобщенных данных послерадиационных исследований определены основные факторы, влияющие на работоспособность стержней СУЗ и элементов их конструкции;
выбраны критерии предельного состояния стержней СУЗ;
разработана физическая модель нагружения оболочки ПЭЛ в условиях механического контакта с поглотителем;
проведены расчетные исследования теплогидравлики сборок СУЗ (расчет полей температуры поглотителя и оболочки ПЭЛ, полей давления, скорости и температуры теплоносителя в сборках СУЗ РБН);
проведены расчетные исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) ПЭЛ стержней СУЗ в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой;
для стержней СУЗ реакторов типа БН-600 и БН-1800 выполнено обоснование назначенного ресурса и проведены исследования возможностей его повышения.
Решение ряда задач, связанных с получением и анализом экспериментальных данных, а также обсуждение полученных результатов и их практическая реализация выполнялись при непосредственном участии СОТРУДНИКОВ ГНЦ РФ -ФЭИ и ДРУГИХ организаций (Белоярской АЭС, ГП МЗП, ОКБМ). Характеристика использоваї н#О&тКВтеНЮН№%$0Т0К и результатов, полученных экспериментально, дана по тексту ди> сертаиВМБЛИОТСКА і
?J I
Ц CBwpfcpr пл \
* Щпг
Научная новизна
Сформулирован новый методический подход к обоснованию работоспособности стержней СУЗ РБН для условий контакта оболочки ПЭЛ с поглотителем. При ограниченном объеме доступных экспериментальных данных разработана адекватная физическая модель явления силового нагружения оболочки ПЭЛ после контакта с поглотителем; выдвинуты, расчетным путем обоснованы и верифицированы на имеющихся данных послерадиационных исследований гипотезы о поведении системы «сердечник-оболочка» в условиях силового контакта. Для решения поставленных задач разработана методика взаимосогласованного теплогидравлического расчета сборки СУЗ и термомеханического расчета ПЭЛ стержня СУЗ, сформулирован количественный критерий работоспособности оболочки ПЭЛ в условиях силового контакта с поглотителем. Впервые в отечественной практике обоснования работоспособности стержней СУЗ БН получены количественные прогнозные оценки работоспособности стержней СУЗ для условий силового контакта поглотителя с оболочкой.
Практическая ценность
Полученные результаты расчетно-аналитических исследований, проведенных по разработанной методике, были использованы при обосновании увеличения ресурса штатных стержней A3 реактора БН-600, и позволили найти оптимальные проектно-конструкторские решения для органов СУЗ перспективного реактора типа БН-1800.
На защиту выносятся следующие положения:
методика взаимосогласованного теплогидравлического и термомеханического расчета ПЭЛ стержня СУЗ РБН в условиях силового взаимодействия поглотителя с оболочкой;
постановка задачи, методика и алгоритм трехмерного расчета теплогидравлических параметров и характеристик сборок СУЗ РБН;
постановка задачи и физическая модель нагружения оболочки ПЭЛ стержней СУЗ РБН в условиях силового взаимодействия с поглощающим сердечником и результаты верификационных расчетов;
результаты расчетных исследований и рекомендации по увеличению назначенного ресурса стержней A3 реактора БН-600 и результаты расчетных исследований по обоснованию оптимальных проектных решений для стержней СУЗ реактора типа БН-1800.
Личный вклад автора
Автором разработан усовершенствованный методический подход к расчетному обоснованию работоспособности стержней СУЗ БН при глубоких выгораниях поглотителя и сопутствующем силовом контакте поглотителя с оболочкой ПЭЛ. Разработана физическая модель НДС ПЭЛ в стационарных режимах эксплуатации, сформулированы основные гипотезы по схеме нагружения оболочки за счет внутреннего давления распухающего сердечника поглотителя. Разработана и верифицирована на экспериментальных результатах методика взаимосогласованного теплогидравлического расчета сборки СУЗ и термомеханического расчета ПЭЛ стержня СУЗ. Получены прогнозные оценки работоспособности стержней A3 сб. 1663 БН-600 при повышении назначенного ресурса до 500 эфф. суток. По результатам комплексных исследований даны рекомендации о возможности повышения назначенного ресурса стержней A3 сб. 2637 реактора БН-600 до ~700 эфф. суток. Выполнены расчетные исследования по выбору конструкции и обоснованию ресурсных характеристик стержней СУЗ перспективного реактора типа БН-1800, и даны соответствующие рекомендации.
