Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах


Юрин А.Н. (АО «НИКИЭТ», Москва, Россия)

 

Искривление циркониевой части канальных труб в РУ РБМК-1000, обусловленное формоизменением графитовой кладки, является одним из основных параметров, влияющих на работоспособность реакторной установки. Согласно внутриреакторному контролю (ВРК) и ранее проводившимся исследованиям деформирование графитовой кладки (ГК) в первую очередь вызвано растрескиванием ее графитовых блоков (ГБ). Время образования трещин и скорости их раскрытия в отдельных блоках определяют изменение геометрии кладки и, соответственно, прогибы каналов.

В настоящей работе приведен анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах и их влияние на моменты зарождения трещин и скорости их развития.

Исследование проводились в конечно-элементной постановке на базе программного комплекса ANSYS с использованием математических моделей НГР-0190 [1] и РД ЭО 1.1.2.05.0788-2009 [2].

 

Анализ поведения графитового блока при несимметричных полях флюенса в режиме работы на мощности

1.1 Оценка влияния азимутальной асимметрии поля флюенса

Несимметричный характер изменения нейтронного облучения в азимутальном направлении ГБ обусловлен главным образом тем, что окружение графитовых колонн состоит из ячеек, внутри которых размещены каналы с разными энерговыработками. Наиболее явно асимметрия полей флюенса проявляется в тех ячейках, среди окружения которых встречаются ячейки с каналами систем управления и защиты (СУЗ).

Цель проводимого исследования заключалась в оценке влияния несимметричного поля нейтронного облучения на моменты образования и величины раскрытия трещин в ГБ по отношению к симметричному. Для этого были проанализированы ячейки, которые можно разделить на три группы:

  • группа 1: ячейки, которые не имеют общих границ с ячейкой канала СУЗ;
  • группа 2: ячейки, у которых имеется одна общая грань с ячейкой канала СУЗ;
  • группа 3: ячейки, по диагонали которых расположены ячейки с каналами СУЗ.

В качестве представителей указанных групп были рассмотрены ячейки 47–63 (группа 1), 24–30 (группа 2) и 35–46 (группа 3) 1-го энергоблока Ленинградской АЭС. Для того чтобы исключить влияние перепада флюенса по высоте, в данных ячейках оценивалось растрескивание ГБ № 9, для которых уровень облучения в осевом направлении практически не изменяется. Во всех расчетах ГБ деформировались свободно, без учета силового воздействия со стороны соседних колонн. В таблице 1 приведены параметры их нагружения, соответствующие периоду проведения 4-го этапа ВРХ в 2018 году.

В ходе проведенного анализа было установлено, что в каждом ГБ азимутальная координата его магистральной трещины совпадает с азимутом, на котором флюенс имеет наибольшее значение. В таблице 2 для рассмотренных ячеек приведены результаты расчета их растрескивания.

Таблица 1

Параметры нагружения ГБ № 9 кладки ЛАЭС-1 на момент ВРХ 2018 года  при симметричных и несимметричных полях флюенса

Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах


 

Из данных, представленных в табл. 2, следует, что наименьшая разница в моментах образования и величинах подроста трещин характерна для ячеек, относящихся к группе 3, т. к. для данных ячеек распределение флюенса изначально близко к симметричному. В наибольшей мере азимутальная асимметрия сказывается на ячейках, которые имеют одну общую грань с ячейками каналов СУЗ. Динамика изменения раскрытия трещины для такой ячейки в зависимости от времени приведена на рис. 1.

Из того, как изменяется ширина трещины (рис. 1), видно, что при симметричном поле флюенса в графитовом блоке группы 2 трещина возникает несколько позже, чем при несимметричном, но впоследствии растет быстрее. При этом на 35-м году эксплуатации, градиенты роста трещины при обоих вариантах нагружения практически выравниваются (кривая № 1 становится параллельной кривой № 2), в результате чего последующие подросты за одинаковые промежутки времени оказываются сопоставимыми. Разница между величинами раскрытия к 2018 году составляет порядка 15 %.

