автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Экспериментальные исследования динамических свойств тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР

На правах рукописи

Афанасьев Андрей Вячеславович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК РЕАКТОРОВ ВВЭР

Специальность: 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПОДОЛЬСК-2010

- 2 ЛЕН 2010

004616037

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе "Ордена Трудового Красного Знамени и ордена труда ЧССР опытное конструкторское бюро "ГИДРОПРЕСС"

Научный руководитель: кандидат технических наук

Макаров Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Каплунов Савелий Моисеевич (ИМАШ РАН),

кандидат технических наук Перевезенцев Владимир Васильевич (МГТУ им. Баумана)

Ведущая организация: РНЦ «Курчатовский институт», г. Москва

Защита состоится 22 декабря 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 418.001.01 при ОКБ «ГИДРОПРЕСС» по адресу: 142103, Московская обл., г. Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21, центр технической поддержки АЭС с ВВЭР.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОКБ «ГИДРОПРЕСС».

Автореферат разослан «_»_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Безопасность АЭС во многом обеспечивается прочностью топлива в режимах нормальной эксплуатации, а также при внешних динамических воздействиях. Как в отечественной, так и в зарубежной атомной энергетике значительную долю отказов ядерного топлива составляют отказы, вызванные вибрацией. Фреттинг-износ оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) в местах контакта с нижней опорной и дистанционирующи-ми решетками (ДР) влечет за собой существенные экономические потери, связанные с загрязнением первого контура и преждевременной выгрузкой тепловыделяющих сборок (TBC). Даже несмотря на то, что с начала 2000-х годов в водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР) случаи массового выхода из строя TBC по причине фретгинга отмечены не были, проблему фреттинга нельзя считать решенной, во-первых, по причине увеличения глубины выгорания и срока эксплуатации TBC и, во-вторых, в связи с внедрением в конструкцию TBC новых технических решений. В частности, введение решеток-перемешивателей, отказ от крепления твэлов в нижней решетке, удлинение пролетов твэлов способны привести к увеличению уровня вибрации TBC, что в свою очередь может повлечь износ оболочек твэлов. До недавнего времени в России отсутствовали программы, позволявшие разработчикам топлива выполнять оценки глубины износа и ресурса оболочки твэла.

В последние годы в РНЦ «Курчатовский институт» совместно с ОКБ «Гидропресс» разрабатывается расчетно-экспериментапьная модель фретгинг-износа твэлов. В рамках этой работы на стендовой базе ОКБ «Гидропресс» проводятся экспериментальные исследования динамических характеристик TBC, процессов трения и фреттинг-износа. Также результаты исследований динамических характеристик могут быть использованы непосредственно конструкторами при разработке новых конструкций TBC, например, для отстройки от ре-зонансов твэлов на частотах вынуждающих сил.

Одним из направлений совершенствования конструкции TBC является снятие излишнего консерватизма. В частности, значительный, а, возможно, излишний запас консерватизма заложен в обосновании сейсмической прочности TBC. В настоящее время обоснование сейсмической прочности ДР TBC проводится на основании консервативного критерия отсутствия пластических де-

формаций ДР от действия статической поперечной сжимающей силы, равной максимальному расчетному динамическому усилию взаимодействия TBC между собой и с выгородкой в активной зоне. При расчете усилий взаимодействия также применяется консервативный подход, согласно которому все TBC откликаются на собственных частотах колебаний и собираются в плотную упаковку вблизи выгородки. Необходимость дополнительных (прежде всего - экспериментальных) исследований отклика TBC на сейсмическое воздействие определяется возможностью снятия излишнего консерватизма в конструкции TBC, в частности, - оптимизации конструкции ячейки ДР.

Разработка современных методик и проведение на уровне ведущих зарубежных исследователей экспериментальных работ по обоснованию безопасности TBC при динамических воздействиях является одним из слагаемых, определяющих конкурентоспособность российского топлива на зарубежных рынках топлива как для реакторов ВВЭР, так и для зарубежных реакторов.

Актуальность работы определяется изложенными аргументами, а также отраслевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 6 октября 2006 года.

Целью диссертационной работы являлась разработка методики экспериментальных исследований динамических свойств тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР и получение экспериментальных данных, необходимых для обоснования вибрационной прочности и сейсмической стойкости TBC.

Исследования проводились по следующим направлениям:

1. Экспериментальное определение параметров собственных колебаний (частот, форм и коэффициентов демпфирования) семи полномасштабных макетов TBC реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1500, ВВЭР-1200 (АЭС-2006).

2. Экспериментальные исследования собственных колебаний отдельных элементов TBC (твэлов, нижней опорной решетки, уголков) в составе макетов TBC и на моделях отдельных узлов.

3. Экспериментальные исследования TBC как нелинейной динамической системы.

4. Анализ влияния эксплуатационных факторов и конструктивных особенностей TBC на их динамические характеристики.

5. Разработка методики воспроизведения колебаний опор TBC при землетрясениях, исследования отклика TBC при воспроизведении акселерограмм на опорах.

6. Исследование влияния вибрации на силу трения между твэлами и ДР, характеристики сопротивления TBC продольно-поперечному изгибу и циклически изменяющимся температурам.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов подтверждены успешно проведенными научно-исследовательскими работами, что стало возможным благодаря комплексному применению теоретических и экспериментальных методов исследования. Достоверность результатов исследований обеспечена применением современных средств измерений, своевременных метрологических калибровок измерительных каналов и подтверждена сравнением с результатами экспериментальных и расчетных исследований, выполненных в ОКБ «Гидропресс», ОАО МСЗ, РНЦ «Курчатовский институт».

На защиту выносятся:

- методика и результаты исследования частот, форм и коэффициентов демпфирования собственных колебаний TBC и их элементов;

- методика и результаты исследования TBC как нелинейных динамических систем;

- методику сейсмических испытаний TBC, результаты исследования отклика TBC на сейсмические воздействия;

- методика и результаты исследований влияния вибрации на характеристики сопротивления TBC статическим механическим и температурным воздействиям.

Научная новизна. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования собственных колебаний полномасштабных макетов TBC и их узлов на воздухе при 20 °С. Впервые исследованы зависимости динамических характеристик (коэффициентов демпфирования, резонансных частот TBC, динамической жесткости твэлов) от амплитуды колебаний. Разработана методика сейсмических испытаний TBC с воспроизведением акселерограмм опор при землетрясениях, определен динамический отклик TBC на воздействие сейсми-

ческих нагрузок, исследован процесс деформирования TBC под действием сейсмических нагрузок, выполнен сравнительный анализ результатов эксперимента с расчетами активной зоны на сейсмические воздействия. Разработаны методики испытаний на продольно-поперечный изгиб сосредоточенной силой и термоциклических испытаний TBC в условиях вибрации, получены оценки характеристик сопротивления TBC продольно-поперечному изгибу и циклически меняющимся температурам в условиях вибрации. Определено влияние вибрации на усилия взаимодействия между твэлами и ячейками ДР.

Практическая полезность работы определяется проведенными в течение ряда лет исследовательскими работами в соответствии с договорами между ОКБ «Гидропресс» и ОАО «ТВЭЛ», ЗАО «Атомстройэкспорт».

Результаты работы использованы при разработке технических проектов TBC с жестким каркасом модернизированной (ТВС-2М), TBC ВВЭР-1500, TBC АЭС-2006, при создании расчетно-эмпирической модели фреттинг-износа совместной разработки РНЦ «Курчатовский институт» и ОКБ «Гидропресс».

Полученные динамические характеристики TBC использованы при разработке перспективных конструкций TBC для существующих и новых проектов реакторных установок.

Реализация результатов

Результаты исследований использованы:

- в пояснительных записках к техническим проектам ТВС-2М, TBC ВВЭР-1500, TBC АЭС-2006;

- при разработке кода для расчета фреттинг-износа оболочек твэлов в контакте с ячейками ДР.