Апробация работы
Положения и результаты работы представлены в 9 опубликованных печатных работах; докладывались на 7-ой Всероссийской конференции по реакторному материаловедению (Россия, Димитровград, 8-12 сентября, 2003 г.) и научно-технической конференции, посвященной 40-летию БелоярскойАЭС (г.Заречный,2004 г.); на Координационном Совете Минатома РФ по
поглощающим материалам и замедлителям (г. Москва, 12 ноября 2003 г.); на научных семинарах ГНЦ РФ - ФЭИ. Основной апробацией является использование результатов работы при выпуске проектно-конструкторской документации для штатных стержней СУЗ реактора БН-600.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений. Объем диссертации составляет 145 страниц текста, в него входят 50 рисунков, 15 таблиц и список 80 использованных источников, включающий 16 работ с участием автора.
Критерии предельного состояния
Из достаточно обширного опыта эксплуатации и послерадиационных исследований известно, что ресурс работы стержней СУЗ быстрого натриевого реактора может ограничиваться различными факторами физического, материаловедческого и конструктивного характера [2-13]. Количество и значимость каждого из этих факторов постоянно меняются с накоплением опыта разработки, эксплуатации и послерадиационных исследований, поэтому анализ лимитирующих факторов применительно к конкретным условиям эксплуатации стержней СУЗ становится первым шагом при решении задач по обоснованию ресурсных характеристик. В данной главе приведена аналитическая оценка степени влияния разных лимитирующих факторов на работоспособность конструкционных и поглощающих элементов (ПЭЛ) стержней СУЗ реакторов БН.
Конечной целью разработки любого изделия, в том числе и стержня СУЗ, как элемента активной зоны, является максимально долгая и надёжная эксплуатация. На пути к достижению этой цели разработчикам отечественных РБН пришлось неоднократно менять конструкцию и материалы стержней. Эволюцию проектных решений наглядно можно проследить на примере стержней СУЗ реактора БН-600.
К моменту выпуска первых проектов СУЗ БН-600 разработчики уже решили ряд проблем, связанных с работоспособностью стержней при облучении. Например, уже в стержнях СУЗ реактора БН-350 была введена очехловка рабочих звеньев [72] — при этом она стала выполнять функцию несущего элемента в рабочем звене вместо центрального ПЭЛ. Наличие очехловки рабочих звеньев исключило заклинивание стержней в гильзах СУЗ при изгибах ПЭЛ, связанных с нарушением нормального процесса охлаждения.
Тем не менее, по сегодняшним меркам ресурс первых стержней СУЗ реактора БН-600 с герметичной конструкцией ПЭЛ был слишком мал [73] — он составлял два эффективных месяца и ограничивался предельным давлением на оболочку ПЭЛ гелия, выделяющегося из поглотителя. Герметичная конструкция ПЭЛ также предопределила и неоптимальную компоновку поглотителя по длине звеньев стержня: вследствие максимального выгорания поглотителя нижнего рабочего звена необходимо было увеличить размеры газосборника ПЭЛ. Действие остальных факторов, например: механическое и химическое взаимодействие поглотителя с оболочкой, ухудшающее её работоспособность; выгорание поглотителя, снижающее физическую эффективность стержня; радиационное распухание элементов его конструкции, ухудшающее подвижность стержня в направляющем тракте и др., — при этом не могло проявиться из-за малого времени облучения.
