(P), температуры внешней поверхности (T)

Федеральное государственное унитарное предприятие
ОКБ «Гидропресс»
В.П. Семишкин, В.В. Пажетнов, Е.А. Фризен,
ФГУП ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск,
В.Д. Локтионов,
МЭИ, Москва
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ
КОРПУСА ВВЭР
В ТЯЖЕЛОЙ АВАРИИ
2007
1
АЭС-2006
АЭС Белене
Управление запроектной аварией для
предупреждения ее опасного развития и
ограничения последствий, включая аварию с
тяжелым повреждением или плавлением активной
зоны.
EUR: in-vessel debris cooling
The Designer shall evaluate the possibility that
the design can support a technical demonstration
that, while collected in the vessel bottom, the
molten core can be cooled by external flooding of
the vessel walls and the vessel structure is not
breached by the corium at any stage of the
accident.
2
Исследовательские программы
VIP - Vessel Investigation Project (OECD).
LHF and OLHF Projects (Sandia, USA).
CORVIS-PSI (Switzerland)
FOREVER - experiments (the Royal Istitute of Technology,
Sweden).
INVECOR – CEG – SAM project (Kurchatov, Kazakhstan)
и др.
3
Постановка задачи
В процессе тяжелой аварии (ТА) в реакторах типа ВВЭР при
длительной потере охлаждения активной зоны (АЗ) возможно
перемещение и накопление расплавленных фрагментов АЗ в нижней
части корпуса реактора. В этом случае корпус реактора играет роль
основного барьера на пути распространения радиоактивных
материалов за его пределы, а характер его деформирования и
разрушения
определяющим
образом
влияет
на
протекание
последующих фаз ТА. Поэтому, анализ целостности корпуса реактора в
условиях ТА, когда происходит частичное или полное разрушение
активной зоны (АЗ), является ключевым при обосновании безопасности
РУ с ВВЭР и, в частности, при исследовании возможности
внутриреакторного удержания расплава разрушенных материалов
активной зоны («in–vessel» проблема) .
Взаимодействие расплавленных фрагментов АЗ с корпусом
реактора при ТА представляет собой достаточно сложный процесс,
сопровождаемый нагревом и плавлением стенки корпуса, а нагрев
корпусной стали свыше 600 0С приводит к существенному снижению ее
прочностных характеристик и доминированию деформаций ползучести
при ее деформировании.
4
Математическая модель
T(M, t )
 [ (T)T(M, t )],
t
если T  Tsolidus
c s (T)

d

c eff (T)  c s (T)  c l (T)(1  )  L
если Tsolidus  T  Tliqidus
dT

если T  Tliqidus
c l (T)
c eff (T)(T)
  {  [ 12 T T T  (Q   c p 
V
T
)T]dV   qTdS   12 (T  Tenv ) 2 dS}
t
Sq
S
 ce  G ()Ф( 0e , T )
'
D



