(б). - Гидропресс

Федеральное государственное унитарное предприятие
ОКБ «Гидропресс»
СЕМИШКИН ВАЛЕРИЙ ПАВЛОВИЧ
Расчётно - экспериментальное
моделирование поведения твэлов и ТВС
ВВЭР в аварии «большая течь»
2007
1
Схема исследований связанной задачи твэла
(1-я термомеханическая задача)
Экспериментальные
исследования
на стендах
ОКБ «Гидропресс»
Расчётные
исследования,
построение сценариев
Испытания твэльных
трубок для построения
уравнений
механического состояния
Построение уравнений
механического состояния
Испытания твэльных
трубок для
верификации
осесимметричной задачи
Осесимметричная
модель твэла,
связанность с ТЕЧЬ-М,
ТЕМПА-1Ф и
КОРСАР/ГП1
Испытания твэльных
трубок для
верификации
трёхмерной задачи
Трёхмерная
(неосесимметричная)
модель твэла,
связанность с ТЕМПА-1Ф
Испытания БТ-2
на реакторе МИР
Приближённая
модель твэла
Экспериментальные
исследования
на стенде ПАРАМЕТР
Испытания 19 и 37
твэльных сборок
на 2-ой стадии ПА
Испытания
одиночного твэла
на 1-ой и на 1-ой+2-я
стадиях ПА
Испытания 37
твэльных сборок
при температурном
«перекосе»
Испытания 19
твэльных сборок
на 1-ой фазе ЗПА
2
Схема исследований поведения ТВС
(2-я термомеханическая задача)
Стержневая модель
ТВС
Конечно-элементная
модель ТВС
Анализ формоизменения
активной зоны
Взаимодейсвие
твэлов
с ячейками ДР
Моделирование
дистанционирующей
решетки
Взаимодействие
топливных таблеток
с оболочкой
Планируемые
эксперименты
Основы концепции
разбираемости активной
зоны после аварии
Локальные эффекты
деформирования

Испытания
модельных
ТВС на стенде
ПАРАМЕТР
Залив ТВС водой
и деформирование
при демонтаже
Алгоритм демонтажа
ТВС
Испытания
полномасштабной
ТВС на стенде
ОКБ «Гидропресс»
3
1200оС
Т1
T3
а)
о
о
3000
2000С
C
T2
б)
б)
T2
Т
T11
2 стадия
350оС
Т2
1 стадия
350оС
350оС
0
2
1
0
0
2
2
Рис. 1 Схематичное представление изменения температуры оболочки твэла
для построения сценария аварии БТ в проектной (ПА) (а) и запроектной (ЗПА) (б) авариях.
ПА: Т1=5001000оС; Т2=350850оС; Т3=3501150оС;
скорость подъёма температуре на первой стадии
продолжительность первой стадии – 30с.
ЗПА: Т1=13001400оС; Т2=17801820оС;
T /   40  120c
1  500c
Современная классификация аварий:
1) Аварии малой частоты 10-2 f  10-4  Малые течи (Ду  100мм) и др.
2) Аварии очень малой частоты 10-4 f  10-6  Большие течи (Ду  100мм) и др
3) Запроектные аварии.
4
1-ая термомеханическая задача
z
Топливный
сердечник
Осесимметричная модель твэла
Область локального раздутия
Код ТВЭЛ-3: в зависимости от структуры
используемого теплогидравлического кода и типа
дискретной
схемы
активной
зоны
P вн
рассматриваются две расчётные схемы:
- твэл разбивается на расчётные участки в
r
соответствие
с
дискретной
схемой
теплогидравлического кода; расчётные участки не
взаимодействуют друг с другом.
- твэл моделируется в целом без введения
ограничивающих
по
теплопроводности
и
Оболочка твэла
перемещениям условий взаимодействия на
границах
расчётных
участков,
т.е.
Рис. 2 Схема осесимметричного
раздутия оболочки твэла рассматривается в виде элемента конструкции
ТВС

Qc 

n
k

exp





e

R

T


c

e 
,

m
(1   )


c





  e * e .