После перехода на негерметичную конструкцию ПЭЛ с натриевым подслоем [74] в стержнях СУЗ были сняты ограничения ресурса по давлению гелия на оболочки ПЭЛ. Наличие натриевого подслоя обеспечило снижение температуры поглотителя до уровня, соответствующего пониженным скоростям его радиационного распухания. Кроме того, исследования показали, что растрескивание блочков карбида бора при наличии подслоя натрия до определённого времени не приводит к их фрагментации в рабочих условиях — блочки остаются как бы целыми, сохраняя форму. Все это позволило существенно (до 365 эфф. суток) увеличить ресурс работы стержней, одновременно повысив их физическую эффективность и надёжность. Однако возникла необходимость учитывать факторы, роль которых при герметичной конструкции ПЭЛ была несущественной — химическое и механическое взаимодействие поглотителя с оболочкой, выгорание поглотителя, радиационное распухание элементов конструкции и деградацию прочностных свойств конструкционных материалов.
На следующем этапе модернизации основное внимание было обращено на снижение уровня температуры шарнирных соединений и на исключение диффузионного хромонитридного покрытия деталей сборок [72,74]. За счёт внесения конструктивных изменений температура деталей шарнирных соединений, работающих в активной зоне, была снижена до 400-450 С и, следовательно, уменьшено их распухание, что улучшило кинематические характеристики конструкции. Снятие диффузионного хромонитридного покрытия с чехловых труб направляющих гильз стержней СУЗ повысило пластичность конструкционного материала и стабильность формы гильз.
Дальнейшая модернизация органов регулирования реактора БН-600 состояла в упрощении конструкции направляющих гильз СУЗ, что привело к повышению их работоспособности [72, 74]. Круглую направляющую гильзу заменили шестигранной, а в качестве конструкционного материала применили аустенитную нержавеющую сталь типа Х16Н11 в холоднодеформированном состоянии. Разработанная конструкция позволила увеличить минимальный зазор между стержнем СУЗ и гильзой. Как следствие был исключен контакт между стержнями A3, PC и их гильзами по высоте активной зоны, и максимально сокращена зона контакта для стержней КС. При этом расход теплоносителя, идущий на охлаждения пучка ПЭЛ стержня, уменьшился, а расход теплоносителя, идущий в зазор между стержнем и гильзой увеличился. Это позволило понизить уровень температур чехловых труб сборок и повысить их стабильность, хотя и привело к увеличению температуры ПЭЛ.
Значительный объём работ по определению факторов, лимитирующих работоспособность стержней СУЗ БН-600 (и, следовательно, критических для безопасности), который провели разработчики и научно-технический персонал Белоярской атомной станции в период 1990-х годов, позволил накопить достаточные знания по этим вопросам. В ряде работ [3,5,75,76] подробно описаны этапы проведённых исследований. Итогом стал третий этап модернизации. При разработке конструкций и выборе конструкционных материалов стержней на этом этапе был учтён весь предыдущий опыт эксплуатации и послерадиационных исследований. Стержни СУЗ изменились конструктивно — для стержней A3, АЗ-П и PC была использована однозвенная конструкция (применен один шарнир, установленный между удлинительным звеном и поглощающей частью с хвостовиком). В качестве конструкционных материалов стержней СУЗ применены радиационно-стойкие и технологичные стали — сталь 05Х12Н2М для головок, шарниров, хвостовиков и вытеснителей; стали 06Х16Н15М2Г2ТФР (ЧС-68) х.д.— для оболочек ПЭЛ; сталь 08Х16Н15МЗБ-Ш (ЭИ-847)— для концевых деталей ПЭЛ и профильной проволоки; удлинительные и чехловые трубы выполнены из стали 12Х12М1БФР-Ш (ЭП-450).
Нетрудно заметить, что процесс усовершенствования конструкций стержней СУЗ носил эволюционный характер — разработчики двигались по пути постепенного устранения наиболее существенных препятствий. Последовательно были решены проблемы, связанные с ограничением свободы передвижения стержней в активной зоне (за счёт изменения конструкции и применения более радиационно-стойких сталей) и с избыточным нагружением оболочек ПЭЛ давлением газа (за счёт перехода на негерметичные ПЭЛ). Отдельно стоит упомянуть о смене типа поглотителя в компенсирующих (КС) и регулирующих (PC) стержнях. Этот вопрос будет рассмотрен ниже.
