Введение к работе
з
Актуальность темы. Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года», планируется увеличение роли атомной энергетики в решении энергетической проблемы Необходимость исследования фреттинг-коррозии твэлов атомных энергетических водо-водяных реакторов определяется повышением технических и эксплуатационных характеристик новых проектов атомных электростанций (АЭС), тепловыделяющих сборок (ТВС) Как показывает практика, старение эксплуатирующихся реакторов в ряде случаев приводило к увеличению количества поврежденных фреттинг-коррозией ТВС, экономическим потерям от недопоставки электроэнергии вследствие простоя реактора для досрочной выгрузки поврежденного топлива, а также из-за значительной стоимости ТВС (около 0,5 млн долл за штуку) Практической задачей конструирования новых ТВС является расчетно-экспериментальное обоснование устойчивости ТВС к фреттинг-коррозии Для этого необходимы оценки динамических свойств ТВС и гидродинамических нагрузок на ТВС, определение распределения скоростей течения и пульсаций давления теплоносителя в активной зоне реактора и параметров гидродинамической вибрации внутрикор-пусных устройств, ТВС и тепловыделяющих элементов (твэлов) и др
Решение задачи осложняется труднодоступностью объекта исследований вследствие высокой плотности нейтронного потока, значительных температуры и давления теплоносителя в реакторе, малоизученное трибологии нетрадиционных для машиностроения циркониевых сплавов и условий их работы Сложность протекающих процессов требуют привлечения знаний материаловедения, теории колебаний, физики, химии, гидродинамики, механики и других наук Несмотря на относительно высокие достигнутые на сегодня показатели надежности ТВС, фреттинг-коррозия оболочек твэлов в узлах сопряжения с дистанционирующими решетками (ДР) до сих пор остается одной из основных причин повреждения ТВС водоводяных энергетических атомных реакторов и объектом современных исследований
4 Цель диссертационной работы. Получение экспериментальных результатов, необходимых для экспериментального и расчетного обоснования износостойкости ТВС
Проблема включала
анализ процесса фреттинг-коррозии и постановку задач исследований,
разработку методики испытаний фрагментов узла сопряжения «твэл-ДР» на фреттинг-коррозию и получение экспериментальных результатов для оценки влияния конструкционных, эксплуатационных и технологических факторов на стойкость к фреттинг-коррозии узла сопряжения «твэл-ДР» циркониевой ТВС,
разработку методики исследований и экспериментальное определение коэффициентов износа (фреттинг-коррозии образцов конструкционных материалов) циркониевого сплава Э110 (цирконий +1 0 % ниобия) и нержавеющей стали 08Х18Н10Т в условиях, приближенных к штатным,
разработку методики частотного анализа твэла и экспериментальное определение динамических характеристик твэлов с целью обоснования динамического подобия штатного и модельного твэла,
разработку методики исследований и получение характеристик трения и жесткости ТВС при поперечном изгибе сосредоточенной силой
Методы исследований, обоснованность и достоверность результатов.
Использовались экспериментальные и теоретические методы исследования для решения ряда экспериментальных задач с привлечением теорий трения, колебаний, подобия, гидромеханики, физики прочности, химии, теоретической механики Экспериментальные исследования обеспечены современными средствами измерений, методиками калибровки измерительных каналов и своевременными метрологическими поверками Использовались многолетний опыт, кадровый и технический потенциал экспериментального отделения Федерального государственного унитарного предприятия опытно-конструкторском бюро «ГИДРОПРЕСС» (ФГУП ОКБ ГИДРОПРЕСС)
5 Результаты исследований анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными результатами отечественных и зарубежных исследователей
На защиту выносятся:
системный анализ ТВС как триботехнической стержневой системы, связанной силами трения, классификация факторов, влияющих на фреттинг-коррозию оболочек твэлов, принятый комплексный подход исследований фрет-тинг-коррозии твэлов,
постановка научных, методических и инженерных задач, возникающих при решении проблемы фреттинг-коррозии Научно обоснованные технические требования к экспериментальным установкам для исследования фреттинг-коррозии оболочек твэлов, конструкционных материалов и процесса трения оболочек твэл при продольном движении твэлов относительно ДР,
методика и результаты исследований влияния конструкционных и эксплуатационных факторов на фреттинг-коррозию образцов конструкции циркониевого узла сопряжения «твэл-ДР» усовершенствованной тепловыделяющей сборки,
методика исследований образцов конструкционных материалов (циркониевый и нержавеющий сплавы) на фреттинг-коррозию Экспериментальные данные по коэффициенту износа циркониевого сплава Э110 в приближенных к штатным условиях по температуре, давлению, скорости обтекания и химическому составу теплоносителя,
результаты измерения динамических характеристик твэла,
методика и результаты исследований параметров неупругого и упругого сопротивления ТВС поперечному изгибу сосредоточенной поперечной силой
Научная новизна.
