Тузов Александр Александрович. Расчетное обоснование работоспособности стержней СУЗ БН в условиях силового контакта поглотителя с оболочкой ПЭЛ

Краткое описание

Тузов Александр Александрович. Расчетное обоснование работоспособности стержней СУЗ БН в условиях силового контакта поглотителя с оболочкой ПЭЛ : Дис. ... канд. техн. наук : 05.14.03 : Обнинск, 2004 143 c. РГБ ОД, 61:05-5/1419

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
имени А. И. Лейпунского
На правах рукописи
ТУЗОВ Александр Александрович
Расчётное обоснование работоспособности стержней СУЗ БН
в условиях силового контакта поглотителя с оболочкой ПЭЛ
Специальность 05.14.03 - «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук Камаев Алексей Альфредович
Обнинск - 2004
Анализ факторов, ограничивающих ресурс стержней СУЗ реакторов БН .
1.1 Работоспособность конструкционных элементов стержней СУЗ...
1.2 Работоспособность ПЭЛ
1.3 Критерии предельного состояния
Выводы и основные результаты главы
Методический подход к расчётному обоснованию работоспособности стержней СУЗ РБН в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой ПЭЛ
2.1 Основные положения методического подхода
2.2 Постановка задачи, методика и алгоритм трёхмерного
теплогидравлического расчёта сборок СУЗ БН. Расчётный код BUMT
2.2.1 Моделирование процессов тепломассообмена в
теплоносителе в сборке СУЗ РБН
2.2.2 Конечно-разностная аппроксимация и алгоритм решения
системы разностных уравнений
2.2.3 Метод решения системы конечно-разностных уравнений
2.2.4 Расчётный код BUMT
2.3 Постановка задачи и физическая модель нагружения оболочки
ПЭЛ при её механическом контакте с поглотителем
Выводы и основные результаты главы
Верификация методики расчёта работоспособности ПЭЛ стержней СУЗ РБН в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой
3.1 Верификация теплогидравлического кода BUMT
3.1.1 Верификация на экспериментальных данных
3.1.2 Верификация на расчётных данных
3.1.3 Выводы
55
57
59
64
68
69
71
72
73
74
76
77
82
85
89
91
91
92
94
94
96
З
3.2 Верификация методики расчёта НДС ПЭЛ в условиях
механического контакта поглотителя с оболочкой
3.2.1 Силовое взаимодействие поглощающего сердечника с
оболочкой ПЭЛ стержней СУЗ реактора JOYO
3.2.2 Исходные данные для верификационных расчётов НДС ПЭЛ
при силовом контакте поглотителя с оболочкой
3.2.3 Результаты верификационных расчётов
3.2.4 Анализ результатов и рекомендации
Выводы и основные результаты главы
Глава 4 Расчётные исследования работоспособности стержней
аварийной защиты реактора БН-600
4.1 Расчётные исследования в обоснование увеличения ресурса
стержней аварийной защиты сб. 1663 реактора БН-600
4.1.1 Конструкция стержня АЗ сб. 1663 и условия эксплуатации....
4.1.2 Оценка остаточного ресурса стержней АЗ сб. 1663 при
наработке 500 эффективных суток
4.1.2.1 Расчёт выгорания поглотителя и оценка физической
эффективности стержня
4.1.2.2 Теплогидравлический расчёт стержня АЗ сб. 1663
4.1.2.3 Расчёт НДС ПЭЛ
4.1.2.4 Расчётно-эмпирические исследования работоспособности
конструкционных элементов стержня
4.1.3 Обсуждение полученных результатов и рекомендации
4.1.4 Внедрение результатов
4.2 Расчётные исследования предельного состояния стержней
аварийной защиты сб. 2637 реактора БН-600
4.2.1 Конструкция стержня АЗ сб. 2637
4.2.2 Оценка физической эффективности
4.2.3 Оценка распухания и деградации прочностных свойств
конструкционных материалов
4.2.4 Теплогидравлический расчёт стержня АЗ сб. 2637
99
102
103
104
104
105
106
107
108
109
112
114
117
117
119
121
129
135
142
4.2.5 Расчёт НДС ПЭЛ с учётом механического взаимодействия
поглотителя и оболочки
4.2.6 Обсуждение полученных результатов и рекомендации
Выводы и основные результаты главы
Глава 5 Расчётный анализ ресурсных характеристик ПЭЛ и стержней СУЗ реактора типа БН-1800
5.1 Функциональное назначение и условия эксплуатации стержней
СУЗ в активной зоне БН-1800
5.2 Выбор конструкции и обоснование работоспособности
стержней СУЗ реактора типа БН-1800
5.2.1 Конструкция стержней СУЗ реактора типа БН-1800
5.2.2 Обоснование работоспособности конструкционных
материалов и поглотителя
5.2.2.1 Распределение выгорания поглотителя по высоте ПЭЛ
стержня PC реактора БН-1800
5.2.2.2 Оценка работоспособности конструкционных материалов с учётом деградации прочностных свойств под облучением....