Личный вклад автора в разработку методик, конструкций стендов и приспособлений, проведение, обработку, анализ результатов всех представленных в работе исследований, проводившихся в ОКБ «Гидропресс» в период с 2005 по 2008 годы, был определяющим.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались, публиковались в трудах научно-технических конференций:

- International Meeting on LWR Fuel Performance Top Fuel-2006, Salamanca, Spain, 2006;

- 5-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ФГУП ОКБ «Гидропресс», г. Подольск, Россия, 2007;

- 7th International Conference on WWER Fuel Performance, Modeling and Experimental Support, Albena, Bulgaria, 17-21 September 2007;

- ICAPP 2007, Nice, France, May 13- 18,2007.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 печатных работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура н объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 70 наименований; диссертация содержит 123 страницы машинописного текста, включая 43 рисунка, 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, излагается цель и краткое содержание диссертационной работы, новизна, научная и практическая полезность рассматриваемой темы, освещены научные, технические, экономические аспекты проблемы.

В первой главе выполнена постановка задачи, проведен обзор литературы по теме диссертации, определено место работы в обосновании износостойкости твэлов и сейсмостойкости TBC, описаны методические основы исследований динамических характеристик, дается описание конструкции TBC, анализ действующих на TBC эксплуатационных нагрузок и причин отказов TBC в реакторах с водой под давлением.

Как показывает опыт эксплуатации отечественных и зарубежных реакторов с водой под давлением, одной из основных причиной отказов TBC продолжают оставаться отказы, вызванные фреттинг-износом в результате повышенных вибрационных нагрузок. В зарубежных реакторах они составляют более 50 %. В реакторах ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 также имеют место отказы топлива по причине фреттинг-износа. Начальная стадия фреттинг-износа оболочек твэлов в местах контакта с ДР отмечена при послереакторных исследованиях TBC нового поколения: TBC с жестким каркасом (ТВС-2) и альтернативной TBC (ТВСА).

Фреттинг-износ оболочек твэлов в контакте с ДР до настоящего времени наблюдался преимущественно в нижней части TBC по причине гидродинами-

ческой нестабильности потока теплоносителя на входе в активную зону. В разрабатываемых конструкциях TBC рассматривается возможность введения ре-шеток-перемешивателей для интенсификации теплообмена в верхней части TBC, что по зарубежному опыту может привести к усилению вибрации твэлов и в верхних пролетах. Увеличение длин пролетов твэлов между ДР также может вызвать повышенную вибрацию твэлов. Таким образом, непрерывный процесс конструкционных нововведений и необходимость обоснования вибрационной прочности TBC требуют углубленных исследований параметров собственных и вынужденных колебаний TBC и твэлов и их связи с конструкционными и эксплуатационными характеристиками.

Вместе с тем, для обоснования вибрационной прочности и устойчивости новых проектов TBC ВВЭР в настоящее время принят подход, основанный преимущественно на результатах реакторной эксплуатации прототипов и стендовых ресурсных испытаний новых TBC. Очевидно, что такой подход к обоснованию вибропрочности является затратным, ресурсо- и трудоемким. В последнее время в связи с ускоренным развитием измерительной и вычислительной техники все более широкое распространение получает подход, основанный на результатах численных экспериментов с применением кодов, верифицированных по результатам физических экспериментов, что позволяет значительно сократить сроки и затраты на обоснование вибропрочности.

В России и за рубежом экспериментальные исследования вибрации TBC включают в себя стендовые испытания, пусконаладочные виброизмерения на энергоблоках АЭС, эксплуатационный виброшумовой контроль и диагностику, реакторные и послереакторные исследования «выгоревшего» топлива.

Стендовые испытания, которым посвящена настоящая работа, до настоящего времени проводились на полномасштабных макетах TBC и моделях узлов. Исследования на полномасштабных макетах включали в себя ресурсные испытания, исследования вибрации в потоке теплоносителя, собственных колебаний TBC и твэлов. На моделях узлов TBC исследовались собственные и вынужденные колебания твэлов. Большая часть испытаний была проведена при вводе в эксплуатацию головного энергоблока ВВЭР-1000 с чехловыми TBC в конце 1970-х годов, при внедрении бесчехловых «нержавеющих» TBC в сере-

дине 1980-х годов и «циркониевых» усовершенствованных TBC (УТВС) в начале 1990-х годов.

Среди задач, которые не были решены в результате выполненных до настоящего времени экспериментальных исследований вибрации TBC ВВЭР, можно отметить следующие:

- получение данных по динамическим характеристикам TBC и твэлов в объеме, достаточном для оценки влияния конструкционных особенностей и эксплуатационных факторов на динамические характеристики;

- исследования нелинейности TBC и твэлов, т.е. зависимостей динамических характеристик (резонансных частот, коэффициентов демпфирования TBC, динамической жесткости твэлов) от амплитуды колебаний;

- определение влияния вибрации на характеристики сопротивления TBC продольно-поперечному изгибу, циклически изменяющимся температурам, силы взаимодействия между твэлами и ДР.

Кроме того, в результатах ранее проведенных исследований собственных колебаний TBC и твэлов, по мнению автора, присутствуют погрешности, вызванные нелинейностью TBC, поскольку уровень вибрационного воздействия на TBC и твэлы был чрезмерно высоким.

В развитие описанных выше исследований с 2005 г. в ОКБ «Гидропресс» проводятся исследования динамических характеристик TBC, результаты которых представлены в диссертации. Работы были начаты с изучения собственных колебаний на воздухе, затем проведены исследования нелинейности TBC, тестовый эксперимент по воспроизведению акселерограмм на опорах TBC при сейсмических нагрузках, исследовано влияние вибрации на характеристики сопротивления TBC механическим нагрузкам. Полученные результаты необходимы для обоснования прочности новых конструкций TBC, уточнения программ для расчета фреттинг-износа TBC и расчета активной зоны на сейсмические нагрузки. Параллельно было начато строительство стенда для сейсмических и вибрационных испытаний TBC в потоке теплоносителя с температурой до 50 °С. Методики исследований, выполненных на воздухе, применимы и для исследований в воде, а результаты, полученные на воздухе, являются исходным материалом для определения влияния потока теплоносителя на дина-

мические характеристики TBC. Блок-схема исследований вибрации TBC показана на рис. 1.

Исследования на воздухе

Разработка методики, создание экспериментальных установок

г ^^

Собственные колебания TBC Влияние вибрации на механические характеристики TBC

Нелинейность

W

Тестовые сейсмические испытания, отклик TBC

Исследования в «холодной» воде (в стоячей воде и потоке)

Разработка методики, создание стенда сейсмических и вибрационных испытаний

Ж

Собственные колебания TBC

а

Нелинейность

Сейсмические испытания TBC с приводом системы управления и защиты

-V

настоящая работа

U JL

Вынужденные Отклик на сейс-

колебания в по- мические воз-

токе действия

л

Сила взаимо-

действия TBC с

выгородкой

Собственные и вынужденные колебания TBC в теплоносителе со штатными параметрами

запланированные работы Рис. 1 Блок схема исследований вибрации TBC на стендах ОКБ «Гидропресс» В основу расчетно-эмпирической модели фреттинг-износа положена теория Престона, связывающая скорость линейного износа в заданной точке с мощностью трения на элементе поверхности, заключающем эту точку, через коэффициент износа:

dt тр S. •

(1)

где: Ь - глубина износа;

К - коэффициент износа;

к-ф - коэффициент трения скольжения;

11к - нормальная контактная сила между оболочкой и пуклей;

- площадь контакта пукли с оболочкой; Г - частота;

X - амплитуда виброперемещения в контакте.

Блок-схема модели представлена на рис. 2. Некоторые работы, указанные на схеме модели, были начаты в 70-90-х годах прошлого века, некоторые получили развитие в настоящее время. В рамках настоящей диссертационной работы выполнены исследования собственных частот, форм, коэффициентов демпфирования, динамической жесткости твэлов и их зависимости от амплитуды колебаний.

амплитуды ускорений твэлов (результаты пуско-наладочных измерений)

: динамические характеристики TBC и твэлов (настоящая работа) ■

скорости термической и радиационной ползучести

Рис. 2. Схема эмпирической модели фретгинг-износа оболочек твэлов Динамические свойства исследуемой конструкции (TBC) являются совокупностью свойств отдельных форм колебаний, каждая из которых характеризуется частотой и коэффициентом демпфирования. Исследования динамических характеристик начинаются, как правило, с определения матрицы передаточных функций Hjj(w), являющихся соотношением спектров отклика в i-й точке и воздействия в j-й точке. Существует ряд методов, позволяющих по измеренным передаточным функциям оценить частоты, формы и коэффициенты

демпфирования колебаний. Например, часто для оценки динамических характеристик конструкции используется метод выделения пиков на передаточных функциях. Каждый из пиков рассматривается как принадлежащий системе с одной степенью свободы. Резонансной частоте такой системы соответствует максимум передаточной функции, а коэффициент демпфирования определяется как:

где А{ - ширина пика передаточной функции на уровне минус 3 дБ от вершины пика, Гц. Данный метод, отличающийся простотой и наглядностью, был использован при работе с программным обеспечением ЬаЬЗИор фирмы Вгие1&К]агг. В программном комплексе Теэ^аЬ фирмы ЬМ8, который также использовался в проведенной работе, применяются более сложные методы для систем с несколькими степенями свободы, динамические характеристики которых определялись по результатам анализа всей матрицы передаточных функций.

При проведении экспериментов использовались возбудители колебаний, средства измерения воздействия и отклика, регистраторы и анализаторы сигналов. Возбуждение колебаний производилось либо импульсным способом с помощью ударного молотка, либо с помощью электродинамических вибростендов, позволяющих создавать разнообразные вибрационные воздействия: импульсное, гармоническое с постоянной или сканирующей частотой, случайное широкополосное. Создаваемое возбудителем колебаний воздействие измерялось либо с помощью динамометра при силовом нагружении либо с помощью датчика ускорения (акселерометра) при кинематическом нагружении. Отклик конструкции определялся с помощью датчиков скорости или ускорения. Для регистрации и анализа измеренных сигналов использовались современные многоканальные системы, включающие в себя системный блок с модулями аналого-цифрового преобразования, модулями генераторов и компьютер со специализированным программным обеспечением виброиспытаний, предназначенным для обработки измеренных воздействий и откликов, вычисления динамических характеристик и отображения форм колебаний на геометрической модели.

Другим направлением, в рамках которого проводились исследования, представленные в диссертации, является комплекс расчетно-

экспериментальных работ, необходимых для обоснования прочности и стойкости TBC при воздействии сейсмических нагрузок. До настоящего времени деформации активной зоны, усилия взаимодействия TBC между собой и с внут-рикорпусными устройствами в сейсмических режимах определялись исключительно расчетными методами в связи с отсутствием экспериментальных данных об отклике TBC на сейсмические нагрузки.

Расчет на сейсмическое воздействие выполняют либо линейно-спектральным методом (по спектрам ответа), либо методом динамического анализа (по акселерограммам). Первый метод применяется для линейных систем, второй - как для линейных, так и для нелинейных систем.

При расчетах линейно-спектральным методом на сейсмическое воздействие принимается, что TBC откликаются на сейсмические нагрузки на собственных частотах колебаний и изгибаются в пределах зазоров с соседними TBC или с выгородкой. Все TBC изгибаются в одном направлении по форме, близкой к С-образной, вкладываясь друг в друга. В зависимости от интенсивности землетрясения часть TBC может собираться в плотную упаковку возле выгородки (рис. 3). Коэффициент демпфирования TBC из-за отсутствия экспериментальных данных устанавливается на уровне 2 % от критического [1]. В зоне плотной упаковки между TBC возникают поперечные сжимающие ДР усилия, максимальные у TBC, прижатых к выгородке. Одним из основных критериев сейсмической прочности TBC является отсутствие пластических деформаций ДР при воздействии статической сжимающей силы, равной максимальному значению динамической силы, определенной по результатам расчета активной зоны на сейсмические воздействия.

Результаты статических испытаний TBC на продольно-поперечный изгиб, показавшие зависимость жесткости TBC в статике от величины приложенной нагрузки, дают основание предположить, что и в динамике TBC также проявляет нелинейность, что не учитывается в расчетных моделях. В связи с этим в программу исследований помимо определения параметров собственных колебаний TBC (частот, форм и коэффициентов демпфирования) включены исследования нелинейности TBC и тестовые методические испытания на сейсмические воздействия с воспроизведением акселерограмм опор.

9 1-й гад Ф I ii 'ор

0 ? tbiön ф 4Й

Рис. 3. Расчетные линии изгиба TBC при землетрясении 8 баллов

Во второй главе представлены методика и результаты экспериментальных исследований собственных колебаний макетов TBC. Исследования проводились на семи полномасштабных макетах TBC реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 (АЭС-2006) и ВВЭР-1500. У двух макетов при изготовлении сымитировано выгоревшее состояние путем создания зазоров между твэлами и ячейками ДР. Испытания макетов проводились в вертикальном положении при (20+5) °С на воздухе при номинальном продольном поджатии TBC в работающем реакторе. Геометрические размеры опорных узлов TBC соответствовали штатным. Амплитудная погрешность измерительных каналов, определенная по результатам калибровки, составляла не более ± 15 % от измеряемой величины при доверительной вероятности 0,95. Погрешность определения частоты определялась шагом дискретизации спектров по частоте и не превышала ±0,25 Гц.

Исследования динамики TBC на воздухе позволяют получить те значения динамических характеристик, которые определяются самой конструкцией TBC. Для оценки влияния таких эксплуатационных факторов, как температура и расход теплоносителя через TBC на динамические характеристики TBC в ОКБ «Гидропресс» намечены исследования на упомянутом выше стенде сейсмических и вибрационных испытаний TBC в «холодной» воде и стенде горячей обкатки при штатных параметрах теплоносителя.

Исследования собственных колебаний TBC на воздухе были выполнены при воздействии широкополосной вибрации в диапазоне частот от 1 Гц до 4 кГц. Были выявлены как собственные изгибные и крутильные колебания TBC как целого (т.е. проявляющиеся во всех точках TBC, кроме узлов), так и колебания отдельных элементов TBC. Собственные частоты TBC как целого располагаются в низкочастотной области спектра. Так, в диапазоне от 2 до 40 Гц было выявлено от шести до девяти собственных частот. Первая собственная частота изгибных колебаний в «свежем» состоянии составляет от 4 до 7 Гц, при имитации «выгоревшего» состояния - на 1 Гц меньше. Установлено, что при малых амплитудах колебаний (несколько десятых долей миллиметра) достаточно точно выполняются соотношения между собственными частотами макетов TBC и их изгибными жесткостями El, массами т и длинами I в приближении однородной балки г ~ _L .

,7iw

Формы изгибных и крутильных собственных колебаний показаны на рисунках 4 и 5 на примере макета ТВС-2006.

а - первая форма; б - вторая форма; в - третья форма Рис. 4. Формы изгибных колебаний ТВС-2006

а б в

а - первая форма; б - вторая форма; в - третья форма Рис. 5. Формы крутильных колебаний ТВС-2006

Коэффициенты демпфирования собственных колебаний макетов TBC в воздухе составляют несколько процентов от критического демпфирования, что обусловлено как внутренним трением в конструкционных материалах, так и трением при возможных перемещениях в части подвижных соединений.

Помимо форм, характерных для всех элементов TBC (колебания TBC как целого), в колебаниях макетов присутствуют формы, характерные для отдельных элементов, в частности -'твэлов, нижней опорной решетки, уголков. При этом особый интерес вызывают собственные колебания твэлов, повреждения которых представляют значительную угрозу для безопасной эксплуатации реактора. Исследования колебаний твэлов проводились как в полномасштабных макетах TBC различных конструкций, так и на одиночном твэле, извлеченном из TBC, с опорами в 7-ячеечных фрагментах ДР.

