1. Параметры температурной нагрузки

5-я научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»
Медведев В.Н., Ульянов А.Н. Александр С. Киселев,
Алексей С. Киселев, А.С. Залесов, В.Ф. Стрижов
Российская академия наук
Институт проблем безопасного развития атомной энергетики
Москва
Оценка напряженного состояния защитной оболочки АЭС
при воздействии высоких температур, вызванных
горением топлива упавшего самолета
29 мая – 1 июня 2007 года, г. Подольск, ФГУП ОКБ "ГИДРОПРЕСС"
Введение
До настоящего времени такое техногенное событие, как падение самолета на
здания гермооболочки АЭС рассматривалось только в виде динамической нагрузки.
Однако практика показала, что последствия пожара, могут привести к более
разрушительным последствиям, чем непосредственно удар самолета.
Например, при столкновении аэробуса Boeing-737 со зданиями Всемирного
торгового центра (WTC1 и WTC2) их обрушение произошло спустя 56 мин и
1 ч 43 мин, соответственно, от воздействия температурной нагрузки (пожара).
Продолжительность пожара и температура горения во многом зависит от типа самолета
и количества топлива на борту.
Необходимо оценить последствия горения топлива упавшего самолета на здания
гермооболочки и определить, может ли это привести, например, к разгерметизации
защитной оболочки, нарушению целостности конструкции или ее части, выходу из строя
отдельных арматурных канатов системы преднапряжения.
В работе представлены некоторые результаты компьютерного моделирования процессов
разрушения защитной оболочки АЭС с ВВЭР при локальном разогреве фрагмента ее
наружной поверхности на цилиндре и в купольной части, который может иметь место
при возникновении пожара вблизи стенки оболочки вследствие, например, падения
самолета или терракта.
Работа включает следующие основные этапы:
1.Определение параметров температурной нагрузки
2. Построение расчетной модели защитной оболочки
3. Расчетные исследования распределения температур по сечению стенки
защитной оболочки во времени при воздействии данной нагрузки.
4. Определение НДС защитной оболочки в различные моменты времени
воздействия высоких температур при эксплуатационном и аварийном
сочетании нагрузок.
5. Анализ НДС защитной оболочки при воздействии высоких температур
вызванных горением топлива упавшего самолета
1. Параметры температурной нагрузки
Нагрузка на конструкции и оборудование, возникающая от горения топлива
упавшего самолета, должна определяться в зависимости от:
- количества топлива на борту самолета (при полной загрузке топливные
баки аэробуса Boeing-767 вмещают 90 т керосина);
- объема помещений (высота, площадь), количества и размещения проемов,
их площадь и высота;
- теплового потока в источнике.
В данном расчетном анализе температурная нагрузка принималась
консервативно в соответствии с рекомендациями [1].
При возникновении стандартного пожара в зданиях общего назначения
температура воздуха в зависимости от времени определяется по формуле:
T  345  log( 480    1)  20
где - температура воздуха, определяемая в С;
 - время от начала аварии, час.
Изменение температуры воздуха в зависимости от времени при
возникновении стандартного пожара в зданиях общего назначения
Трехмерная конечноэлементная модель защитной оболочки
АЭС с ВВЭР. Расчетная модель включает 113006 объемных
восьмиузловых конечных элементов и 122316 узлов.
Основные конструктивные особенности:
-
наличие отверстий диаметром 3 и 4 метра;
утолщения стенки оболочки в зоне этих отверстий;
закладные детали;
внутреннюю герметизирующую облицовку;
наличие внутренних и наружных слоев арматуры;
реальная трассировка арматурных канатов системы преднапряжения;
реальные значения усилий в арматурных канатах.
Сгущение конечноэлементной сетки вблизи зоны
локального разогрева
Зоны
локального
разогрева
Определение температурных полей в бетоне конструкции
Различные величины коэффициента теплоотдачи наружной и внутренней поверхности
стенки оболочки, которые зависят от температуры наружной поверхности и воздуха;
Различные величины коэффициента теплопроводности бетона, которые зависят от
средней температуры бетона в сечении элемента.
1400
200
HTC
180
T (град С)
Heat transfer coefficient [W/m^2 K]
Tem perature [oС]
1200
1000
800
600
400
200
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0
5000
10000
Tim e, [s]
15000
20000
0
5000
10000
15000
20000
Time, [s]
Зависимость температуры среды и коэффициента теплоотдачи от времени, которые
задаются в качестве параметров конвективного теплообмена на фрагменте
поверхности цилиндрической части или купола.