Выводы, сделанные на основе графитовых блоков группы 2, распространяются и на ГБ группы 1 с той лишь разницей, что для ячеек, не имеющих общих границ с ячейками каналов СУЗ, из-за меньших перепадов флюенса по азимуту разница между моментами растрескивания и величинами подроста трещин проявляется еще слабее. В связи с чем, решение по использованию для прогнозирования раскрытия трещин более простой модели симметричного облучения в азимутальном направлении не окажет существенного влияния на результаты прогноза. Исключение составят лишь те блоки, у которых трещины по итогам прогноза имеют малые раскрытия (порядка 2 мм), так как при таких размерах разница в способе задания поля флюенса максимально сказывается на результатах прогноза.

Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах

Рис. 1. Раскрытие берегов трещины на внутренней поверхности  ГБ № 9 ячейки 24–30 ЛАЭС-1 в зависимости от времени: 1 – симметричное поле; 2 – несимметричное поле

 

1.2 Оценка влияния перепада флюенса по высоте графитового блока

Согласно типовому распределению флюенса по высоте графитовой колонны наиболее сильные перепады облучения характерны для крайних блоков, входящих в состав ячейки: с 1 по 4 и с 11 по 14. Для оценки влияния перепада флюенса по высоте графитового блока на моменты образования и величины раскрытия трещин рассматривался ГБ № 11, т.к. ГБ № 1–4 и 12–14 в ходе эксплуатации подвержены меньшим дозам нейтронного облучения, и, как следствие, процесс развития трещин в них происходит менее интенсивно. Для того чтобы исключить в ходе анализа влияние изменения флюенса по азимуту, ГБ № 11 был выбран из ячеек с постоянным распределением флюенса в окружном направлении (для таких блоков Ф = f (R, z)). Как было ранее отмечено к таким ячейкам относятся ячейки группы 3, по диагонали которых размещены каналы СУЗ. В качестве примера среди ячеек, входящих в группу 3, была рассмотрена ячейка 35–46 э/б № 1 ЛАЭС. Параметры нагружения ее  1-го блока на момент проведения 4-го этапа ВРХ приведены в табл. 3.

Таблица 3

Параметры нагружения ГБ № 11 ячейки 35–46 кладки ЛАЭС-1 на момент ВРХ 2018 года при постоянном и переменном поле флюенса по высоте графитового блока

Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах

 

В результате выполненных расчетов для ГБ № 11 было установлено, что при нагружении блока постоянным по высоте полем флюенса трещина возникает на 40-м году эксплуатации, к 45-му году величина ее раскрытия составляет 10,01 мм в среднем сечении ГБ. При этом ширина трещины по высоте практически постоянна, ее отклонения от среднего значения составляют порядка 5 % (табл. 4). В случае переменного поля флюенса трещина также зарождается на 40-м году и к 45-му году раскрывается до 6,71 мм в среднем сечении ГБ. При этом ее раскрытие по высоте изменяется в пределах 9 % (табл. 5).

Таблица 4

Результаты расчета для ГБ № 11 ячейки 35–46 кладки ЛАЭС-1  при постоянном по высоте поле флюенса


Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах

 


С учетом полученных результатов можно сделать вывод о том, что размеры трещин, полученные в расчетах с постоянным по высоте полем нейтронного облучения являются консервативными по отношению к размерам из расчетов с переменным полем, разница между раскрытиями к 2018 году составляет порядка 30 %. В связи с чем, для проведения более корректного прогнозирования раскрытия трещин в дальнейшем целесообразно учитывать изменение флюенса по высоте в тех ГБ, для которых характерны наиболее сильные перепады облучения в осевом направлении.

1.2 Анализ поведения графитового блока при переходных процессах (пуск-останов реактора)

Основным режимом, при котором рассматривалось поведение графитовых блоков в предыдущих разделах настоящего отчета, являлся режим работы на мощности, характеризуемый непрерывным набором ГБ флюенса в процессе их эксплуатации. В настоящем подразделе приведены результаты исследования поведения ГБ кладки реактора РБМК-1000 при переходных процессах типа: пуск – работа на мощности – останов (разогрев – облучение – расхолаживание) с учетом неравномерности поля флюенса в радиальном, азимутальном и осевом направлении  (Ф = f (R, φ, z)), и сделаны выводы о влиянии несимметричного нейтронного облучения при переходных режимах на моменты образования и величины раскрытий трещин в ГБ.