Как показали результаты исследований, вибрационный отклик твэлов в пролетах между ДР наблюдается преимущественно на частотах, характерных для данного пролета. Амплитуда колебаний на частотах соседних пролетов примерно на порядок ниже, поэтому колебания твэлов рассматриваются как независимые колебания отдельных пролетов. В таблице 1 приведены наиболее характерные собственные частоты колебаний твэлов в пролетах между ДР во всех испытанных макетах TBC.

Таблица 1

Собственные частоты колебаний твэлов в пролетах между ДР

Макет Положение пролета Длина пролета, мм Наличие таблеток Собственная частота, Гц

УТВС ВВЭР-1000 (С) НР-ДР1 265 есть 175-200

ДР2-ДРЗ 255 есть 170-200

ДР14-ДР15 210 нет i 490-550

УТВС ВВЭР-1000 (В) НР-ДР1 265 есть 115-118, 135-142

ДР1-ДР14 255 есть 115-118, 135-142, 157-188

ДР14-ДР15 210 нет 260-320

ТВС-2М ВВЭР-1000 (С) ДР4-ДР5 340 есть 83-120

ДР12-ДР13 260 нет 320-370

TBC ВВЭР-1500 (С) НР-ДР1 115 есть 1600-1850

ДР1-ДР13 340 есть 98-150

ДР13-ДР14 325 нет 210-240

TBC ВВЭР-1500 (В) ДР1-ДР13 340 есть 70-120

ДР13-ДР14 325 нет 160-180

TBC АЭС-2006 (С) НР-ДР1 115 есть 1000-1350

ДР1-ДР2 250 есть 216-240

ДР2-ДР11 340 есть 105-143

ДР11-ДР12 280 есть 182-192

ДР12-ДР13 280 нет 265-320

РК-3 ВВЭР-440 ДР1-ДР8 305 есть 160-180

модель одиночного твэла ДР7-ДР8 510 есть 48,5-66

ДР5-ДР6 (зазор 0,2 мм) 510 есть 39,5-64,5

С - «свежее» состояние TBC (начало эксплуатации в реакторе); В - имитация «выгоревшего» состояния путем создания зазоров между твэлами и ячейками ДР.

Частоты колебаний определяются длиной, массой пролета и условиями закрепления твэлов в опорах (ДР и HP). Зависимость собственной частоты от длины пролета твэла довольно близка к зависимости для дзухопорной однородной балки: /~Г2. Наиболее высокая собственная частота твэла (более 1 кГц) наблюдается в пролетах длиной 115 мм между нижней решеткой и антивибрационной ДР1. В пролетах твэлов длиной 255 мм собственная частота составляет 170-200 Гц, в пролетах длиной 340 мм - 83-150 Гц. В верхних пролетах твэлов, имеющих меньшую погонную массу из-за отсутствия топливных таблеток, собственные частоты приблизительно в 2 раза выше, чем у пролетов такой же дли-

ны, но с топливными таблетками. При наличии зазоров в узлах «твэл-ДР» собственные частоты снижаются на величину от 2 до 37 % в зависимости от длины пролета. Это свидетельствует о том, опора твэла в ДР даже при наличии зазора сохраняется, меняются лишь граничные условия закрепления твэла в ДР. Лишь в одном случае из нескольких десятков исследованных наличие значительного зазора 0,4 мм привело к появлению частоты двойного пролета.

Третья глава посвящена методике и результатам экспериментальных исследований TBC как нелинейной динамической системы. Основной причиной нелинейности является переход от трения покоя к трению скольжения в многочисленных узлах трения при увеличении амплитуды колебаний. Таким образом, динамические характеристики TBC могут отличаться, например, в

нормальных условиях эксплуатации и при сейсмических нагрузках.

i

В ходе исследований возбуждались гармонические колебания верхней и нижней опор TBC со сканированием частоты в диапазоне от 1,5 до 35-40 Гц, содержащем не менее пяти первых собственных частот изгибных колебаний TBC. Амплитуда ускорения в пределах одного сканирования поддерживалась постоянной. Исследования были проведены на 3-5 уровнях ускорения опор в диапазоне от 0,1 до 5 м/с2, что на 1-2 порядка выше, чем в исследованиях собственных частот. Передаточные функции TBC вычислялись как соотношения ускорений TBC и опор. Резонансные частоты и коэффициенты демпфирования определялись методом выделения пиков на передаточных функциях.

Как показали результаты исследований, у всех испытанных макетов наблюдается зависимость резонансных частот и коэффициентов демпфирования от амплитуды приложенного воздействия. На рис. 6 в качестве примера приведена зависимость модуля передаточной функции TBC ВВЭР-1500 от частоты и амплитуды ускорения опор в диапазоне, содержащем третью форму изгибных колебаний. Даже при наименьшей амплитуде ускорения наблюдается смещение резонансных частот в низкочастотную область по сравнению со значениями собственных частот, полученными при возбуждении широкополосной вибрации TBC. С ростом амплитуды ускорения опор продолжается снижение частот резонансов. При этом коэффициенты демпфирования могут возрастать на порядок (таблица 2): После достижения определенного уровня (1-2,5 м/с2) снижение резонансных частот прекращается, начинается увеличение амплитуд резонансных колебаний и снижение коэффициентов демпфирования.

1 2 3 4 5

амплитуда ускорения опор, м/с2

Рис. 6 Зависимость модуля передаточной функции от частоты и амплитуды ускорения опор

Таблица 2

Коэффициенты демпфирования TBC при гармонических колебаниях опор

Макет Амплитуда опор, м/с2 Коэффициент демпфирования, % от критического

1 -я форма 2-я форма 3-я форма

УТВС ВВЭР-1000 (В) -0,01 0,9 1,2 1,7

0,2 резонанс вне диапазона 17 11

0,5 резонанс вне диапазона 29 17

1 резонанс вне диапазона резонанс вне диапазона 21

2,5 резонанс вне диапазона резонанс вне диапазона 7

5 резонанс вне диапазона резонанс вне диапазона 6

ТВС-2М ВВЭР-1000 (С) -0,01 5,5 2,4 2,0

0,1 13 8 6

0,3 18 11 10

1 резонанс вне диапазона 13 14

3 резонанс вне диапазона 15 18

5 резонанс вне диапазона 10 21

TBC ВВЭР-1500 (С) -0,01 7,1 5,7 не определен

0,2 17 9 8

0,5 резонанс вне диапазона 14 13

1 резонанс вне диапазона 12 17

2,5 резонанс вне диапазона 13 12

5 резонанс вне диапазона резонанс вне диапазона 7

С - «свежее» состояние TBC (начало эксплуатации в реакторе); В - имитация «выгоревшего» состояния путем создания зазоров между твэлами и ДР.

Объяснить выявленные эффекты можно на основании зависимости поперечного прогиба TBC от статической поперечной силы (рис. 7). На рисунке выделено два участка с различной жесткостью. Жесткость TBC при малых прогибах определяется жесткостью каркаса, неподвижно связанного с пучком твэ-лов силами трения покоя в парах «твэл-ячейка ДР». При переходе от трения покоя к трению скольжения жесткость TBC падает, и появляется гистерезис между ветвями, соответствующими прямому и обратному ходу. В динамике снижение жесткости TBC вызывает снижение резонансных частот.

х/мм

Рис.7 - Зависимость поперечного прогиба TBC от поперечной силы Коэффициенты демпфирования колебаний, которые определяются отношением работы сил трения (т.е. площади петли гистерезиса) к работе поперечных сил, при малых амплитудах колебаний невелики, поскольку гистерезис практически отсутствует. На рис. 7 этому соответствует первый линейный участок. При переходе от первого ко второму линейному участку площадь петли гистерезиса и коэффициенты демпфирования возрастают. При больших прогибах, соответствующих второму линейному участку на рис. 7, площадь петли гистерезиса становится примерно пропорциональной размаху перемещений, тогда как работа поперечных сил (а в динамике - энергия колебаний) - квадрату

размаха. Следовательно, коэффициент демпфирования при больших перемещениях обратно пропорционален размаху перемещений.