Моделирование процессов тепломассообмена в теплоносителе в сборке СУЗ РБН
Математические модели НДС системы «сердечник-оболочка», как при отсутствии контакта между сердечником и оболочкой, так и при их силовом взаимодействии, достаточно хорошо изучены для тепловыделяющих элементов быстрых реакторов [34, 35]. Однако оценка НДС ПЭЛ негерметичной конструкции имеет свои особенности в силу отсутствия ряда нагружающих факторов, характерных для топливного сердечника (внутреннее газовое давление, образование плутония и т. п.). Кроме того, карбид бора является весьма твердым материалом (из известных материалов тверже только алмаз и нитрид бора), а конкретные условия эксплуатации сильно влияют на его поведение под облучением (скорость распухания имеет ярко-выраженную температурную зависимость; также имеет место значительная неравномерность распухания столба поглотителя по высоте).
В силу вышеизложенного, для оценки работоспособности ПЭЛ при наличии силового контакта поглотителя с оболочкой первостепенными являются: разработка физической модели поведения и методики расчёта НДС системы «сердечник-оболочка» применительно к реальным условиям эксплуатации ПЭЛ и основным факторам нагружения; разработка тестовой модели для верификации методики расчёта НДС ПЭЛ на основе имеющихся экспериментальных данных по термомеханическому взаимодействию поглотителя и оболочки, полученных по результатам послерадиационных исследований.
Задача оценки работоспособности ПЭЛ стержней СУЗ реакторов БН в условиях силового взаимодействия поглотителя с оболочкой была сформулирована автором следующим образом.
1) Необходимо рассчитать НДС ПЭЛ стержня СУЗ РБН в стационарных режимах эксплуатации для определённых ниже условий. Радиальный зазор между поглотителем и оболочкой выбран или полностью, или в некоторых сечениях по высоте; соответственно, в этих сечениях сердечник и оболочка жестко связаны между собой; проскальзывания сердечника нет. Оболочка ПЭЛ при этом нагружается: внешним давлением теплоносителя; неравномерным по объёму температурным полем, приводящим к возникновению температурных радиальных и окружных напряжений; внутренним давлением распухающего сердечника. Основные гипотезы по схеме нагружения оболочки за счёт внутреннего давления , сердечник является целым телом независимо от уровня напряжений в нем, распухает изотропно с максимальной по сечению блочка скоростью (см. ниже), эффекты ползучести в нем отсутствуют. Такие гипотезы являются консервативными, и отклонения от этой модели идут в запас прочности при оценках остаточного ресурса оболочки. Параметры распухания поглотителя определяются по результатам трёхмерного теплогидравлического расчёта сборки СУЗ, при котором, среди прочих параметров, для фиксированного значения теплопроводности контакта «сердечник-оболочка» (задаётся параметрически) рассчитываются трёхмерные поля температур в поглотителе и оболочке ПЭЛ. Распухание поглотителя рассчитывается по расчётно-экспериментальным зависимостям в разных направлениях для каждого сечения по высоте. Это позволяет достаточно точно определить максимальное значение скорости распухания, которое будет использоваться при расчёте НДС. Далее предположение об изотропном распухании поглотителя позволяет перейти от трёхмерной постановки к решению двумерной (г, z) задачи расчёта НДС ПЭЛ, целью которого является получение распределений напряжений и деформаций в оболочке ПЭЛ.
2) При расчёте НДС на всех этапах должны учитываться распухание оболочки и поглотителя, эффекты тепловой и радиационной ползучести и возможность возникновения односторонних пластических деформаций для оболочки. В процессе расчёта для заданного момента времени должно быть получено распределение напряжений и деформаций в любом аксиальном сечении ПЭЛ. После определения наиболее опасного сечения полученное распределение используется для оценки работоспособности ПЭЛ по выбранным критериям.
Необходимо еще раз отметить, что в предложенной физической модели нагружения оболочки ПЭЛ принципиальным моментом является получение квазитрёхмерного поля температур в сердечнике, которое является составной частью трёхмерного теплогидравлического расчёта сборки СУЗ. Взаимосогласованность теплогидравлического расчёта сборки СУЗ и термомеханического расчёта ПЭЛ при этом реализуется через корректный учёт скорости распухания, которая является сильно зависящим от температуры функционалом.