A

Уравнение
механического
состояния
5
Построение уравнений механического состояния для
циркониевых оболочечных сплавов
T, p
T
б)
p
а)

 tmax
*
*
*
*
К системе сбора
информации
е раздутие
g)
в)
б)

Рис. 3 Диаграмма нагружения (а)
и функции изменения окружных
деформаций (б)
Рис. 4 Схема экспериментальной
установки
6
150
T=781,9 °С
80
T= 831,1 °С
T=806,8 °С
T= 851,4 °С
70
T= 871,0 °С
105
T=822,1 °С
T=844,6 °С
T= 901,0 °С
60
90
Деформация, %
Деформация, %
T=730,8 °С
T= 808,6 °С
120
а)
90
T= 806,8 °С
135
75
б)
60
45
50
40
30
30
20
15
10
0
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0
600
1200
1800
Время, с
4200
4800
120
140
160
T = 690,2 °С
T = 705,9 °С
T = 720,5 °С
T = 726,6 °С
T = 730,8 °С
70
60
50
Деформация, %
в)
Деформация, %
60
3600
80
T=702,0 °С
T=704,2 °С
T=721,4 °С
T=743,7 °С
T=750,9 °С
T=762,9 °С
T=783,1 °С
T=805,2 °С
70
3000
Время, с
90
80
2400
50
г)
40
30
40
30
20
20
10
10
0
0
0
200
400
600
Время, с
800
1000
1200
0
20
40
60
80
100
Время, с
Рис. 5 Изменение окружной деформации трубок из сплава Э110:
а) р=2 МПа; б) р=4,5 МПа; в) р=8 МПа; г) р=12 МПа.
7
Коэффициенты уравнений механического состояния
Диапазон
температуры
оболочки твэл, С
Диапазон перепада давления на оболочке, МПа
0,00-3,25
k0 = 1,7104
650810
Qc
 5,09104
R
n=1,96
8701200
k0 = 3,50104
Qc
 2,88104
R
n=2,53
k0 = 2,1110
810870
3,25-7,00
13
Qc
 4,88104
R
k0 = 3,1510
14
Qc
 5,01104
R
n=2,01
k0 = 1,611040
n=1,92
k0 = 2,751029
Qc
 1,21105
R
Qc
 9,43104
R
n=1,84
n=3,05
7,00-10,0
k0 = 7,8103
k0 = 16,4
Qc
 2,97104
R
Qc
 1,77104
R
n=3,3
n=2,16
k0 = 1,2310
15
Qc
 1,26104
R
n=1,1
n=1,57
-
650-810

Диапазоны перепада давления на оболочке, МПа
0,00-3,25
3,25-7,00
15
3
Qc
 5,61104
R
n=2,67
m=0,5
k0 = 1,041014
810-870
Qc
 5,15104
R
n=2,32
m=0,827
k0 = 5,13106
870-1200

 Q 
k  exp  c    en

 R T 
 ce 
,
1 


 e   ce

 
.
A*

-
k0 = 3,0710
 n
  e

,

k0 = 4,71
Qc
 4,80104
R
Диапазоны
температуры
оболочки твэл, С

 Qc
k

exp


 R T
 ce 
( 1   )m


 e   ce

 
.

A*
10,00-12,00
Qc
 5,74104
R
n=7,90
m=-0,140
k0 = 1,6210
7,00-10,0
k0 = 6,93
10,00-12,00
k0 = 6,7910-3
Qc
Qc
Qc
 3,18104
 3,23104

R
R
R
n=4,43
m=-0,056
k0 = 2,921017
n=5,61
m=-0,0797
k0 = 2,481023
Qc
Qc
 6,08104
 8,23104
R
R
n=2,58
m=0,67
k0 = 3,33104
n=5,13
m=-0,144
-
n=4,11
m=0,288
k0 = 7,431027
Qc
Qc
 2,82104
 9,24105
R
R
n=4,01
m=0,355
2,29104
n=3,66
m=0,808
-
8
Верификация осесимметричной модели ползучести
оболочки твэла
Тест 1. Ползучесть длинной тонкостенной изотропной трубы под действие
внутреннего давления
2 pD0 32