Для исследования влияния несимметричных переменных по высоте полей флюенса при переходных процессах на поведение графитовых блоков был рассмотрен ГБ № 11 ячейки 44–56 графитовой кладки энергоблока № 1 Ленинградской АЭС, граничащей с ячейкой канала СУЗ.

Анализ блока проводился в условиях свободного деформирования в диапазоне рабочих температур при работе на мощности (500–600) °С. Параметры поля флюенса, при которых проводились расчеты, соответствовали моменту проведения 4-го этапа ВРХ на э/б № 1 ЛАЭС и приведены в табл. 6.

Таблица 6

Параметры нагружения ГБ № 11 ячейки 44–56 ЛАЭС-1 на момент ВРХ 2018 года

Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах

 

Для достижения указанного флюенса были реализованы расчетные истории нагружения с 23 и 37 циклами типа разогрев – облучение – расхолаживание.  В таблице 7 и на рис. 2 приведены результаты расчетов момента образования первой эксплуатационной трещины и величины ее раскрытия с учетом разного количества разогревов и расхолаживаний реактора.

Таблица 7 

Результаты расчета ГБ № 11 ячейки 44–56 ЛАЭС-1  при непрерывном и дискретном режиме набора флюенса

 

Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах

 

Из анализа результатов, представленных в табл. 7, следует, что в ходе реализации разного количества циклов нагружения моменты образования трещин пришлись после расхолаживания ( в конце 20-го при 23-х циклах и 33-го при  37 циклах нагружения). При этом учет разогревов и расхолаживаний реактора при выполнении расчетов оказал слабое влияние на моменты образования трещин в графитовых блоках и на величины их раскрытия по отношению к расчету с непрерывным набором флюенса. Максимальная разница по времени, полученная в результате расчетов, составила 1–2 года, по раскрытию – (0,19–0,41) мм.

Это обусловлено тем, что в результате расчета с циклическим нагружением ( с учетом переходных процессов), распределение напряжений, приводящих к образованию трещины, сопоставимо с распределением, полученным из расчета с непрерывной работой блока на мощности. В качестве примера, подтверждающего данный вывод, на рис. 2 приведены графики окружных напряжений σt в точках, принадлежащих внешней и внутренней поверхностям ГБ, в зависимости от времени эксплуатации при 23 циклах нагружения и при непрерывном режиме набора флюенса.

Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах

 

Из того, как изменяются окружные напряжения в плоскости трещины (см. рис. 2), видно, что на внешней поверхности графитового блока при учете переходных процессов и при отсутствии учета их влияния значения σt практически совпадают. При этом в случае циклического нагружения на этапе расхолаживании наблюдается скачкообразный характер изменение напряжений ( в табл. 8 приведено сравнение приращений напряжений σt при расхолаживании и при наборе флюенса в рамках одного цикла).

Таблица 8

Сравнение приращений окружных напряжений σt при постоянном наборе флюенса  в рамках одного цикла и при расхолаживании

 

Анализ поведения графитовых блоков кладки РБМК-1000 под действием несимметричных полей нейтронного облучения при переходных процессах

 

Из-за скачков напряжений моменты возникновения трещин приходились на периоды переходных процессов, однако перепады не оказывают существенного влияния на время образования трещин в ГБ и на величины их раскрытия, если речь идет о длительном облучении, период которого сопоставим с периодом эксплуатации энергоблока. Вместе с тем, если говорить о краткосрочных периодах (полгода, год), то в таких случаях существенные всплески напряжений, возникающие во время расхолаживания, могут привести к более раннему появлению трещин в графите, по отношению к тем случаям, если бы энергоблок проработал без остановок. В связи с чем, частое расхолаживание на поздних стадиях эксплуатации может привести к преждевременному растрескиванию графитовой кладки.

Данные выводы, полученные при неравномерном поле флюенса (Ф = f (R, φ, z)), полностью совпадают с выводами, сделанными для графитовых блоков при симметричных полях нейтронного облучения, постоянных по высоте ГБ (Ф = f (R)).

 

Список литературы

  1. НГР-01-90. Нормы расчета на прочность типовых узлов и деталей из графита уранграфитовых канальных реакторов. 2. РД ЭО 1.1.
  2. 05.0788-2009. Руководство по расчету на прочность типовых узлов и деталей из графита реактора РБМК первого поколения.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об энергетике, электротехнике и электронике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: