Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Диссертационная работа:

Болдырев Андрей Викторович. Моделирование высокотемпературного деформирования и разрушения окисленных защитных оболочек твэлов в условиях запроектной аварии : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 05.13.18 Москва, 2005 145 с. РГБ ОД, 61:05-1/1337

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Изменения, происходящие в твэлах, виды разрушения при авариях и анализ
подходов к моделированию этих явлений 10

  1. Тепловыделяющие элементы современных АЭС 10

  2. Процессы, происходящие в твэлах 12

1.2Л Процессы в топливе 13

  1. Процессы в оболочке твэла 15

  2. Влияние тепловыделяющей сборки на состояние твэлов 19

1.3 Разрушение твэлов при аварии 21

  1. Разрыв оболочки вследствие вздутия 22

  2. Разрушение в результате термического удара при повторном заливе 23

  3. Разрушение внешнего оксидного слоя жидким цирконием 25

1.4 Моделирование деформационного поведения твэлов 26

Глава 2. Модель напряженно-деформированного состояния окисленной циркониевой
защитной оболочки 29

  1. Факторы, влияющие на поведение оболочки в условиях аварии 29

  2. Основные соотношения модели .": 30

  1. Основные положения и допущения Л 30

  2. Напряженно-деформированное состояние ячейки окисленной оболочки твэла 33

  3. Изменение размеров слоев вследствие окисления 40

  4. Растрескивание оксидного слоя 42

  5. Разрушение оболочки твэла , 45

  6. Механические свойства материала оболочки твэла 47

  1. Фазовый состав 47

  2. Упругие свойства 50

  3. Термические деформации 51

  4. Ползучесть металлических фаз 55

  5. Прочность диоксида циркония 57

  6. Предельная окружная деформация при разрыве 58

  1. Реализация модели в виде компьютерного кода 59

  2. Тестирование модели 62

  1. Эксперименты с избыточным внутренним давлением 62

  2. Окислительные эксперименты 67

Глава 3 Анализ и моделирование поведения окисленной циркониевой оболочки в условиях
повторного залива 70

3.1 Анализ и моделирование мелкомасштабных экспериментов 70

  1. Методика проведения испытаний 70

  2. Основные экспериментальные результаты 72

  3. Интерпретация экспериментальных результатов 77

  4. Дополнение базовой модели деформирования 82

  5. Моделирование экспериментов 89

3.2 Анализ и моделирование интегральных экспериментов QUENCH 91

3.2.1 Экспериментальная установка QUENCH и методика проведения испытаний 92

! 3.2.2 Интегральный тест QUENCH-01 93

  1. Методика проведения испытаний и основные результаты 93

  2. Моделирование поведения центрального стрежня в условиях интегрального теста QUENCH-01 95

3.2.3 Интегральный тест QUENCH-04 100

  1. Методика проведения испытаний и основные результаты 100

  2. Моделирование поведения центрального стрежня в условиях интегрального теста QUENCH-04 103

Глава 4 Анализ и моделирование поведения окисленной оболочіси в условиях плавления

металлической фазы 107

4.1 Анализ и моделирование мелкомасштабных экспериментов FZK 107

  1. Методика проведения испытаний и основные результаты 108

  2. Интерпретация экспериментальных результатов 117

  3. Результаты моделирования 119

» 4.2 Анализ и моделирование мелкомасштабных экспериментов АЕКІ (Венгрия) 126

  1. Экспериментальная установка и методика проведения испытаний 126

  2. Результаты моделирования 128

  3. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов 130

Заключение 133

Список литературы 135

Приложение 1 144

Введение к работе:

В настоящее время при наличии большого числа проектов источников энергии, альтернативных атомной энергии, реально можно рассматривать лишь тепловые станции, работающие на природном газе, продуктах переработки нефти к угле. Только они могут обеспечить то количество электроэнергии, которое необходимо для поддержания достигнутого уровня современного индустриального общества. Внедрение энергосберегающих технологий, возможно, позволит на некоторое время отодвинуть проблему наращивания производства электроэнергии. Но так или иначе, дальнейшее развитие производства в индустриальном обществе, сопровождающееся постоянным ростом населения планеты, неизбежно потребует увеличения производства электроэнергии. В 2002 г. 20% электроэнергии, потребленной в США, и 17%, потребленной в мире, было произведено на атомных электростанциях [1]. В ближайшие десятилетия эксперты предсказывают 75% рост электропотребления. В первую очередь это коснется развивающихся стран и будет сопровождаться ростом экономики и социальным прогрессом.