5.2.2.3 Теплогидравлический расчёт сборки стержня PC
5.2.2.4 Расчёт НДС ПЭЛ стержня PC
5.2.3 Обсуждение полученных результатов и рекомендации
Выводы и основные результаты главы
Заключение
Список использованной литературы
Приложение 1 Замыкающие соотношения математической модели
трёхмерного теплогидравлнческого расчёта сборки СУЗ
РБН
Приложение 2 Описание расчётных кодов BUMT и DRAKON
Приложение 3 Конструкция стержней АЗ реактора БН-600
Введение
Роль быстрых реакторов в структуре отечественной ядерной энергетики, несмотря на конъюнктурные изменения ближней перспективы, по-прежнему остается значимой. Фундаментальные свойства быстрых реакторов, а именно — способность к воспроизводству ядерного топлива и эффективному выжиганию опасных с экологической точки зрения радионуклидов, — определяют необходимость дальнейшего развития этой ядерной технологии.
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 энергоисточниками. 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) 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;
• внедрение новых материалов и конструкторских решений по стержням СУЗ
с целью увеличения ресурса;
• применение рефабрицированного поглотителя (обогащённого по изотопу
В-10 карбида бора).
История проектирования и эксплуатации стержней СУЗ отечественных и зарубежных быстрых натриевых реакторов показывает, что решение о величине назначенного ресурса стержня конкретной конструкции основывалось на результатах послерадиационных исследований опытных изделий. Величина предельно допустимого ресурса при этом прогнозировалась консервативно, с хорошим «запасом прочности».
К настоящему времени накоплен значительный опыт разработки, эксплуатации и послерадиационных исследований стержней СУЗ реакторов БН. В
v целом ясны определяющие механизмы повреждений и старения элементов
конструкции и поглощающих элементов (ПЭЛ) стержней, влияющие на их работоспособность — радиационное распухание и деградация прочностных свойств конструкционных материалов, распухание и выгорание поглотителя, механическое и химическое взаимодействие поглотителя с оболочкой ПЭЛ. В связи с этим, появилась реальная возможность на основе критериев предельного ^ состояния создать методику расчётного обоснования работоспособности как
элементов стержней СУЗ, так и самих стержней в целом, позволяющую с хорошей точностью прогнозировать фактический остаточный ресурс. Разработка подобного инструмента для расчёта работоспособности элементов стержней СУЗ является весьма актуальной задачей при создании стержней СУЗ следующего поколения с техническими характеристиками и надёжностью, полностью отвечающими перспективным технико-экономическим показателям.
♦ Основная цель диссертации заключается в создании и апробации методики
расчёта 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 следующий комплекс работ:
• на базе обобщенных данных послерадиационных исследований определены
ф 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 расчётные исследования теплогидравлики сборок СУЗ (расчёт
полей температуры поглотителя и оболочки ПЭЛ, полей давления, скорости вг
и температуры теплоносителя в сборках СУЗ РБН);
• проведены расчётные исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) ПЭЛ стержней СУЗ в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой;
• выполнены обоснование назначенного ресурса и исследования возможностей его повышения для стержней СУЗ реакторов типа БН-600 и БН-1800.
При решении этих задач разработан методический подход к расчётному обоснованию работоспособности стержней СУЗ при высоких выгораниях поглотителя; созданы методика и алгоритм трёхмерного теплогидравлического расчёта сборок стержней СУЗ БН, реализованные в компьютерном коде BUMT [28]; поставлена и решена задача взаимосогласованного теплогидравлического расчёта сборки СУЗ и термомеханического расчёта ПЭЛ в условиях механического контакта поглотителя с оболочкой в стационарных режимах эксплуатации.
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, ИРМ). Характеристика использованных методических разработок и результатов, полученных экспериментально, дана по тексту диссертации.
Полученные автором результаты расчётно-аналитических исследований, проведённых с использованием разработанной методики, были использованы при обосновании возможности увеличения ресурса штатных стержней аварийной защиты реактора БН-600, и позволили найти оптимальные проектные решения для органов СУЗ перспективного реактора типа БН-1800.