Поставленная задача расчета НДС ПЭЛ стержня СУЗ реактора БН в стационарных режимах эксплуатации может решаться с различной степенью детализации. Для сформулированных модельных допущений по схемам нагружения оболочки (изотропное распухание сердечника без внутренней ползучести) для поверки методики достаточным является использование квази-двумерных расчётных программ, реализующих аналитическое решение системы уравнений НДС без учёта осевых градиентов компонентов напряжений и деформаций. Таким расчётным кодом является код DRAKON [36]. Изначально код DRAKON предназначался для расчёта работоспособности цилиндрических твэлов контейнерного типа с керамическим таблеточным топливом при стационарном режиме работы реактора. При участии автора код был адаптирован для расчёта задач НДС ПЭЛ стержней СУЗ РБН [70]. Математическая модель, на базе которой реализован код DRAKON, основана на решении механической краевой задачи, описывающей ползучесть и распухание материалов. Изменение радиального зазора и свободного объёма под оболочкой происходит под влиянием процессов вязко-упругого деформирования оболочки и распухания сердечника. Оболочка полагается тонкостенной, рассматриваются упруго-вязкие компоненты деформаций, распухание и радиационный рост. В сердечнике рассматриваются деформации радиационного распухания. Учитывается зависимость теплопроводности материалов от температуры и влияние облучения на механические характеристики материалов ПЭЛ. Рассматривается раздельное и совместное деформирование сердечника и оболочки. Детально схема расчёта НДС для каждого случая рассмотрена в [34,35], здесь отметим, что в случае раздельного деформирования оболочки и сердечника кинетика параметров НДС оболочки определяется путем решения системы дифференциальных уравнений, описывающих скорости изменения напряжений, скорости полной и упругой деформации оболочки и скорости деформации ползучести. Для случая совместного деформирования оболочки и сердечника решается система дифференциальных уравнений состояния сердечника и оболочки, совместности деформаций и равновесия, записанных для скоростей параметров НДС. Схема расчёта НДС ПЭЛ [70], реализованная в коде DRAKON, представлена в Приложении 2.
Верификация методики расчёта НДС ПЭЛ в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой
Алгоритм расчётной оценки работоспособности штатных стержней СУЗ для заданного ресурса, подробно изложенный в главе 2, применительно к стержням A3 сб. 1663 включает в себя ряд шагов. 1) Расчёт выгорания поглотителя и оценка потери физической эффективности стержня. На этом шаге по экспериментальным и расчётным зависимостям определялось распределение глубины выгорания бора по высоте ПЭЛ, и рассчитывался запас эффективности стержня. 2) Теплогидравлический расчёт сборки, проводимый с целью получения распределений полей температур теплоносителя, оболочек ПЭЛ и поглотителя. 3) Прочностной расчёт наиболее нагруженных конструкционных элементов стержня с учётом деградации прочностных свойств материалов. 4) Расчёт НДС системы «сердечник-оболочка», учитывавший распухание поглотителя и оболочки ПЭЛ, и потенциальный контакт между столбом поглотителя и оболочкой. По результатам термомеханического расчёта проверялось непревышение деформацией оболочки допустимой величины, и, соответственно, сохранение целостности оболочки.
Для проведения оценки остаточного ресурса стержней и обоснования возможности продления их ресурса был проведен расчётно-эмпирический анализ некоторых параметров эксплуатации стержней A3 при ресурсе работы около 500 эфф. суток. Основные параметры представлены в таблице 8. Были приняты следующие допущения:
Основной трудностью при проведении оценки выгорания поглотителя являлся сильный разброс в величинах выгорания, полученных расчётным путем и с помощью экспериментальных исследований.
Расчёт выгорания поглотителя проводился по методике, изложенной в [7]. Были получены следующие результаты, представленные в таблице 8.
Для реперного стержня A3 сб. 1663 зав. №В31Г54 полномасштабных материаловедческих исследований поглотителя не проводилось, поэтому для оценки были использованы результаты исследований поглотителя экспериментального стержня A3 сб. 2637 [6, 7]. Экспериментальные исследования поглотителя включали в себя масс-спектральный и газовый анализ выгорания.