- впервые выполнен системный анализ проблемы фреттинг-коррозии уз
лов сопряжения «твэл-ДР» ТВС ВВЭР с использованием достижений триболо
гии,
сформулированы необходимые условия подобия моделей твэлов натурному твэлу, получены динамические характеристики натурных и модельных твэлов,
разработаны требования к конструкции модели твэла для исследований фреттинг-коррозии, позволяющие переносить результаты стендовых испытаний на штатную ТВС,
впервые разработана методика, создан экспериментальный стенд, получены оценки фреттинг-коррозии фрагментов штатных узлов сопряжения «твэл-ДР» циркониевых ТВС ВВЭР в стендовых условиях, приближенных к штатным (кроме радиации),
впервые разработана методика, экспериментальные установки и получены оценки коэффициентов износа образцов конструкционных материалов ТВС,
разработана методика и получены характеристики трения и изгибной жесткости ТВС при поперечном изгибе статической силой
Практическая полезность работы
экспериментально обоснована стойкость к фреттинг-коррозии фрагментов узлов сопряжения «твэл-ДР» ТВС ВВЭР-1000 с циркониевыми ДР в стендовых условиях, приближенных к штатным,
получены экспериментальные оценки коэффициентов изнашивания образцов пар штатных циркониевых и стальных материалов в приближенных к штатным условиях,
результаты исследований использованы для расчетных оценок износа твэлов и обоснования вибропрочности узла сопряжения «твэл-ДР» циркониевой ТВС,
результаты экспериментальных исследований способствовали разработке расчетной модели механизма поперечного изгиба ТВС, экспериментально определены конструкционные параметры, определяющие характеристики неупругого и упругого сопротивления ТВС поперечному изгибу, создана база
7 данных по характеристикам сопротивления ТВС поперечному изгибу сосредоточенной силой,
в течение ряда лет успешно выполнялись исследовательские работы по договорам ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» с ОАО «ТВЭЛ»,
модельные исследования подтверждены исследованиями на поврежденных фреттинг-коррозией ТВС, выгруженных из реактора
Реализация результатов исследований и рекомендаций выполнена в проектах усовершенствованной ТВС и ТВС последнего поколения «ТВС-2» А так же для верификации расчетных кодов для оценки фреттинг-коррозии, колебаний, изгиба, разработанных в ФГУП ОКБ Гидропресс, ФГУ РНЦ КИ, ГРНЦ РФ ФЭИ Методика исследований характеристик сопротивления ТВС поперечному изгибу внедрена на заводе-изготовителе ТВС Новосибирском заводе хим-концентратов (ОАО НЗХК) Методика исследований фреттинг-коррозии конструкционных материалов использована для определения коэффициента износа материалов, выбранных для парогенератора реактора на быстрых нейтронах в среде свинцового теплоносителя при 500 С, спроектированного Федеральным государственным унитарным предприятием научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им Н А Доллежаля (ФГУП НИКИЭТ) Имеются соответствующие акты внедрения
Апробация работы Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались, публиковались в трудах научно-технических конференций 2-я Всесоюзная конференция «Гидроупругость и долговечность энергетического оборудования», Каунас, 1990, Российская межотраслевая школа-семинар «Проблемы вибрационной и акустической динамики конструкций и гетерогенных сред», 23 -24 июня 2002, ФЭИ, Обнинск, Международная конференция «Нанотехнологии и их влияние на трение, износ и усталость в машинах», 14-15 декабря 2004, ИМАШ, Москва, 2004 International Meeting on LWR Fuel Performans, September 19-22, 2004, Orlando, USA, MHTTK ПАЭ-3 «Надежность и безопасность эксплуатации АЭС, Севастополь-Батилиман, 21-26 сентября 2004, AITS 2004 conference tnbology, Rome, 2004, Международный науч-
8 ный семинар «Технологические проблемы прочности», Подольский институт МІ ОУ, г Подольск, 25 июня 2004, International Symposium on the High Performance of Tnbosystem-2004, Daegu, Korea, October 2-3 rd, 2004, 4-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ФГУП ОКБ Гидропресс, г Подольск, Россия, 2005, 2005 Water Reactor Fuel Performance Meeting, Kyoto, Japan, Oct 2-6, 2005, Top Fuel-2006, Salamanca, Spain, 2006, 5-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, Россия, 29 мая-1 июня 2007, European Conference on Tnbology ЕСОТЮВ 2007, Ljubljana 12-15 June 2007, семинар ИМАШ РАН по трению, износу и смазке, 05 07 2007
Публикации По теме диссертации, кроме материалов 14-ти вышеперечисленных конференций, опубликовано J 2 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата
Структура и объем диссертации