Будущее нефтегазовой энергетики даже при использовании современных научно-технических достижений, позволяющих увеличить КПД, неизбежно лимитировало тем, что запасы нефти и газа ограничены. Даже по самым оптимистичным прогнозам это максимум 100 лет [2]. Запасы угля в несколько раз больше, но при этом отсутствуют технологии эффективной переработки угля для замещения возможностей нефти и газа. При этом стоимость добычи ископаемого топлива неуклонно растет и может быть подвержена не только технологическим, но и политическим влияниям.

Не стоит также забывать, что сжигание углеводородов даже с использованием самых последних технологий создает значительные экологические проблемы. Например, одна ТЭС мощностью 1000 МВт, работающая на угле с содержанием серы около 3,5 %, выбрасывает в атмосферу 140 тыс. т сернистого ангидрида в год, из которого образуется около 280 тыс. т серной кислоты [3]. Кроме того, как считают большинство ученых, именно выбросы двуокиси углерода, неизбежные спутники использования ископаемого топлива, являются одним из основных факторов глобального потепления. По мнению экспертов в ближайшем будущем введение квотирования на выбросы двуокиси углерода просто неизбежны, при этом производство электроэнергии на атомных электростанциях (АЭС) получает дополнительные экономические преимущества. Сегодня средняя стоимость производства одного кВт/ч электроэнергии в США на АЭС с водо-водяным реактором составляет 6,7 центов, на угольной электростанции (с пылевидным топливом) - 4,2 цента, на электростанции, использующей природный газ - 3,8/4,1/5,6 цента (для низкой/средней/высокой стоимости газа) [1]. Введение налога на выброс в атмосферу двуокиси углерода в размере 200 долларов

5 США за тонну практически не скажется на себестоимости электроэнергии, производимой на АЭС, тогда как для угольной электростанции она составит уже 9,0 центов, а для электростанции на природном газе - 5,9/6,2/7,7 центов, соответственно [1].

Современное состояния российской энергетики можно охарактеризовать как окончание времени дешевых эпергоресурсов [4]:

В настоящее время добыча нефти стабилизировалась на уровне ~ 300 млн т/год. Снижение нефтедобычи связано с объективным процессом качественного ухудшения сырьевой базы отрасли. Степень выработки рентабельных запасов на разрабатываемых месторождениях страны достигла 53 %. Основные нефтегазовые районы вышли на последние стадии разработки с падающей добычей. Начальный ресурсный потенциал "новых" нефтегазоносных месторождений в несколько раз меньше "старых11. Сегодня открываются в основном мелкие и средние месторождения, расположенные вдали от существующей инфраструктуры. Доля трудноизвлекаемых запасов достигла - 60 % и продолжает расти.

Базовые газовые месторождения Западной Сибири, обеспечившие в 1999 г. 72 % добычи газа в России, преждевременно вышли па стадии 600 млн т/год с падающей добычей и выработаны более чем наполовину: Медвежье - на 78 %, Уренгойское - на 67 %, Ямбургское - па 46 %. К 2020 г, добыча газа на этих месторождениях не превысит 83 млрд м\ что составляет лишь 14 % нынешней добычи в России, Для поддержания лишь сегодняшних объемов добычи необходимо, как минимум, трехкратное увеличение инвестиций для развертывания освоения добычи газа на Штокмаповском и Ямальском месторождениях.

Сложившаяся ситуация усугубляется тем, что сегодня энергетика России находится в инвестиционном и структурном кризисе [4]:

Инвестиционный кризис. Объем годовых инвестиций за годы реформ снизился почти в 4 раза, что создает угрозу энергетической безопасности России из-за старения основных фондов. Только в газовой отрасли необходимые инвестиции до 2020 г, оцениваются в 90 - 100 млрд дол., в то время как в настоящее время здесь ежегодно осваивается лишь около 3 млрд дол. капитальных вложений.

Структурный кризис. Доля газа в топливно-энергетическом балансе превысила пределы допустимого уровня энергетической безопасности. При общей доле газовой составляющей в электроэнергетике ~ 65 %, в европейской части - 73 % и более.

Если учесть, что платежеспособный внутренний спрос на газ при ценах, достаточных для самофинансирования газовой отрасли, практически не достижим* то, очевидно, что для оздоровлешш российской экономики необходима дегазификация электроэнергетики, которая

может быть осуществлена на основе атомной энергетики, Принимая во внимание высокий потенциал атомной отрасли России, в которой, в отличие от практически всех высокотехнологичных отраслей бывшего СССР, удалось сохранить организационное единство, кадровый потенциал и высокую наукоемкость [3], дальнейшее развитие атомной энергетики представляется одной из необходимых составляющих развития экономики России, гарантией её экономической и политической независимости. Более того, Россия имеет вес шансы на увеличение экспортного потенциала: электроэнергии, реакторов третьего поколения, ядерного топлива.