Таким образом, TBC является нелинейной динамической системой, о чем свидетельствуют зависимости частот резонансов и коэффициентов демпфирования от амплитуды колебаний. При высоких амплитудах ускорений опор (до 5 м/с2) резонансная частота изгибных колебаний TBC может снижаться в 2 раза по сравнению с частотой собственных колебаний. Коэффициенты демпфирования при определенных амплитудах колебаний могут возрастать на порядок.

Исследования динамической жесткости твэлов в пролетах между ДР показали, что одиночный твэл так же как вся TBC обладает нелинейностью. С увеличением амплитуды воздействия наблюдается снижение резонансной частоты и динамической жесткости твэла.

Четвертая глава посвящена результатам методического эксперимента по имитации сейсмических воздействий на TBC. Отличительной особенностью данного эксперимента от проводившихся ранее является воспроизведение на опорах TBC расчетных акселерограмм, а не вибрационного эквивалента сейсмической нагрузки. Эксперимент проводился на макете УТВС, имитирующем выгоревшее состояние топлива.

В проведенном эксперименте было получено близкое совпадение ускорений опор TBC с целевыми функциями как во временной, так и в частотной области. Так, соотношение размахов ускорений опор в эксперименте и целевых акселерограмм составляет 1,00 для нижней опоры и 1,05 - для верхней.

Проведенный эксперимент показал, что колебания TBC при сейсмическом воздействии происходят на частотах вынуждающих сил. При этом фаза колебаний TBC отличается от фазы колебаний опор. Передаточные функции между воздействием (перемещением опор) и откликом (перемещением TBC) при сейсмическом нагружении (рис. 8) свидетельствуют об отсутствии ярко выраженного резонансного отклика TBC, который должен проявляться в виде четких пиков на передаточных функциях.

g

x

>>

•е-

о. о а

7 8 9 10

частота, Гц

60е-3 50е-3 40е-3 30е-3 20е-3

10е-3 О

частота, Гц

Рис. 8. Передаточные функции между перемещением TBC и нижней опоры (НО)

Лишь в отдельных поперечных сечениях (ДРЗ, ДР7, ДР13) наблюдаются максимумы передаточных функций в районе 7,3 Гц, которые могут соответствовать сильно задемпфированному (более 20 % от критического) резонансу на 3-й изгибной форме. Других резонансных откликов в диапазоне от 2 до 15 Гц, содержащем диапазон максимальной сейсмической нагрузки (9-12 Гц) и первые три частоты собственных изгибных колебаний TBC, не наблюдается.

Отсутствие резонансных откликов свидетельствует о консервативности расчетов активной зоны на сейсмические нагрузки, согласно которым TBC откликается на сейсмические воздействия на собственных частотах. Отсутствие резонансного отклика обусловлено тем, что при реализованном в эксперименте уровне вибрации TBC с амплитудой ускорения опор 7-8 м/с2 демпфирование колебаний значительно превосходит заложенное в расчете демпфирование на уровне 2 % от критического.

В пятой главе приведены результаты исследований влияния вибрации на усилия взаимодействия твэлов с ДР и на характеристики сопротивления TBC поперечному изгибу и циклическим изменениям температур.

Силы трения между твэлами и ДР как при продольном перемещении твэ-ла через все ДР, так и при перемещении ДР через пучок твэлов в условиях вибрации снижаются на 30-40 %. Амплитуда виброускорения TBC составляла 1-

1,5 м/с2, частоты, при которых наблюдалось снижение усилий взаимодействия, лежали в диапазоне от 13 до 32 Гц.

Исследования влияния вибрации на жесткость TBC при продольно-поперечном изгибе проводились при воздействии на TBC вибрации с параметрами, характерными для реактора ВВЭР-1000. Вибрация TBC возбуждалась как на детерминированных частотах (оборотной, лопаточной частотах главного циркуляционного насоса, частоте акустической стоячей волны [2, 3]), так и в форме «белого шума» в диапазоне от 2 до 100 Гц. Амплитуда ускорения была выбрана на основании результатов пуско-наладочных измерений на энергоблоках. Снижение жесткости макета в условиях вибрации составило от 3 до 8 %. Максимальное снижение жесткости на 8 % отмечено при оборотной частоте главного циркуляционного насоса 16,5 Гц. Таким образом, влияние вибрации на жесткость TBC при поперечном изгибе значительно менее существенное, чем на усилия взаимодействия твэлов и ДР при их продольном взаимном перемещении. Это связано, во-первых, с тем, что вибрация может вызывать снижение лишь неупругой составляющей сопротивления поперечному изгибу, связанной с трением в подвижных соединениях. В каркасных TBC, к которым относился исследуемый макет, как показали результаты статических испытаний, преобладает упругий механизм сопротивления изгибу. Во-вторых, неупругая составляющая сопротивления поперечному изгибу в значительной мере определяется силами трения при повороте твэлов в ячейках ДР, влияние вибрации на которые, вероятно, не столь существенное.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании анализа современного состояния экспериментальных и расчетных исследований вибрации TBC в отечественной и зарубежной атомной энергетике разработаны методики, созданы стендовые установки и проведены экспериментальные исследования семи полномасштабных макетов TBC ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, ВВЭР-1500 по следующим направлениям:

- исследование собственных колебаний;

- исследование TBC как нелинейной динамической системы;

- испытания на сейсмические воздействия;

- исследование влияния вибрации на характеристики сопротивления TBC статическим механическим и температурным воздействиям.

2. Определены характеристики собственных изгибных и крутильных колебаний TBC: собственные частоты, формы и коэффициенты демпфирования. Частота изгибных колебаний макетов по первой форме составляет от 2,5 до 6,9 Гц, первая собственная частота крутильных колебаний находится в пределах от 4,5 до 11,5 Гц. Коэффициенты демпфирования собственных колебаний составляют несколько процентов от критического демпфирования.

Помимо колебаний, проявляющихся во всех точках TBC, наблюдаются колебания, свойственные определенным элементам TBC (твэлам в пролетах между ДР, нижней опорной решетке). Частоты собственных колебаний пролетов твэлов определяются главным образом длиной и массой пролета. Амплитуды колебаний на частотах соседних пролетов на порядок ниже. При наличии зазора между твэлом и ячейкой ДР собственная частота пролета снижается на величину от 2 до 37 %.

3. Установлено значительное влияние амплитуды колебаний на резонансные частоты и коэффициенты демпфирования TBC. Основной причиной нелинейности TBC является переход от трения покоя к трению скольжения в подвижных соединениях. Обнаруженный эффект может оказывать значительное влияние на отклик TBC при воздействии сейсмических нагрузок.

4. Методический эксперимент с воспроизведением на опорах TBC акселерограмм при сейсмическом воздействии показал, что в диапазоне частот сейсмических нагрузок резонансный отклик TBC либо отсутствует, либо сильно задемпфирован. Колебания TBC происходят на частотах вынуждающих сил и не совпадают по фазе с колебаниями опор. Отсутствие резонансных откликов свидетельствует о консервативности расчетов активной зоны на сейсмические нагрузки, согласно которым TBC откликается на сейсмические воздействия на собственных частотах.

5. Обнаружено явление снижения силы трения при продольном перемещении твэлов относительно ДР в условиях вибрации. Вместе с тем, в TBC каркасных конструкций не отмечено значительного влияния вибрации на характе-

ристики сопротивления продольно-поперечному изгибу и циклическим изменениям температур. '

6. Результаты работы использованы при разработке технических проектов ТВС-2М, TBC ВВЭР-1500, TBC ВВЭР-12С0 (АЭС-2006) и совместной расчет-но-эмпирической модели фреттинг-износа твэлов РНЦ «Курчатовский институт» и ОКБ «Гидропресс».

При защите проектов TBC могут быть использованы следующие результаты, обнаруженные и подтвержденные экспериментально в ходе работы:

- даже при наличии зазоров между твэлом и ДР лишь в единичных случаях проявляются колебания с частотами, характерными для удвоенных пролетов;

- при увеличении амплитуды вибрационного воздействия значительно (на порядок) усиливается демпфирование колебаний, т.е. TBC проявляет себя как система с отрицательной обратной связью;

- при имитации сейсмического воздействия резонансные отклики TBC отсутствуют;

- при вибрации отсутствует значительное снижение изгибной жесткости

TBC;

- силы трения при продольном перемещении твэлов через ячейки ДР в условиях вибрации снижаются.