x 1 ,
Параметр повреждаемости
3h0 A*


Время увеличения диаметра
оболочки до величины D

D/D0
1
k en0
1.7
x  3n  2 
2 e0

2
x

1
 3A
 *
3

(1  x 2 )  1dx,


140
Окружная деформация,%
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
T=730 C
P=2 МПа
120
100
80
60
40
20
0
t, с
1
0
3
6
9
12
15
18
Теоретическая кривая
Расчетная кривая
Рис. 6 Изменение безразмерного
диаметра от времени
0
1000
2000
3000
4000
5000
Время, с
m=1
m=0.5
Эксперимент
Рис. 7 Аппроксимации кривой
ползучести сплава Э110
9
z
Трёхмерная модель поведения твэла
M
О бласть ло кально го р азду тия
Топливны й
сердечник
P вн
r
а)
Принцип возможных скоростей перемещений
(Зенкевича-Годбоула)
 ij  ij dV
V
S
m
w
v m

u m
m
i
w
v i
j
w
u i
v j

О болочка твэла
j
M
u j
Pвн
0

б)
 ui X i dV   ui Xi dS ,
V
i
Топливный
сердечник


r
Рис. 8 Сечение твэла в плоскости
2.68 – Сечение твэла (r,)
(r,Рисунок
z) (а)
и сечение твэла (r,) (б)
Рис. 9 Треугольный конечный элемент
Уравнения задачи в момент времени i
   e  
 K  ai ,      V   RV 
e  
  
10
900
3
850
2.5
800
2
750
1.5
700
1
650
0.5
600
0
а)
100
m ax90
200
300
Температура
Давление
400
Давление, МПа
б)
Максимальная температура, °С
Верификация неосесимметричной модели
деформирования оболочки твэла
0
500 t, c
80
70
60
50
в)
40
30
20
10
0
0
100
200
300
Эксперимент
Численная модель
400
t, c
500
Рис. 10 Термоизображения (термограммы) опыта (а), изменение параметров
эксперимента (б) и изменение максимальной окружной деформации (в)
11
T
C
Связанность расчёта твэла и теплогидравлики
активной зоны
T
C
T
C
Т,оС
а)
б)