Автором выносятся на защиту:
• методика взаимосогласованного теплогидравлического и термомеханического расчёта ПЭЛ стержня СУЗ РБН в условиях силового взаимодействия поглотителя с оболочкой;
• постановка задачи, методика и алгоритм трёхмерного расчёта 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 расчётов;
• результаты расчётных исследований и рекомендации по увеличению назначенного ресурса стержней аварийной защиты реактора БН-600;
• результаты расчётных исследований по обоснованию оптимальных проектно-конструкторских решений для стержней СУЗ реактора типа БН-1800.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе рассмотрено состояние вопроса по обоснованию работоспособности стержней СУЗ РБН. Проведен анализ факторов различной природы, ограничивающих ресурс стержней СУЗ. Определены механизмы, влияющие на потерю работоспособности. Приведено описание традиционных подходов к оценке остаточного ресурса стержней СУЗ. Перечислены основные допущения, положенные в основу имеющихся методик, даны качественные оценки их точности и надёжности, определена область применения данных методик. Показано, что в условиях глубоких выгораний существенным для расчёта ресурсных характеристик стержней СУЗ является корректный учёт температурных условий эксплуатации и силового контакта «поглотитель-оболочка».
Во второй главе изложен методический подход, предлагаемый для расчёта работоспособности стержней СУЗ РБН для заданного срока эксплуатации в условиях глубоких выгораний. В рамках этого подхода представлена методика взаимосогласованного теплогидравлического расчёта сборки СУЗ и термомеханического расчёта ПЭЛ в стационарных условиях при контакте поглотителя с оболочкой. Дано описание методики и алгоритма трёхмерного теплогидравлического расчёта сборки СУЗ РБН. Приведена постановка задачи и дано описание физической модели нагружения оболочки ПЭЛ стержня СУЗ в условиях силового взаимодействия с поглотителем. Приведен краткий обзор методик расчёта и даны рекомендации по выбору расчётного кода, при использовании которой может быть решена поставленная выше задача моделирования НДС ПЭЛ.
В третьей главе представлены результаты исследований по верификации методики взаимосогласованного теплогидравлического и термомеханического расчёта ПЭЛ в условиях контакта поглотителя с оболочкой. Верификационные исследования выполнены на основе экспериментальных данных, полученных в результате послерадиационных исследований ПЭЛ стержней СУЗ японского реактора JOYO, облучённых в составе активной зоны МК-Н. 
В четвёртой главе представлены результаты расчётных исследований в обоснование продления ресурса стержней АЗ сб. 1663 и сб. 2637 реактора БН-600. В рамках этих исследований проведены трёхмерные теплогидравлические расчёты сборки, оценки выгорания поглотителя и потери физической эффективности стержня, расчёт НДС ПЭЛ с учётом вероятного контакта между поглотителем и оболочкой. Для стержня АЗ сб. 1663 также проведены прочностные расчёты наиболее нагруженных конструкционных элементов стержня с учётом деградации прочностных свойств материалов. Результаты проведённых исследований штатных стержней АЗ сб. 1663 были использованы при обосновании продления его ресурса до 500 эфф. суток. По результатам расчётных исследований модернизированных стержней АЗ сб. 2637 даны рекомендации о возможности увеличения его ресурса до 700 эфф. суток.
В пятой главе представлены результаты расчётных исследований по оптимизации проектных и конструкторских решений для стержней СУЗ перспективного реактора типа БН-1800. Даны рекомендации по конструкции и режимам работы стержней СУЗ, позволяющие обеспечить ресурс не менее 500 эфф. суток.
Автор выражает благодарность специалистам структурных подразделений ГНЦРФ-ФЭИ, специалистам Филиала Концерна РЭА «Белоярская АЭС», ФГУП ОКБМ и ГП МЗП, участвовавшим в получении и обсуждении результатов и внедрении рекомендаций диссертации в практику проектирования и эксплуатации СУЗ РБН. Особую благодарность автор выражает докторам технических наук В. В. Попову и М. Я. Хмелевскому за помощь в расчётных исследованиях.
Автор благодарен докторам технических наук, профессорам Ю. Е. Багдасарову, А. В. Жукову, Ю. И. Лихачеву и В. М. Поплавскому за ценные критические замечания, высказанные при обсуждении работы.
Особую благодарность за внимание, помощь в работе и непосредственное участие в реализации данного направления исследований автор выражает научному руководителю, кандидату технических наук А. А. Камаеву.