Последний из перечисленных эффектов также может иметь прикладное значение на стадии сборки TBC.

7. Увеличение длин пролетов твэлов между ДР свыше 340 мм в новых проектах TBC, по мнению автора, нежелательно.

8. Большая часть из представленных в работе экспериментальных результатов получена впервые в отечественной атЬмной энергетике.

9. В продолжение выполненных работ запланировано проведение экспериментальных исследований динамических характеристик TBC в потоке теплоносителя, в том числе со штатными параметрами с использованием разработанных методик.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Yu.N.Drozdov, Al.A.Tutnov, A.A.Tutnov, E.E.AIexeyev, V.V.Makarov, A.V.Afanasyev. Analytical and experimental studies of fretting-corrosion and vibrations of fuel assemblies of a VVER-1000 water cooled and water moderated power reactor. 2006 International Meeting on LWR fuel performance, 22-26 October 2006, Salamanca, Spain. Transactions, pp. 555-569.

2. B.B. Макаров, A.B. Афанасьев, И.В. Матвиенко. Модальный анализ макетов ТВС реакторов ВВЭР при силовом и кинематическом возбуждении вибрации. 5-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ФГУП ОКБ «Гидропресс», г. Подольск, Россия, 2007, том 2, с.137-148.

3. Yu.N. Drozdov, Al.A. Tutnov, A.A. Tutnov, E.E. Alekseev, V.V.' Makarov, A.V. Afanasyev. Calculated and experimental research of VVER-1000 assembly vibration and fretting damage. Proceedings of the 7th International Conference on WWER Fuel Performance, Modelling and Experimental Support Conference, Al-bena, Bulgaria, September 17-21, 2007, pp. 386-394.

4. V.V. Makarov, A.V. Afanasyev, I.V. Matvienko, Alexander S. Kiselev, Alexey S. Kiselev, S.E. Volkov. WWER FA modal analysis under vibration force and kinematic excitation. Proceedings of the 7lh International Conference on WWER Fuel Performance, Modelling and Experimental Support Conference, Albena, Bulgaria, September 17-21, 2007.

5. I.N.Vasilchenko, A.V.Seleznev, S.N.Kobelev, V.V.Makarov, A.V.Afanasjev, I.V.Matvienko, A.A.Enin, A.P.Ustimenko, S.E. Volkov. Experimental verification of FA for WWER-1000. Investigations of TVS - 2M. Proceedings of the 7th International Conference on WWER Fuel Performance, Modelling and Experimental Support Conference, Albena, Bulgaria, September 17-21, 2007.

6. Дроздов Ю.Н., Тутнов A.A., Тутнов Ан.А., Алексеев Е.Е., Макаров В.В., Афанасьев А.В. Расчетно-экспериментальные исследования фрет-тинг-коррозии и колебаний тепловыделяющих сборок водоводяного энергетического реактора ВВЭР-1000//Вест ник машиностроения, 2007, №7, с. 26-34.

7. Ю.Н. Дроздов, А.А. Тутнов, Ан.А. Тутнов, Е.Е. Алексеев, В.В. Макаров, А.В. Афанасьев. Расчетно-экспериментальные исследования фреттинг-коррозии и колебаний ТВС ВВЭР-1000//Атомная энергия, 2007, №6, том 102, с. 336-344.

8. Васильченко И.Н., Селезнев А.В., Кобелев С.Н., Макаров В.В., Афанасьев А.В., Матвиенко И.В., Енин А.А., Устименко А.П. Экспериментальное обоснование ТВС для ВВЭР-1000. Исследования на примере ТВС-2М//Вопросы атомной науки и техники, вып. 19, 2007, с. 69-80.

9. Макаров В.В., Афанасьев А.В., Матвиенко И.В., Тутнов Ал.А., Киселев Александр С., Киселев Алексей С. Модальный анализ макетов ТВС реакторов ВВЭР при силовом и кинематическом возбуждении вибрации//Вопросы атомной науки и техники, вып. 19, 2007, с. 85-100.

10. Yu. N. Drozdov, A. A. Tutnov, An. A. Tutnov, Е. Е. Alekseev, V. V. Makarov and А. V. Afanas'ev. Computational-experimental studies of fretting corrosion and oscillations of the fuel bundles of the VVER-1000 power reactor. Russian Engineering Research. Volume 27, Number 7 / Июль 2007 г. pp. 422-432.

11. Dr.Yu.N.Drozdov, Dr. Al.A.Tutnov , Dr. A.A.Tutnov , E.E.Alexeyev, V.V.Makarov, A.V.Afanasyev. Analytical and experimental studies of fretting-corrosion and vibrations of fuel assemblies of a VVER-1000 water cooled and water moderated power reactor. 1CAPP 2007. Nice, France, May 13 - 18, 2007, Paper 7536.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-002-86. М.: Энергоатомиздат, 1989. -525 с.

2. Ю.Г. Драгунов, Б.Н. Дранченко, В.В. Абрамов, В.У. Хайретдинов. Вибродинамические исследования в обоснование проектных решений ВВЭР. 5-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», 29 мая - 1 июня 2007 г., Подольск. Сборник докладов, т. 2, с.356-375.

3. Г.В. Аркадов, В.И. Павелко, А.И. Усанов. Виброшумовая диагностика ВВЭР. М.: Энергоатомиздат, 2004. - 344 с.

Введение.

Глава 1 Предпосылки для исследований.•.

1.1 Описание конструкции активных зон и тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР, условия работы TBC в активных зонах.

1.2 Анализ причин отказов TBC в реакторах.

1.3 Влияние конструкционных и эксплуатационных факторов на вибрационную прочность и устойчивость TBC.

1.4 Опыт экспериментальных исследований вибрации TBC.

1.5 Эмпирическая модель фреттинг-износа оболочек твэлов.

1.6 Обоснование сейсмической прочности и стойкости активной зоны.

1.7 Методики и средства исследований динамических характеристик.

Глава 2. Экспериментальные исследования собственных колебаний макетов TBC.

2.1 Методика исследования собственных колебаний TBC и ее элементов.

2.2 Собственные частоты и формы колебаний макетов TBC и их элементов

2.3 Демпфирование колебаний макетов TBC.

2.4 Собственные частоты колебаний элементов TBC.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования TBC как нелинейной динамическойсистемы.

3.1 Методика исследований.

3.2 Влияние амплитуды вибрационного воздействия на динамические характеристики TBC.

3.3 Исследования динамической жесткости твэлов.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Испытания макета TBC на сейсмические воздействия.

4.1 Методика испытаний макета TBC на сейсмические воздействия.

4.2 Вибрационный отклик TBC на широкополосное сейсмическое воздействие.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Исследования влияния вибрации на характеристики сопротивления TBC механическим и температурным воздействиям.

5.1 Влияние вибрации на усилия взаимодействия твэлов с дистанционирующими решетками.

5.2 Влияние вибрации на изгибную жесткость TBC.

5.3 Влияние вибрации на чувствительность к циклическим изменениям температур.

Выводы к главе 5.

Актуальность работы. Как в отечественной, так и в зарубежной атомной энергетике значительную долю отказов ядерного топлива составляют отказы, вызванные вибрацией. Фреттинг-износ твэлов в местах контакта с нижней опорной и дистанционирующими решетками влечет за собой существенные экономические потери, связанные с загрязнением первого контура, остановкой реактора и преждевременной выгрузкой TBC. Некоторые технические решения для существующих и новых проектов водо-водяных реакторов (в частности, ВВЭР-1200), такие как введение решеток-перемешивателей, отказ от крепления твэлов в нижней решетке, удлинение пролетов твэлов, реализуемые в конструкциях TBC с целью повышения технико-экономических показателей топлива, наряду с увеличением срока эксплуатации и глубины выгорания TBC способны привести к увеличению уровня вибрации TBC, что в свою очередь может повлечь износ оболочек твэлов. До недавнего времени в России отсутствовали программы, позволявшие разработчикам топлива выполнять оценки глубины износа и ресурса оболочки твэла.