t
c
Т,оС
T
C
T
C
c
(ТВЭЛ-3 С УВЕЛИЧЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ПОЛЗУЧЕСТИ)
(ТВЭЛ-3)
h
м
(ТВЭЛ-2 БЕЗ ДЕФОРМАЦИИ)
(ТВЭЛ-2 С УЧЕТОМ ДЕФОРМАЦИИ)
(ТВЭЛ-3 БЕЗ УЧЕТА ДЕФ.НЕГОРЯЧИХ УЧАСТКОВ )
(ТВЭЛ-3)
г)
в)
t
c
(ТВЭЛ-2 БЕЗ ДЕФОРМАЦИИ)
(ТВЭЛ-2 С УЧЕТОМ ДЕФОРМАЦИИ)
(ТВЭЛ-3 БЕЗ УЧЕТА ДЕФ. НЕГОРЯЧИХ
УЧАСТКОВ )
(ТВЭЛ-3)
t
c
(ТВЭЛ-2 БЕЗ ДЕФОРМАЦИИ)
(ТВЭЛ-2 С УЧЕТОМ ДЕФОРМАЦИИ)
(ТВЭЛ-3 БЕЗ УЧЕТА ДЕФ. НЕГОРЯЧИХ УЧАСТКОВ )
(ТВЭЛ-3)
Рис. 11 Изменение максимальной температуры оболочки твэла (а и в),
топливного стержня (б) и толщины окисленного слоя (г), определённые по коду
ТЕЧЬ-М с кодами ТВЭЛ-2 и ТВЭЛ-3
12
Моделирование поячейкового теплообмена
по коду ТЕМПА-1Ф с кодом ТВЭЛ-3
твэл
Канал I Канал J Канал I Канал J
Канал
поперечной связи
Канал поперечной
связи IJ
Канал I
Слой K
а)
б)
в)
Канал J
Рис. 13 Разбиение проходного
сечения
на каналы
Контрольный
объем Vn
г)
Рис. 12 Схема разбиения ТВС на контрольные
объёмы: уравнений сохранения массы и энергии (а);
уравнения сохранения продольной составляющей
импульса (б); уравнений сохранения поперечных
составляющих импульса (в)
t
l
w
l
b
Рис. 14 Схема разбиения поверхности
основного контрольного объёма
Vn на элементы
13
Три типа теплообмена между твэлов и средой в межячейковом пространстве
1) Элемент поверхности твэла
взаимодействует с одним
контрольным объёмом
теплогидравлической задачи
2) Взаимодействие одного элемента
поверхности твэла c несколькими
контрольными объёмами
теплогидравлической задачи
N
q    ( Tcl  T f ),
q 
T, °C
  i  (T cl
i 1
 T f )  Si
i
N
 Si
1000
ÊКАНАЛ
ÀÍ ÀË -97
Ò
Å
Ì Ï À-1Ô
ТЕМПА-1Ф
i 1
qi   i  (Tcl  T fi )
800
3) Несколько элементов поверхности твэла
взаимодействуют с одним контрольным
объемом теплогидравлической задачи
600
400
t, c
0
40
80
t*
t**
q j    (Tcl  T f )
j
120
K
Рис. 15 Температуры оболочки твэла
на наиболее теплонапряжённом участке
Q    (Tcl  T f )  S j
j 1
j
14
Испытания сборок имитаторов твэлов и одиночных твэлов
на стенде ПАРАМЕТР
Три типа стендовых испытаний:
1)
Экспериментальная
проверка
работоспособности
топлива
по
предельным
состояниям
и
приёмочным
критериям.
Назначение
такого
вида
экспериментов
прямое
обоснование
охлаждаемости
и
возможности
залива
наиболее
горячей части ТВС активной зоны.
2)
Испытания предназначены для
верификации расчётных моделей,
используемых
в
кодах
для
обоснования безопасности, в том
числе в связанной постановке.
3) Определение характеристик материалов и сред при построении уравнений
состояния, в том числе для определения предельных состояний, особенно в
связанной постановке деформирования и повреждения.
15
а)
б)
в)
Рис. 16 Общий вид имитаторов твэлов и их сборки в модельную ТВС:
нагревательный твэл (а); пассивный твэл (б) и модельная с сборка (в)
16
Экспериментальные исследования термомеханического
поведения твэлов на 2-ой стадии ПА БТ
Характеристики
испытания
Количество
твэлов в сборке
Количество
нагревательных
твэлов
Высота
нагреваемой
части, мм
Материал
оболочки
Начальное
давление гелия
при 20оС, МПа
Температура пара
на входе в
сборку, оС
Расход пара через
сборку, г/с
Скорость нагрева
оболочек в оС/с
Максимальная
температура
оболочек , оС
Скорость залива
сборки водой
снизу, мм/с
№1
1999
№2
1999
№3
1999
№4
2000
№5
2000
№6
2001
№7
2001
№8
2002
19
19
19
37
37
37
37
37
19
19
19
24
22
23
36
36
800
800
800
1275
1275
1275
1275
1275
Э110
Э635
Э110
Э110
Э635
Э110
Э110
Э635
2,00,25
2,00,25
2,00,25
2,00,25
2,00,25
2,00,25
2,00,25
3,00,25
300450
300450
300450
300480
300480
300480
300480
300480
4
4
4
8
6
6
6
6
1,52,0
1,01,5
0,20,3
0,40,5
1,52,2
1,41,8