Изменение физико-механических характеристик бетона.
При воздействии повышенных и высоких температур, расчетные сопротивления
бетона сжатию и растяжению уменьшаются.
Коэффициенты условий работы бетона при сжатии bt и растяжении tt принимаются в
зависимости от температуры бетона и длительности ее действия. Модуль упругости
бетона, Еb, принимается с учетом коэффициента b,.
Коэф
.
Коэффициенты условий работы бетона при сжатии bt и
растяжении tt, коэффициент b при температуре бетона, оС
50
70
100
200
300
bt
1,00
0,85
0,90
0,80
0,65
tt
1,00
0,70
0,70
0,60
0,40
b
1,00
0,90
0,80
0,60
0,40
500
700
900
1000
1100
Распределение температуры в зоне локального разогрева
купольной части на моменты времени 0.27 часа (а) и 8.6 часа (b).
Распределение температуры в зоне локального разогрева
цилиндрической части на моменты времени 0.35 часа (а) и
7.4 часа (b).
STEP=1
STEP=2
STEP=3
STEP=4
STEP=5
STEP=6
STEP=7
+1200
+1100
+1000
+900
Temperature[C]
+800
+700
+600
+500
+400
+300
+200
Radius: ((X-X0)**2+(Y-Y0)**2)^0.5)
+23.8
+23.7
+23.6
+23.5
+23.4
+23.3
+23.2
+23.1
+23.0
+22.9
+22.8
+22.7
+22.6
+0
+22.5
+100
Распределение температуры по толщине в цилиндрической части (номера
шагов соответствуют моментам времени в часах: 1- 0.35, 2- 1.20, 3 – 1.82,
4 – 2.72, 5 – 3.65, 6 – 5.55, 7 – 7.40).
Трещины в бетоне через 3.05 часа:
11 –от окружных напряжений растяжения;
12 –от меридиональных напряжений растяжения;
13 –от окружных и меридиональных напряжений растяжения;
14 –от окружных напряжений сжатия;
15 –от меридиональных напряжений сжатия;
16 –от окружных и меридиональных напряжений сжатия;
17 –от окружных напряжений растяжения и меридиональных напряжений сжатия;
18 – в бетоне от меридиональных напряжений растяжения и окружных напряжений сжатия.
Трещины в бетоне через 7.4 часа:
11 –от окружных напряжений растяжения;
12 –от меридиональных напряжений растяжения;
13 –от окружных и меридиональных напряжений растяжения;
14 –от окружных напряжений сжатия;
15 –от меридиональных напряжений сжатия;
16 –от окружных и меридиональных напряжений сжатия;
17 –от окружных напряжений растяжения и меридиональных напряжений сжатия;
18 – в бетоне от меридиональных напряжений растяжения и окружных напряжений сжатия.
Результаты расчетов
Результаты исследований показывают, что для разработки
рекомендаций по назначению мероприятий, снижающих уровень опасных
последствий от воздействия повышенных и высоких температур, необходимо
выполнить детальный анализ НДС защитной оболочки, а нормативный
документ НП-010-98 «Правила устройства и эксплуатации локализующих
систем безопасности атомных станций» не в полной мере отражает
современные требования в части внешних воздействий и требует
пересмотра.
В тоже время нормы МАГАТЕ по безопасности № NS-G-3.1
«Внешние события техногенного происхождения в оценке площадки для
атомных электростанций» указывают на необходимость учета воздействий,
вызванных горением топлива самолета
Аналогичные требования указаны и в нормах МАГАТЭ № NS-G-1.10
«Design of Reactor Containment Systems for Nuclear Power Plants» и № NS-G1.5 «External Events Excluding Earthquakes in the Design of Nuclear Power
Plants».
Выводы
1. Разработанные методики и программное обеспечение позволяют
проводить анализ прочности защитной оболочки с учетом нелинейного
поведения бетона при образовании трещин вследствие воздействия
локальных полей температуры.
2. Результаты расчета показали, что при воздействии высоких температур от
горения топлива упавшего самолета защитная оболочка может потерять
несущую способность.
3. В нормах МАГАТЕ по безопасности указывается на необходимость учета
воздействий, вызванных горением топлива самолета.
4. Для учета влияния температурной нагрузки, вызванной горением топлива
упавшего самолета на защитную оболочку АЭС, в Российские нормативные
документы по безопасности необходимо внести соответствующие
изменения.