В современных условиях основным условием развития атомной энергетики становится решение взаимосвязанных задач экологии» экономической эффективности и безопасности существующих и разрабатываемых ЛЭС и технологий топливных циклов.

Одним из направлений обеспечения безопасности существующих и проектируемых АЭС является компьютерное моделирование процессов и явлений, происходящих как при нормальной эксплуатации, так и в случае аварийных режимов. При этом все аварии делятся па проектные и запроектные. Под проектной понимается авария, для которой проектом определены исходные события и конечные состояния. Предусмотрены системы безопасности, обеспечивающие, с учетом принципа единичного отказа системы безопасности или одной независимой от исходного события ошибки работников (персонала), ограничение ее последствий установленными для таких аварий пределами. Таким образом, для проектных аварий предполагается определенный порядок мер безопасности, обусловленный начальными условиями, который позволяет свести последствия аварии к известному пределу. Для запроектных существует лишь последовательность исходных событий, например, разрыв трубопровода первого контура или остановка насосов первого и второго контуров. Конечное состояние не известно и может сопровождаться дополнительными, по сравнению с проектными авариями, отказами системы безопасности сверх единичного отказа, реализацией ошибочных решений работников (персонала) и изменяться в зависимости от последовательности и характера мер, принимаемых к ликвидации аварии,

Предполагается, что вероятность запроектной аварии очень мала, поэтому основное внимание уделяется расчетам и проверкам проектных аварий. Несмотря па очень малую вероятность* самые известные и драматические по своим последствиям аварии па АЭС "Три-Майл-Айленд" (1979 г.) в США и Чернобыльская катастрофа в СССР (1986 г.) были запроектными. В первом случае произошло расплавление примерно половины активной зоны водо - водяного энергетического реактора при удержании расплава внутри корпуса

7 реактора, но сопровождавшееся выбросом в атмосферу газообразных продуктов деления. Во втором случае канальный реактор и весь энергоблок были пошгостью разрушены.

Авария на АЭС "Три-Маил-Айленд" заставила обратить внимание на класс запроектных аварий водо-водяпых корпусных реакторов, названных авариями с потерей теплоносителя. Развитие аварии начинается с осушешш активной зоны реактора, сопровождающегося падением давления в первом контуре. Уменьшившийся теплосъем с поверхности тепловыделяющих элементов (твэлов) и продолжающееся остаточное тепловыделение приводят к разогреву твэлов, Повышение температуры твэлов и интенсивное парообразование приводят к экзотермическому окислению оболочек твэлов, изготавливаемых из сплавов циркония, что приволит к дальнейшей эскалации температуры. Для предотвращения перехода закритической аварии в тяжелую стадию предусмотрен повторный залив частично осушенной активной зоны реактора резервным запасом воды. При этом, в зависимости от начальных условий, причин аварии и скорости подачи резервной воды, возможно как охлаждение, так и продолжающаяся эскалация температуры активной зоны. Так же не исключена и комбинация этих процессов, когда нижняя часть активной зоны будет остывать, а верхняя продолжать разогреваться, например, из-за разрушения нижней части активной зоны вследствие теплового удара и блокировки проходного сечения для поступления теплоносителя к верхней части.

В случае интенсивного охлаждения нагретых и окисленных циркониевых оболочек твэлов происходит тепловой удар, который может привести к сквозному растрескиванию окисленных оболочек или даже к фрагментации твэлов и образованию лома. Если растрескивание происходит при высоких температурах, то оно сопровождается интенсивным окислением берегов сквозных трещин и образованием водорода.

В случае продолжающегося роста температуры активной зоны начинается плавление металлических фаз циркониевых оболочек твэлов. Жидкий металл начинает растворять топливные таблетки н внешний слой оксида, который, имея более высокую температуру плавления, удерживает жидкий расплав от стекания и препятствует его непосредственному контакту с водяным паром и, следовательно, интенсивному окислению. После разрушения внешнего оксидного слоя и стекания расплава с некоторого критического числа твэлов формируется объединенный расплав, который под действием силы тяжести начинает перемещаться вниз, растворяя встречающиеся на его пути элементы активной зоны, интенсивно окисляясь и приводя к дальнейшей эскалации температуры к генерации водорода.