3,04,0
2,04,0
1100
1200
900
1200
900
900
850
1100
-
-
50
30
80
80
80
80
17
а)
б)
общ=50%
общ=67%
г)
в)
общ=36%
Рис. 17 Вид сборок после испытаний: а) сборка №3; б) сборка №4; в) сборка №8,
оболочки второго ряда; г) сборка №8, оболочки второго ряда в области раздутий
18
Пост-тестовые расчёты второй стадии аварии по коду ТВЭЛ-3
25
30
20
Относительная деформация, %
а)
Относительная деформация,%
25
20
15
б)
10
5
15
10
5
0
0
100
200
300
400
Длина, мм.
500
600
700
800
0
0
Численное моделирование
Экспериментальная деформация
100
200
300
400
Длина, мм.
500
600
700
800
Численная модель
Эксперимент
30
30
25
20
г)
15
10
5
Окружная деформация, %
в)
Окружная деформация, %
25
20
15
10
5
0
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Расстояние от начала нагревного участка, м
Численный анализ;
Эксперимент
0
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Расстояние от начала нагревного участка, м
Численный анализ;
Эксперимент
Рис. 18 Распределение окружной деформации по длине твэлов 1.1 (а) и 3.6 (б)
сборки №1 и твэлов 3.2 (в) и 3.9 (г) сборки №6.
19
Испытания твэлов на первой стадии проектной
аварии ПА БТ
Р, МПа.
Т, оС
1200
15
800
10
400
5
0
Давление, МПа
Температура, С
температура
давление теплоносителя
внутреннее давление
при различном выгорании
0
0
5
10
15
20
25
30
Время, с
Рис. 21 Температурно-силовой
сценарий первой стадии аварии
20 Технологическая схема
Рис. 19 Общий вид испытательного Рис.
участка для испытаний одиночного испытаний в имитационных
условиях первой стадии аварии.
имитатора твэла.
20
а)
б)
в)
г)
Рис. 22 Характерный внешний вид оболочек твэлов после испытания: твэл №2 (а);
твэл № 4 (б); твэл №19 (в); твэл №20 (г).
21
40
800
35
700
30
600
25
500
20
400
15
300
10
200
5
100
0
а)
20
22
24
26
28
30
32
50
45
1000
б)
40
35
900
30
800
25
20
700
15
10
600
5
500
34
Окружная деформация, %
900
1100
Темпрература, С
45
Окружная деформация, %
50
1000
Темпрература, С
1100
0
20
время, с
22
24
26
28
30
32
время, с
Температура( численная модель)
Температура (эксперимент)
Температура( численная модель)
Максимальная дефорамция (численная модель)
Температура (эксперимент)
Максимальная дефорамция (эксперимент)
Максимальная дефорамция (численная модель)
Максимальная дефорамция (эксперимент)
900
60
Темпрература, С
850
52.5
800
45
750
37.5
700
30
650
22.5
г)
Темпрература, С
67.5
Окружная деформация, %
950
в)
1000
75
950
58.5
900
52
850
45.5
800
39
750
32.5
700
26
650
19.5
13
6.5
600
15
600
550
7.5
550
500
0
500
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
время, с
40
65
Окружная деформация, %
1000
0
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
время, с
Температура( численная модель)
Температура( численная модель)
Температура (эксперимент)
Температура (эксперимент)
Максимальная дефорамция (численная модель)
Максимальная дефорамция (численная модель)
Максимальная дефорамция (эксперимент)
Максимальная дефорамция (эксперимент)
Рис. 23 Численная и экспериментальная реализация первой стадии
проектной аварии опыт 2, сплав Э-110 (а); опыт 3, сплав Э-110 (б); опыт 4,
сплав Э-110 (в); опыт 18, сплав Э-635 (г)
22
2-ая термомеханическая задача
Разработка методик и кодов для анализа
высокотемпературного поведения ТВС
Первая группа задача - анализ
формоизменения ТВС и всего ансамбля
ТВС в АЗ с целью определения
устойчивости, прогибов и возможных
поворотов относительно центральной
оси и взаимодействия ТВС друг с другом.
Вторая
группа
задача
анализ
деформирования
отдельной
ТВС,
условной с точки зрения как ее
расположения
в
АЗ,
так
и
температурного состояния ее элементов,