В последние годы в РНЦ «Курчатовский институт» совместно с ОКБ «Гидропресс» разрабатывается расчетно-экспериментальная модель фреттинг-износа твэлов. В рамках этой работы на стендовой базе ОКБ «Гидропресс» проводятся экспериментальные исследования динамических характеристик TBC, процессов трения и фреттинг-износа. Также результаты исследований динамических характеристик могут быть использованы непосредственно конструкторами при разработке новых конструкций TBC, например, для отстройки от ре-зонансов твэлов на частотах вынуждающих сил.

Одним из направлений совершенствования конструкции TBC является снятие излишнего консерватизма. В частности, значительный, а, возможно, излишний запас консерватизма заложен в обосновании сейсмической прочности TBC. В настоящее время обоснование сейсмической прочности ДР TBC проводится на основании консервативного критерия отсутствия пластических деформаций ДР от действия статической поперечной сжимающей силы, равной максимальному расчетному динамическому усилию взаимодействия TBC между собой и с выгородкой в активной зоне. При расчете усилий взаимодействия также применяется консервативный подход, при котором все TBC откликаются на собственных частотах колебаний и собираются в плотную упаковку вблизи выгородки. Необходимость дополнительных (прежде всего - экспериментальных) исследований отклика TBC на сейсмическое воздействие определяется возможностью снятия излишнего консерватизма в конструкции TBC, в частности, - оптимизации конструкции ячейки ДР.

Разработка современных методик и проведение на уровне ведущих зарубежных исследователей экспериментальных работ по обоснованию безопасности TBC при динамических воздействиях является одним из слагаемых, определяющих конкурентоспособность российского топлива на зарубежных рынках топлива как для реакторов ВВЭР, так и для зарубежных реакторов.

Актуальность работы определяется изложенными аргументами, а также отраслевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 6 октября 2006 года.

Целью диссертационной работы являлась разработка методики экспериментальных исследований динамических свойств тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР и получение экспериментальных данных, необходимых для обоснования вибрационной прочности и сейсмической стойкости TBC.

Исследования проводились по следующим направлениям:

1. Экспериментальное определение параметров собственных колебаний (частот, форм и коэффициентов демпфирования) семи полномасштабных макетов TBC реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1500, ВВЭР-1200 (АЭС-2006).

2. Экспериментальные исследования собственных колебаний отдельных элементов TBC (твэлов, нижней опорной решетки, уголков) в составе макетов TBC и на моделях отдельных узлов.

3. Экспериментальные исследования TBC как нелинейной динамической системы.

4. Анализ влияния эксплуатационных факторов и конструктивных особенностей TBC на их динамические характеристики.

5. Разработка методики воспроизведения колебаний опор TBC при землетрясениях, исследования отклика TBC при воспроизведении акселерограмм на опорах.

6. Исследование влияния вибрации на силу трения между твэлами и ДР, характеристики сопротивления TBC продольно-поперечному изгибу и циклически изменяющимся температурам.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов подтверждены успешно проведенными научно-исследовательскими работами, что стало возможным благодаря комплексному применению теоретических и экспериментальных методов исследования. Достоверность результатов исследований обеспечена применением современных средств измерений, своевременных метрологических калибровок измерительных каналов и подтверждена сравнением с результатами расчетных и экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

- методика и результаты исследований частот, форм и коэффициентов демпфирования собственных колебаний TBC и ее элементов;

- методика и результаты исследования TBC как нелинейной динамической системы;

- методику сейсмических испытаний TBC, результаты исследования отклика TBC на сейсмические воздействия;

- методика и результаты исследований влияния вибрации на характеристики сопротивления TBC статическим механическим и температурным воздействиям.

Научная новизна Разработана методика и проведены экспериментальные исследования собственных колебаний полномасштабных макетов TBC и их узлов на воздухе при 20 °С. Впервые в отрасли экспериментально исследована TBC как нелинейная динамическая система, а именно, - определено влияние амплитуды вибрационного воздействия на частоты резонансов и демпфирование колебаний. Разработана методика сейсмических испытаний TBC с воспроизведением акселерограмм опор при землетрясениях, определен динамический отклик TBC на воздействие сейсмических нагрузок, исследован процесс деформирования TBC под действием сейсмических нагрузок, выполнен сравнительный анализ результатов эксперимента с расчетами активной зоны на сейсмические воздействия. Определено влияние вибрации на усилия взаимодействия между твэлами и ячейками ДР. Разработаны методики испытаний на продольно-поперечный изгиб сосредоточенной силой и термоциклических испытаний TBC в условиях вибрации, получены оценки изгибной жесткости и чувствительности к циклически меняющимся температурам в условиях вибрации.

Практическая полезность работы определяется проведенными в течение ряда лет исследовательскими работами в соответствии с договорами между ОКБ «Гидропресс» и ОАО «ТВЭЛ», ЗАО «Атомстройэкспорт».

Результаты работы использованы при разработке технических проектов ТВС-2М, TBC ВВЭР-1500, TBC АЭС-2006, при создании расчетно-эмпирической модели фреттинг-износа совместной разработки РНЦ «Курчатовский институт» и ОКБ «Гидропресс».

Полученные динамические характеристики TBC использованы при разработке перспективных конструкций TBC для существующих и новых проектов РУ.

Личный вклад автора в разработке методик, конструкций стенда и приспособлений, проведении, обработке, анализе результатов всех представленных в работе исследований, проводившихся в ОКБ «Гидропресс» в период с 2005 по 2008 годы, был определяющим.

Реализация результатов

Результаты исследований использованы:

- в пояснительных записках к техническим проектам ТВС-2М, TBC ВВЭР-1500, TBC АЭС-2006;

- при разработке кода для расчета фреттинг-износа оболочек твэлов в контакте с ячейками ДР.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались, публиковались в трудах научно-технических конференций:

- International Meeting on LWR Fuel Performance Top Fuel-2006, Salamanca, Spain, 2006;

- 5-я MHTK «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ФГУП ОКБ «Гидропресс», г. Подольск, Россия, 2007;

- 7th International Conference on WWER Fuel Performance, Modeling and Experimental Support, Albena, Bulgaria, 17-21 September 2007;

- ICAPP 2007, Nice, France, May 13- 18, 2007.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 печатных работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 70 наименований; диссертация содержит 123 страницы машинописного текста, включая 43 рисунка, 22 таблицы.

7. Результаты работы использованы при разработке технических проектов ТВС-2М, TBC ВВЭР-1500, TBC АЭС-2006 и в расчетно-эмпирической модели фреттинг-износа твэлов совместной разработки РНЦ «Курчатовский институт» и ОКБ «Гидропресс».

При защите проектов TBC могут быть использованы следующие результаты, обнаруженные и подтвержденные экспериментально в ходе работы:

- даже при наличии зазоров между твэлом и ДР лишь в единичных случаях проявляются колебания с частотами, характерными для удвоенных пролетов;

- при увеличении амплитуды вибрационного воздействия значительно (на порядок) усиливается демпфирование колебаний, т.е. TBC проявляет себя как система с отрицательной обратной связью;

- отсутствие резонансных откликов при имитации сейсмического воздействия;

- отсутствие значительного снижения изгибной жесткости TBC при вибрации;

- снижение сил трения при продольном перемещении твэлов через ячейки ДР в условиях вибрации.

Последний из перечисленных эффектов также может иметь прикладное значение на стадии сборки TBC.

8. Увеличение длин пролетов твэлов между ДР свыше 340 мм в новых проектах TBC, по мнению автора, нежелательно.

9. Большая часть из представленных в работе экспериментальных результатов получена впервые в отечественной атомной энергетике.