а) Масс-спектральный анализ выгорания карбида бора проводился на усреднённых по сечениям блочков пробах поглотителя. Пробы брались из различных блочков по высоте ПЭЛ и из исходных необлучённых блочков-свидетелей.
Экспериментально полученные для нижней части ПЭЛ значения выгорания поглотителя оказались существенно (в 3-5 раз) ниже расчётных значений. Для уточнения выгорания поглотителя в ПЭЛ стержня A3 были проведены дополнительные исследования накопления и выхода из поглотителя гелия.
б) Накопление гелия в поглотителе за время облучения определялось методом сжигания проб поглотителя с последующим анализом продуктов сжигания на радиочастотном масс-спектрометре [6]. Пробы отбирались из центра блочков, ранее использовавшихся для определения выгорания бора в периферийных ПЭЛ. Количество образовавшегося гелия в поглотителе и, соответственно, выгорание, определялось на основе экспериментально полученных данных по количеству накопленного в нем гелия в предположении того, что выход гелия из поглотителя составлял около 20%. Полученные результаты [7] показали, что при исследованиях в пробах карбида бора наблюдался значительный разброс в количестве оставшегося в поглотителе гелия.
Среднее по высоте стержня A3 значение экспериментально определённого выгорания поглотителя оказалось в диапазоне от 3,8% ат. (по результатам масс-спектралыюго анализа) до 6,5% ат. (по результатам газового анализа). Вследствие этого, при оценке выгорания было принято решение опираться на расчётные данные, как более консервативные.
Таким образом, вопрос корректной оценки общего выгорания поглотителя, определяющего физическую эффективность стержня, остается достаточно сложным. Разные методики экспериментального определения глубины выгорания (а также применение расчётных методик) дают достаточно широкий диапазон величин выгорания бора. В силу этого, при оценке допустимости продления ресурса стержней в плане сохранения ими должной физической эффективности, было принято решение опираться на данные о влиянии длительности облучения стержней A3 в активной зоне реактора БН-600 на их физическую эффективность, полученные при взвешивании [52]. Выгорание бора является процессом аддитивным, и зависимость глубины выгорания от времени облучения вполне корректно экстраполировалась на основе этих данных. Результаты подобной экстраполяции позитивны — расчётная потеря физической эффективности у стержня A3 сб. 1663 при наработке ресурса 500 эфф. суток равна 1,4%, что существенно меньше предельно допустимой потери (для стержней A3 предельная потеря физической эффективности равна 10%) [51].
Ниже приведены результаты теплогидравлического расчёта стержня A3 сб. 1663, проведённого с использованием кода BUMT. В процессе проведения исследований приходилось принимать во внимание сложный, взаимосвязанный характер протекающих физических процессов. Теплогидравлические расчёты проводились для набора стационарных состояний системы, с учётом изменения компоновки «сердечник-оболочка» из-за постепенного распухания поглотителя. Это обусловлено тем, что наступление контакта между поглотителем и оболочкой приводит к исчезновению натриевого подслоя, что существенно меняет распределение полей температуры в ПЭЛ, и, как следствие, изменяет скорость распухания. Исходные данные для расчёта представлены в таблице 9.
Конструкция стержня A3 сб. 1663 и условия эксплуатации
Расчётная оценка распределения по высоте ПЭЛ выгорания поглотителя стержня PC реактора типа БН-1800 производилась с помощью зависимостей по распределению повреждающей дозы, полученных в [65]. Результаты представлены на рис. 35. Из представленных данных следует, что основную нагрузку испытывает часть ПЭЛ, находящаяся в пределах активной зоны реактора. Неравномерность выгорания определяет и неравномерность распухания поглотителя. Оценка возможности наступления контакта «поглотитель-оболочка» и его последствий представлена в следующих разделах.
Оценка работоспособности конструкционных элементов с учётом деградации прочностных свойств материалов под облучением
Опыт эксплуатации стержней и гильз СУЗ реакторов БН-350 и БН-600 и их послерадиационные исследования показали, что ресурс стержня может быть существенно ограничен радиационным распуханием его конструкционных элементов. Например, распухание деталей шарнирных соединений может привести к ухудшению кинематической подвижности стержня в направляющей трубе гильзы, а распухание оболочек ПЭЛ — к механическому контакту со смежными деталями сборки (вытеснителями, чехловой трубой). Таким образом, выбор конструкционного материала определяется как особенностями конструкции стержня, так и условиями его эксплуатации в активной зоне (флюенс нейтронов, температура).
