Введение к работе
Актуальность работы
Проведение экспериментов по исследованию поведения твэлов на их имитаторах или в лабораторных условиях не позволяет корректно воспроизвести реальную ситуацию, происходящую в реакторной установке. Проведение реакторных экспериментов сопряжено со значительными техническими трудностями на стадиях изготовления и лицензирования опытных твэлов, непосредственного их испытания в реакторных условиях, а также в процессе послереакторных исследований облученных образцов. Наиболее сложным является контроль состояния теплофизических и деформационных характеристик твэлов непосредственно в процессе проведения внутриреакторного эксперимента. Из-за технических сложностей и дороговизны реакторных экспериментов, число их невелико. По этой причине ограниченный объем экспериментальных данных затрудняет на их основе проводить обоснования безопасности эксплуатации твэлов в различных режимах эксплуатации и топливных циклах. Кроме того, при проведении натурного эксперимента по поведению твэлов в условиях проектных и запроектных аварий имеется лишь условное подобие условий эксперимента и ситуации в реальной реакторной установке. Разработка отдельных математических моделей и комплексных расчетных программ позволяет проводить математическое моделирование поведения твэлов во всевозможных режимах. При этом экспериментальные данные, полученные на имитаторах твэлов или в лабораторных условиях, позволяют настраивать и верифицировать математические модели, описывающие отдельные процессы, протекающие в твэлах. Незначительное количество реакторных экспериментов позволяет тестировать и верифицировать расчетные коды в целом. В связи с этим задача о комплексном моделировании процессов, протекающих в твэлах в квазистационарньгх, переходных, маневренных и аварийных режимах особенно актуальна. В последнее время обоснование работоспособности и безопасности эксплуатации твэлов проводится на основе опыта эксплуатации различных АЭС и на основе расчетного анализа. При расчетном анализе проверяется выполнение установленных критериев безопасности детерминистическими методами с использованием соответствующих аттестованных расчетных кодов, где используются самые консервативные оценки. Проведение самих расчетных обоснований должно проводиться на основе детерминистического подхода, однако в исследовательских целях и в целях обоснования той или иной степени консерватизма было бы полезным использование вероятностного подхода к анализу поведения твэлов в различных режимах эксплуатации и при различных допустимых значениях исходных параметров.
В настоящее время, в связи с увеличением срока службы и надежности твэлов, помимо проведения математического моделирования поведения теплофизических, термомеханических и прочностных характеристик твэлов и твэгов при их эксплуатации, вновь актуальным стал вопрос обоснования стойкости оболочек твэлов к фреттинг-износу. При этом, для того, чтобы разрабатывать новые конструкционные решения, требуется уделить внимание пониманию и моделированию процесса фреттинг-износа.
Изложенные выше соображения определяют актуальность темы диссертации посвященной разработке методики вероятностного подхода к анализу поведения твэлов ВВЭР при различных режимах работы реактора и созданию модели фреттинг-повреждения оболочек твэла.
Цель и задачи исследований
1. Разработка комплекса методик, алгоритмов и программных средств, позволяющих
использовать вероятностный подход при моделировании поведения теплофизических,
прочностных и надежностных характеристик твэлов энергетических реакторов типа ВВЭР
при их эксплуатации в квазистационарных, переходных и аварийных режимах.
2. Разработка модели фреттинг-коррозии оболочек твэлов ВВЭР.
Для достижения поставленной цели необходимо:
разработать методику выбора определяющих исходных параметров (ограниченный объем экспериментов не позволяет использовать методы математической статистики), задания вероятностей сочетания исходных параметров и формирование конкретных вариантов для расчета по детерминистическим программам, обработки результатов расчета и получения результатов в виде вероятностных зависимостей для изучаемых величин;
разработать по созданным методикам соответствующие программные средства для возможности проведения автоматического расчета и обработки большого объема расчетных данных;
внедрить разработанные программные средства в эксплуатацию для проведения расчетных обоснований работоспособности твэлов;
провести обзор имеющихся экспериментальных данных по фреттинг-коррозии твэлов ВВЭР;
разработать расчетно-экспериментальную модель фреттинг-повреждепия оболочек твэлов ВВЭР.