Одной из наибольших угроз с точки зрения безопасности является генерация водорода при повторном заливе. В случае перемешивания водорода с воздухом, например, из

реакторного зала, водород может образовать детонационную воздушно-водородную смесь, которая может взорваться от случайной искры или раскалённого элемента активной зонын

В случае Чернобыльской катастрофы именно взрыв воздушно-водородной смеси, последовавший за тепловым взрывом и похожий па взрыв "вакуумной" бомбы, полностью разрушил 4-ый блок ЧАЭС. Из-за опасения взрыва водорода в случае аварии па АЭС "Три-Майл-Айлснд" было принято решение постепенно стравливать во внешнюю атмосферу скопившийся в результате аварии водород, несмотря на опасность радиационного загрязнения прилегающей местности.

Таким образом, можно видеть, что высокотемпературное поведение твэлов, составляющих основную часть активной зоны, оказывает значительное влияние как на протекание запроектной аварии, так и на финальное состояние активной зоны реактора.

В представленной работе анализируются и моделируются особенности механизмов механического деформирования и разрушения циркониевых оболочек твэлов водо-водяных энергетических реакторов в условиях занроектной аварии с потерей теплоносителя и повторным заливом перегретой активной зоны. Рассматриваемые сценарии протекания аварии предполагают значительное окисление разогретых циркониевых оболочек твэлов из-за интенсивного парообразования частично осушенной активной зоны, нагрев окисленных твэлов выше температур плавления циркониевых сплавов, быстрое охлаждение перегретых твэлов.

Диссертация состоит из четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. В первой главе рассмотрены изменения, происходящие в твэлах в процессе эксплуатации, и их возможное влияние на поведение в условиях запроектной аварии. Также в первой главе рассматриваются существующие подходы к компьютерному моделированию деформационного поведения оболочек твэлов. Во второй главе представлены: анализ основных факторов, влияющих на поведение оболочки в условиях аварии; подробное описание базовой модели напряженно-деформированного состояние окисленной защитной оболочки и ее реализация в виде компьютерного кода; результаты тестирования разработанного кода на экспериментах с избыточным внутренним и внешним давлением в условиях инертной и окислительной среды. В третьей главе приводятся анализ результатов мелкомасштабных экспериментов, моделирующих условия повторного залива, и дополнения модели деформирования, позволяющие учесть особенности механического поведения окисленной оболочки в этих условиях. Далее в главе приведены результаты сравнения расчетного механического поведения одиночного стержня-имитатора в модельной сборке с данными, полученными из интегральных экспериментов. Четвертая глава описывает результаты исследований по изучению разрушения внешнего оксидного слоя окисленной

оболочки при взаимодействии с жидким цирконием и дополнения, внесенные в модель деформирования для учета установпенных особенностей механического поведения. Здесь же представлены результаты моделирования разрушения внешнего оксидного слоя жидким цирконием в условиях инертной и окислительной среды. В заключении представлены основные результаты работы. Приложение описывает решение нелинейной системы определяющей напряженно-деформированное состояния расчетной ячейки оболочки твэла.

Подобные работы
Демидов Алексей Вячеславович
Оптимизация методов спектрального моделирования процессов деформирования полимерных материалов
Красновский Евгений Ефимович
Математическое моделирование пластического деформирования материала с учетом анизотропии и разносопротивляемости
Моисеева Валерия Евгеньевна
Численное моделирование нелинейного деформирования составных оболочек вращения при неосесиметричном термосиловом нагружении
Куканов Николай Иванович
Математическое моделирование процессов деформирования пластин и пологих оболочек методом граничных интегральных уравнений
Аршинов Георгий Александрович
Математическое моделирование и численный анализ квазистатических и волновых процессов деформирования нелинейных вязкоупругих конструкций
Гусев Алексей Сергеевич
Математическое моделирование динамических характеристик растворов и расплавов линейных полимеров и их смесей в различных режимах деформирования
Кашеварова Галина Геннадьевна
Математические модели деформирования и разрушения системы "здание-фундамент-основание" и вычислительные технологии оценки безопасных проектных решений
Никонов Сергей Михайлович
Анализ эффективности дополнительной системы пассивного залива активной зоны в условиях аварии с большой течью
Пономаренко Игорь Степанович
Учет вероятностного характера изменения нагрузок при моделировании процессов развития аварий в электрических системах
Киселев Аркадий Евгеньевич
Моделирование внутрикорпусной стадии запроектной аварии и создание программного комплекса для анализа безопасности водо-водяных энергетических реакторов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net