определяемого
в
результате
консервативного
представления
о
наиболее энергонапряжённой "свежей"
ТВС,
окружённой
менее
энергонапряжёнными.
Рис. 24 Общий вид УТВС
23
Конечно-элементное моделирование ТВС
б)
а)
Рис. 25 Конечный элемент pipe20 (а) и оболочечный конечный элемент shell63 (б).
а)
б)
Рис. 26 Конечно-элементная схема каркаса ТВС для ВВЭР-1500 (а) и общий вид (б)
24
1
SOLUTION
NODAL SOLUTION
L SOLUTION
=1
=1
=.01
01 (AVG)
=0 (AVG)
=.001386
=.001384
001386
001384
APR 27 20
13:46:
APR
27
2005
APR
27STEP=2
2005
1 SUB =25
13:45:33
13:45:33
NODAL
SOLUTION
TIME=2.508
UY
(AVG)
APR 27 2005
13:46:18
STEP=2
RSYS=0
SUB
DMX =25
=.001967
TIME=2.508
SMN =-.738E-06
SMX =.001966
UY
(AVG)
RSYS=0
DMX =.001967
SMN =-.738E-06
SMX =.001966
Рис. 27 Конечно-элементная модель пучка (а) и сопряжения пучка
с головкой
MX
ТВС (б)
MX
MX
MX
Y
Y
MN
Z
X
Z
MN
X
Y
MN
Y
Z X
0
.154E-03
.308E-03
.461E-03
.615E-03
.769E-03
.923E-03
.001077
.001231
Z
-.738E-06
.001384
.218E-03
.436E-03
.655E-03
.873E-03
.001092
.00131
MN
X
.001529
.001747
Рис. 28 Упругие линии НК ТВС ВВЭР-1500, нагруженного поперечной силой
100 Н в начальный момент времени ПА БТ (а) и через 2,5 с (масштаб
деформаций 500:1)
-.738E-06
.218E-03
.436E-03
.655E-03
.873E-03
.001092
.00131
.001529
.001747
.00196
25
.001966
Методология высокотемпературных механических
испытаний ТВС
Предлагаемая схема моделирования ТВС на стенде
ПАРАМЕТР
а)
б)
Рис. 29 Схема механического нагружения (а) и установки сборки в рабочем канале (б)
26
Стенд ОКБ «Гидропресс» для испытания ТВС
Стенд испытаний ТВС в режиме МПА
1
ВН
из магистрали сжатого
воздуха
2
3
МЭО7
МЭО6
4
а)
5
6
б)
7
МЭО3
МЭО5
МЭО4
8
МЭО1
Н3 Н6 Н4
МЭО2
МЭО9
МЭО8
9
Н2 Н5 Н1
11
ПНТТ1
ПНТТ6
10
12
13
Рис. 30 Стенд для полномасштабных испытаний ТВС в аварии БТ (а) и схема
расположения первичных преобразователей по сечению ТВС (вид сверху со стороны
головки ТВС)
27
Основы концепции разбираемости активной зоны
ПА
•
•
•
•
•
•
•
Определение
количества
разгерметизированных
твэлов
при
комбинированном действии термических и механических нагрузок с
учётом охрупчивания.
Определение недопустимого с точки зрения перемещения ТВС из АЗ
формоизменение.
Оценка структурной целостности ТВС из-за разрушения ДР и сварных
точек.
Определение предельного состояния наиболее повреждённой части ТВС
при максимальной осевой нагрузке (для ВВЭР-1000 - 4 тонны).
ЗПА
Определение количества оболочек твэлов, сохранивших свою
целостность, откуда следует, что несущая способность оболочек, НК и
ДР позволяет проводить выемку ТВС из АЗ при усилиях до 4-х тонн.
Определение количества оболочек разрушившихся твэлов при условии.
что НК и ДР удерживают конструкцию ТВС в гексагональной геометрии,
что позволяет проводить подъём ТВС из а.з. с ограничением усилий.
Оценка условий, при которых степень окисления и разрушения
элементов ТВС столь значительны, что демонтаж АЗ невозможен без
разрушения и перемещения на днище корпуса реактора топливных
стержней.
28
Основные выводы
Связанное
решение
задач
термомеханики
и
теплофизики на основе разработанных методов и
вычислительных
кодов
позволяет
снижать
консервативность
и
уменьшать
количество
неопределённостей в построении расчётных схем при
обоснованиях
безопасности
и
при
уточнении
инструкций по управлению ПА и ЗПА, как на вновь
строящихся, так и при модернизации действующих
АЭС.
Численное решение совокупности задач при анализе
разбираемости АЗ после аварии обеспечивается как
кодами ТВЭЛ-3 и ТМТВС_ГП, так и известными
универсальными кодами MSC.MARC и ANSYS.
29
Спасибо за внимание
30