Научная новизна и практическая значимость работы В ходе решения поставленных задач в работе:
разработана новая методика вероятностного анализа теплофизического и термомеханического поведения твэлов в различных режимах эксплуатации;
на основе предложенной методики разработан расчетно-интерфейсный комплекс "База данных PULSAR", [12], позволяющий проводить как детерминистический, так и вероятностный анализ поведения твэлов в разных режимах эксплуатации по расчетным кодам PULSAR-2 , [13], и PULSAR+, [14];
проведены расчеты и получены результаты в виде вероятностных распределений изучаемых параметров реальной загрузки ВВЭР на Балаковской АЭС в случае стационарной работы реактора и при переходных (скачки мощности) режимах;
проведен вероятностный анализ максимальной проектной аварии ВВЭР с разрывом ГЦТ на входе в реактор;
проведен вероятностный анализ гипотетической аварии со всплеском реактивности;
проведен обзор имеющихся экспериментальных данных по вопросу фреттинг-коррозии оболочек твэлов ВВЭР и предложена расчетно-экспериментальная модель фреттинг-повреждения оболочки твэла ВВЭР в местах контакта с дистанционирующими решетками.
Внедрение работ
Полученные в работе результаты представляют практический интерес и востребованы разработчиками твэлов, ТВС и активных зон реакторов ВВЭР.
Разработанный расчетно-интерфейсный комплекс "База данных PULSAR" используется в настоящее время в РНЦ КИ (организация научного руководителя) при расчетном обосновании работоспособности твэлов в различных топливных загрузках и в различных режимах эксплуатации. Данные работы ведутся на основе хозяйственных договоров с ОАО ТВЭЛ.
Разработки диссертации реализованы в расчетах при обосновании безопасности работы реакторов ВВЭР 440, ВВЭР 1000, РУ АЭС-2006.
Апробация результатов работы и публикации
Основные результаты исследований докладывались на Третьем международном семинаре "WWER Fuel. Performance, Modeling and Experimental Support" (Пампорово, Болгария, 1999), на Третьей, Четвертой и Пятой Российской конференции "Методы и программное обеспечение расчетов на прочность" (Туапсе, 2004, 2006, Геленджик, 2008), на Седьмой международной конференции "WWER Fuel Performance" (Альбена, Болгария, 2007), на Международном конгрессе "ICAPP 2007" (Ницца, Франция, 2007).
В 1997 году цикл работ, выполненных с использованием программного комплекса "База данных PULSAR", был отмечен Премией им. И.В.Курчатова на конкурсе научных работ РНЦ КИ.
По теме диссертации в коллективе с автором опубликовано 17 научных трудов в виде статей в журналах, текстов докладов в сборниках трудов конференций и препринтов. Кроме того, выпущено более 10 научно-технических отчетов в РНЦ КИ.
Вклад автора в разработку научного направления
Автор диссертации принимал активное участие в разработке подходов к решению поставленных задач вместе со специалистами Отдела Прочности и Надежности института. Автору принадлежит разработка решения топологической задачи при контакте оболочек твэлов в ТВС при аварии, сопровождающейся вздутием оболочек; решение задачи об определении параметров термодинамического состояния теплоносителя при контакте его с оболочками твэлов; разработка методики вероятностного анализа поведения твэлов в различных режимах эксплуатации; решение задачи контакта оболочки твэла с пуклевками дистанционирующих решеток; решение задачи об определении частот колебаний участков твэлов, связанных с фреттинг-коррозией. Непосредственно автором разработан и реализован расчетно-интерфейсный комплекс программ "База данных PULSAR", позволяющей хранить исходные данные для твэлов и твэгов ТВС реакторов разных типов: ВВЭР, РБМК, PWR, проводить автоматический параллельный расчет по кодам PULSAR-2 и PULSAR+ на компьютерах соединенных в одну сеть, собирать результаты расчетов в одну базу данных, производить их обработку, в том числе вероятностный анализ. Программный комплекс используется в среде windows, имеет наглядный интуитивный интерфейс, позволяет получать результаты расчетов в виде таблиц, гистограмм и графиков исследуемых параметров.
Структура работы