II
  L G () A c exp(   )sh

T
B(T )
5
Рис. 1 – Схема оплавления полюса днища корпуса ВВЭР–440
6
Рис. 2 – Схема оплавления цилиндрической обечайки корпуса ВВЭР–440
7
t,
ч
1x10
5
1x10
4
1x10
3
Vessel Rupture Time (h)
T=923 K, dH=15mm
1073 K, dH=15mm
923 K, dH=20mm
1073 K, dH=20 mm
S=650 mm
1x102
1x101
1x10
1x10
0
S=1500 mm
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
P, МПа
Рис. 3 – Зависимость времени разрушения (t) корпуса ВВЭР–440 от величины
избыточного давления (P) при различных значениях температуры внешней
поверхности (T), минимальной остаточной толщины (dH) и размера зоны
оплавления (S) днища корпуса
8
dZ,
мм
400
T=923 K, dH=15mm
1073 K, dH=15mm
923 K, dH=20mm
1073 K, dH=20 mm
350
300
250
200
150
S=650 mm
S=1500 mm
100
0.2
0.4
0.6
0.8
1
P, МПа
Рис. 4 – Зависимость вертикального перемещения днища (dZ) корпуса ВВЭР–
440 от величины избыточного давления (P) при различных значениях
температуры внешней поверхности (T), минимальной остаточной толщины
стенки (dH) и размера зоны оплавления (S) днища корпуса
9
t,
1x10
6
ч
1x10
5
1x10
4
1x10
3
T= 923 K
Vessel Rupture Time (h)
Hs= 100 mm
Hs= 250 mm
dH=15 mm
dH=20 mm
1x102
T= 1073 K
1x101
1x10
0
dH=15 mm
1x10
-1
dH=20 mm
1x10
-2
P, МПа
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Рис. 5 – Зависимость времени разрушения (t) корпуса от величины избыточного
давления (P) при различных значениях температуры внешней поверхности (T),
остаточной толщины (dH) и размера зоны оплавления (dH) стенки корпуса
10
140
dZ,
мм
Hs= 100 mm
Hs= 250 mm
120
T=1073K, dH=20 mm
100
T=1073K, dH=15 mm
80
60
T=923K, dH=20 mm
T=923K, dH=15mm
40
P, МПа
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Рис. 6 – Зависимость вертикального перемещения днища (dZ) корпуса ВВЭР–
440 от величины избыточного давления (P) при различных значениях
температуры внешней поверхности (T), минимальной остаточной толщины
(dH) и размера зоны оплавления (dH) стенки корпуса
11
t,
1x10
5
Stenka: Hs=250,dH=15mm
Dno: S=1500, dH=15mm
Dno: S= 650, dH=15 mm
ч
1x10
4
1x103
1x10
T= 923 K
2
1x101
1x10
0
T= 1073 K
1x10-1
1x10
-2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
P, МПа
Рис. 7 – Зависимость времени разрушения корпуса ВВЭР–440 от величины
избыточного давления (P), температуры внешней поверхности (T), остаточной
толщины (dH) и размера зоны оплавления днища (схема «Dno») и
цилиндрической стенки (схема «Stenka»)
12
dZ,
мм
400
Stenka: Hs=250mm, dH=15mm
Dno: S=650mm, dH=15mm
Dno: S=1500mm, dH=15mm
300
200
100
T=923 K
T=1073 K
0
P, МПа
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Рис. 8 – Зависимость вертикального перемещения днища корпуса ВВЭР–440
от величины избыточного давления (P), температуры внешней поверхности
(T), остаточной толщины (dH) и размера зоны оплавления днища (схема
«Dno») и цилиндрической стенки (схема «Stenka»)
13
Выводы
1) С точки зрения продолжительности сохранения целостности
корпуса при ТА наиболее критичным оказался случай, когда
зона максимального оплавления находится на цилиндрической
части корпуса. В этом случае, с увеличением температуры
стенки корпуса значение времени до разрушения корпуса
существенно превышает соответствующие значения для случая
расположения зоны оплавления на днище корпуса;
2) температура внешней поверхности стенки корпуса
определяющим образом влияет на время, в течение которого
корпус сохраняет целостность. Увеличение температуры
внешней поверхности корпуса с 923 до 1073 К уменьшает время
до разрушения в 1000 раз в случае расположения зоны
оплавления на цилиндрической части корпуса, и более чем в 20
раз в случае оплавления днища корпуса;
14
3) увеличение избыточного давления в корпусе от 0.2 до 1 МПа
приводит к уменьшению времени до разрушения корпуса в
~1000 раз;
4) целостность корпуса на временной базе 10ч при температуре
внешней стенки корпуса не выше 1073 К в случае оплавления
цилиндрической части корпуса с остаточной толщиной не менее
15 мм можно обеспечить при уровне избыточного давления не
выше 0.3 МПа. В случае расположения зоны оплавления на
днище корпуса величина уровня давления в корпусе не должна
превышать 0.6 МПа при этих же условиях;
5) величина вертикального перемещения днища корпуса в
случае оплавления днища корпуса в ~1.5—3 раза превышает
соответствующий показатель для случая расположения зоны
оплавления на цилиндрической части корпуса.
15
Вертикальное перемещение днища при его оплавлении
варьируется в диапазоне 150—300 мм, причем, большие
значения этого показателя соответствуют более высоким
значениям температуры стенки корпуса. С увеличением
размеров
зоны
оплавления
величина
вертикального
перемещения днища корпуса имеет тенденцию к увеличению;
16
Постановка задач новых исследований (1)
1. Выполнение расчетов по выбору и обоснованию
аварийных сценариев тяжелой аварии.
2. Разработка программ испытаний
масштабных
моделей корпусов.
3. Разработка и создание экспериментальной установки
для испытания масштабных моделей (до ~1:5) нижней
части корпуса ВВЭР в условиях, соответствующих ТА
в ВВЭР. Изготовление масштабных моделей нижней
части корпуса ВВЭР. Материал и технология
изготовления моделей, а также их термообработка
должны соответствовать условиям аналогичным при
производстве штатных корпусов ВВЭР.
4. Проведение масштабных экспериментов на моделях
корпуса ВВЭР в условиях высокотемпературного
нагрева и ползучести корпуса.
17
Постановка задач новых исследований (2)
5. Математическая обработка и анализ масштабных
экспериментов, выполнение численных пред- и посттестовых
прочностных
анализов
масштабных
экспериментов с моделями корпуса с помощью
отечественных кодов ATM-VVR и известными
коммерческими
кодами
MSC.Marc,
ANSYS/Mechanicall, MELCOR, RELAP/SCDAP.
6. Испытания на ползучесть образцов корпусной стали
ВВЭР на временной базе свыше 30 часов при
температуре свыше от 700оС до 1300оС с целью
получения данных для уточнения определяющей
модели ползучести и кратковременных механических
характеристик этой стали, а также для построения
уравнений механического состояния в связанной
постановке.
18
Постановка задач новых исследований (3)
7. Построение
уравнений механического состояния
материала
корпуса
реактора
по
результатам
высокотемпературных испытаний образцов.
8. Выполнение численных пред- и пост-тестовых
расчетов термического и деформированного состояния
моделей корпуса ВВЭР при развитии ТА с помощью
термомеханических расчетных кодов MSC.Marc и
ANSYS/Mechanical.
19
Спасибо за внимание
20