По результатам проведённого анализа [68], по совокупности эксплуатационных характеристик в качестве конструкционного материала элементов стержней СУЗ реактора типа БН-1800 выбрана малораспухающая сталь ЭП-450, в качестве материала оболочек ПЭЛ и вытеснителей выбрана сталь ЧС-68 х. д.
Сталь ЭП-450. В настоящий момент работоспособность стали ЭП-450 при наработке до доз -100 сна обоснована результатами её исследований после облучения в составе опытных ТВС реакторов БН-350, БН-600 и опытных стержней СУЗ реактора БН-600 [6, 18].
Стойкость к распуханию. По данным послерадиационных исследований стержней СУЗ, отработавших -502 эфф. суток в активной зоне реактора БН-600 [6], сталь ЭП-450 (использовавшаяся в качестве материала головки, хвостовика, деталей шарниров, чехловых труб) показала очень низкое радиационное распухание — при повреждающей дозе до 70 сна и температуре облучения 370 400 С объемное распухание составило (0,1-0,6)%. С учётом конструктивных особенностей, изложенных в разделе 5.2.1, сделан вывод— при оценке работоспособности стержней СУЗ БН-1800 при наработке ресурса 500 эфф. суток можно не рассматривать факторы, влияющие на кинематическую подвижность стержня в гильзе. (К таковым относятся изгиб чехловых труб вследствие неравномерного распухания по периметру, что является существенным только при круглых гильзах; и « увеличение диаметра шарниров и чехловых труб вследствие радиационного распухания.) Для стержней СУЗ реактора типа БН-1800 эти факторы не будут являться критическими и не повлияют на перемещение стержней в процессе эксплуатации и во время транспортных операций в реакторе.
Прочностные свойства. В плане сохранения прочностных свойств при облучении, работоспособность стали ЭП-450 подтверждается результатами испытаний на растяжение и ударный изгиб материала чехла ТВС Ц-6 реактора БН-350 [18], который облучался до повреждающей дозы -130 сна при температурах 380-420 С (см. раздел 4.2.3).
Технологичность. Послерадиационные исследования материала хвостовиков [6] опытных стержней A3 и PC реактора БН-600 с наработкой ресурса -502 эфф. суток в целом подтвердили удовлетворительные технологические свойства ЭП-450. Выявленные (в том числе и на необлучённых образцах) микротрещины технологического характера в теле сварных швов в сварных соединениях чехловых труб с концевыми деталями (шарнир, наконечник), по мнению исследователей, не могут заметным образом повлиять на работоспособность сварных соединений [6].
Сталь ЧС-68 х. д. Работоспособность стали ЧС-68 х. д. к настоящему времени обоснована результатами эксплуатации и послерадиационных исследований твэлов с оболочкой из этой стали, облучённых в составе опытных ТВС Ц-63 реактора БН-600 до дозы 87,5 сна [62, 63] и опытных стержней СУЗ реактора БН-600 [6].
Стойкость к распуханию. Проведённые расчётные оценки показали, что, при облучении до повреждающей дозы 44 сна, максимальное распухание оболочек ПЭЛ стержня PC реактора БН-1800 составит 0,52%. При расчёте использовалась следующая температурно-дозовая зависимость [7]:
В подразделе приведены результаты теплогидравлического расчёта сборки стержня PC реактора типа БН-1800. Рассчитывался набор стационарных состояний системы с учётом изменения компоновки «сердечник-оболочка» из-за распухания поглотителя.
Из полученных результатов расчётов наиболее показательными являются данные по распределениям температур в поглотителе и оболочках ПЭЛ, представленные на рис. 39-41. На рисунках 36 и 37 видно, что ухудшение теплообмена поглотителя с оболочкой за счет исчезновения подслоя натрия повышает уровень температур сердечника. Радиальный перепад температур в поглотителе обуславливает неравномерность распухания сердечника.