Автор глубоко признателен своему первому научному руководителю,
кандидату технических наук [Ю. К. Букше| за свои годы учебы в аспирантуре и первые шаги в работе под его началом.

Список литературы

Заключение
Основные результаты работы и вытекающие выводы сводятся к следующему.
1. На основании результатов проведённого анализа факторов различной природы, ограничивающих ресурс стержней СУЗ, показано, что на современном этапе развития стержней СУЗ РБН для условий глубоких выгораний существенным для расчёта ресурсных характеристик стержней СУЗ является корректный учёт последствий механического контакта распухающего поглотителя с оболочкой ПЭЛ.
2. Разработана методика расчётного обоснования работоспособности стержней СУЗ РБН для заданного срока их эксплуатации в условиях глубоких выгораний. Методика включает в себя:
• расчётную оценку физической эффективности стержней;
• расчётную оценку распухания материалов конструкционных элементов;
• прочностные расчёты конструкции стержня с учётом прогнозируемой деградации механических свойств конструкционных материалов;
• расчётную оценку работоспособности ПЭЛ в условиях силового контакта поглотителя с оболочкой с использованием методики взаимосогласованного теплогидравлического расчёта сборки СУЗ и расчёта НДС ПЭЛ.
3. Разработана методика трёхмерного теплогидравлического расчёта сборок стержней СУЗ. Методика построена на поканальной модели, учитывается межканальный обмен теплом, массой и импульсом, неоднородности параметров пучка ПЭЛ. Поканальная модель дополнена детальным расчётом распределения температуры в сердечнике и оболочке поглощающих элементов. Разработанная методика реализована в расчётном коде BUMT. Код BUMT верифицирован на результатах экспериментов, проведённых с модельными сборками на жидкометаллическом стенде ФЭИ, и на расчётных результатах, полученных по другим программам.
Поставлена задача расчёта НДС ПЭЛ стержня СУЗ РБН в стационарных режимах эксплуатации в условиях силового взаимодействия поглотителя и оболочки. Сформулированы основные гипотезы по схеме нагружения оболочки за счёт внутреннего давления, а именно — сердечник распухает изотропно, эффекты
» 
ползучести в нем отсутствуют. Выбран и адаптирован под поставленную задачу расчётный инструмент — термомеханический код DRAKON.
Проведен анализ опубликованных отечественных и зарубежных данных по зафиксированным случаям деформации и разрушения оболочки ПЭЛ в результате силового взаимодействия с поглотителем, и выбрана тестовая модель для верификации расчётной методики оценки работоспособности ПЭЛ, в основу которой положены результаты исследований ПЭЛ стержней СУЗ японского исследовательского реактора JOYO. Проведённые верификационные исследования:
• подтвердили возможность использования разработанной расчётной методики в расчётах ресурса конкретных конструкций стержней СУЗ действующих и проектируемых реакторов БН;
• позволили выбрать количественный критерий работоспособности оболочки ПЭЛ при силовом контакте с поглотителем.
По разработанной методике расчётного обоснования работоспособности стержней СУЗ выполнен комплекс расчётно-эмпирических исследований в обоснование увеличения ресурса штатных стержней АЗ сб. 1663 реактора БН-600 до 500 эфф. суток. Полученные результаты успешно внедрены на практике.
Выполнены исследования работоспособности стержней АЗ сб. 2637 реактора БН-600 при увеличении назначенного ресурса до 700 эфф. суток. Показано, что главным лимитирующим фактором является механический контакт поглотителя с оболочкой ПЭЛ. Проведены расчёты ПЭЛ в условиях контакта, и показано, что при наработке ресурса 700 эфф. суток ПЭЛ сохраняет работоспособность. Сделан вывод о возможности увеличения ресурса стержней АЗ сб. 2637 до 700 эфф. суток.
Выполнены исследования по поиску оптимальных проектных решений для органов СУЗ перспективного реактора типа БН-1800 с целью обоснования минимального ресурса в 500 эфф. суток. Предложена конструкция сборки стержней СУЗ, выбраны марки конструкционных материалов и тип поглотителя. Расчётами обоснована работоспособность конструкционных элементов и ПЭЛ стержней СУЗ реактора типа БН-1800 при заданном ресурсе эксплуатации в 500 эфф. суток. По результатам расчётов НДС ПЭЛ в условиях силового контакта поглотителя с оболочкой продемонстрирована возможность увеличения ресурса стержней СУЗ реактора типа БН-1800 до 1000 эфф. суток.