10. В продолжение выполненных работ запланировано проведение экспериментальных исследований динамических характеристик TBC в потоке теплоносителя, в том числе со штатными параметрами с использованием разработанных методик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании анализа современного состояния экспериментальных и расчетных исследований вибрации TBC в отечественной и зарубежной атомной энергетике разработаны методики, созданы стендовые установки и проведены экспериментальные исследования семи полномасштабных макетов TBC ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, ВВЭР-1500 по следующим направлениям:

- исследования собственных колебаний;

- исследования TBC как нелинейной динамической системы;

- испытания на сейсмические воздействия;

- исследование влияния вибрации на характеристики сопротивления TBC статическим механическим и температурным воздействиям.

2. Выполнены экспериментальные исследования собственных колебаний семи полномасштабных макетов TBC реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 (АЭС-2006) и ВВЭР-1500. Исследования проводились на воздухе при температуре (20±5) °С при минимальном приемлемом уровне вибрации TBC (пол рядка 0,01 м/с ).

Выявлено два типа собственных колебаний TBC. Первый тип - колебания для TBC как целого, наблюдаются во всех точках TBC за исключением узлов. Второй тип - колебания, свойственные каким-то определенным элементам TBC (твэлам, нижней опорной решетке).

В колебаниях TBC как целого имеются изгибные и крутильные формы. Первая частота изгибных колебаний макетов составляет от 2,5 Гц у макета TBC ВВЭР-1500, имитирующего «выгоревшее» состояние, до 6,9 Гц у макета РК-3 ВВЭР-440. Первая частота крутильных колебаний находится в пределах от 4,5 до 11,5 Гц. Собственные частоты зависят от длины, изгибной жесткости и массы TBC в приближении однородной балки f

Частоты собственных колебаний твэлов в пролетах между ДР определяются главным образом длиной и массой пролета. Колебания на частотах соседних пролетов имеют амплитуду на порядок меньше. Введение антивибрационной решетки увеличивает собственную частоту твэла в нижнем пролете до величин более 1,6 кГц. Появление зазоров между твэлами и ячейками ДР приводит к снижению собственной частоты твэла на величину от 2 до 37 % в зависимости от длины пролета. Лишь у одного из нескольких десятков исследованных пролетов с зазорами твэлов в ДР отмечена частота, характерная для удвоенного пролета.

Коэффициенты демпфирования собственных колебаний TBC близки к коэффициентам демпфирования систем с внутренним трением и составляют несколько процентов от критического демпфирования.

3. Проведены исследования динамических характеристик TBC при различных уровнях вибрационного возбуждения. Установлено, что резонансные частоты и демпфирование TBC в значительной степени зависят от амплитуды воздействия, т.е. TBC является существенно нелинейной динамической системой. Основной причиной снижения резонансных частот является уменьшение жесткости TBC при увеличении амплитуды колебаний, усиление демпфирования вызвано переходом от трения покоя к трению скольжения в подвижных соединениях.

Твэлы в пролетах между ДР также проявляют нелинейность. С увеличением амплитуды воздействия происходит снижение частоты резонансов и снижение динамической жесткости твэла.

4. Разработана методика испытаний макетов TBC на сейсмическое воздействие, создаваемое путем воспроизведения на опорах TBC акселерограмм, полученных по результатам расчета для определенной площадки АЭС. Ускорения и перемещения опор TBC при проведении испытаний отличались от целевых не более чем на 5%.

Проведенные испытания показали, что в диапазоне частот сейсмических нагрузок резонансный отклик TBC либо отсутствует, либо сильно задемпфиро-ван. Колебания TBC происходят на частотах вынуждающих сил и не совпадают по фазе с колебаниями опор. Отсутствие резонансных откликов свидетельствует о консервативности расчетов активной зоны на сейсмические нагрузки, согласно которым TBC откликается на сейсмические воздействия на собственных частотах.

5. Исследовано влияние вибрации на силу трения между твэлами и ДР. Обнаружено явление снижения силы трения при продольном перемещении твэ-лов относительно ДР в условиях вибрации. В частности, при частотах поперечной вибрации TBC от 13 до 32 Гц сила трения при продольном перемещении твэла снижалась на величину до 30 %.

В TBC каркасных конструкций не отмечено значительного влияния вибрации на характеристики сопротивления продольно-поперечному изгибу и циклическим изменениям температур. Это связано с преобладанием упругого механизма сопротивления указанным нагрузкам, которое обеспечивается силовым каркасом, в то время как вибрация ослабляет неупругую составляющую, связанную с трением.

6. В продолжение выполненных исследований рекомендуется продолжение экспериментальных исследований в стоячей воде и потоке теплоносителя на введенном в эксплуатацию стенде сейсмических и вибрационных испытаний TBC. Исследования в среде теплоносителя необходимы для определения его влияния на динамические характеристики TBC, заключающееся, по данным зарубежных исследователей [67, 68], в значительном усилении демпфирования и снижении собственных частот. Рекомендуемый объем исследований:

- исследования собственных колебаний TBC и твэлов в стоячей воде и потоке теплоносителя;

- исследования вынужденных колебаний TBC и твэлов, вызванных потоком теплоносителя;

- исследования нелинейности TBC при различных уровнях вибрационного воздействия в стоячей воде и потоке теплоносителя;

- испытания макетов TBC на сейсмические воздействия в потоке теплоносителя с воспроизведением на опорах расчетных акселерограмм и измерением отклика TBC на сейсмические воздействия;

- исследования сил соударения TBC с выгородкой при воспроизведении акселерограмм на опорах TBC.

1. Yu.N. Drozdov, Al.A. Tutnov, A.A. Tutnov, E.E. Alekseev, V.V.

2. H.A. Махутов, Ю.Г. Драгунов, K.B. Фролов и др. Динамика и прочность водо-водяных энергетических реакторов. М.: Наука, 2004. - 440 с.

3. Машиностроение. Энциклопедия/ Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. Машиностроение ядерной техники. T. IV-25. В 2-х кн. Кн. 1. Е.О. Адамов, Ю.Г. Драгунов, В.В. Орлов и др. Под общ. ред. Е.О. Адамова. 2005. 960 с.

4. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-002-86. М.: Энергоатомиздат, 1989. -525 с.

5. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций. НП-031-01. Москва, 2001.

6. S.O. Perepelkin, D.V. Markov, V.S. Polenok, V.A. Zhitelev, G.I. Mayerchina. Results of post ilrradiation examinations ofWER leaky rods. Proceedings of Top Fuel 2009, Paris, France, September 6-10, 2009, Paper 2006.

7. R. Yang, O. Ozer, H.S. Rosenbaum. Current challenges and expectations of high performance fuel for the millennium. Light Water Reactor Fuel Performance. Park City, Utah, April 10-13, 2000. pp. 756-765.

8. C. A. Brown, F. T. Adams, G. C. Cooke, K. Koebke, J. Stabel. Fuel rod vibration and fretting impact on reliability. Light Water Reactor Fuel Performance, Park City, Utah, April 10-13, 2000. pp. 402-414.

9. Baillon N. Grid To Rod Fretting Wear In EDF PWR From Operating Problems To New Designs Qualification Method, Proceedings of a technical meeting held in Cadarache, France, 22-26 November 2004.

10. H. Kim, N. Park, S. Jeon, J. Shim, J. Park. Investigation on the Vibration Behavior of a Group of Fuel Rods with Potential Based Fluid. 2008 Water Reactor Fuel Performance Meeting, Seoul, Korea, October 19-22, 2008, Paper No. 8057.

11. R. Buechel, Z. Karoutas, R. Lu. Grid to Rod Fretting Performance of Westinghouse Fuel. 2008 Water Reactor Fuel Performance Meeting, Seoul, Korea, October 19-22, 2008, Paper No. 8080.

12. M. Mutyala. Westinghouse Fuel Direction. Proceedings of the 2004 International Meeting on LWR Fuel Performance, Orlando, Florida, September 19-22, 2004, pp. 18-24.

13. R. Yang, O. Ozer, K. Edsinger, B. Cheng, J. Deshon, An Integrated Approach to Maximizing Fuel Reliability. Proceedings of the 2004 International Meeting on LWR Fuel Performance, Orlando, Florida, September 19-22, 2004, pp. 11-17.

14. К. Edsinger, A. Kucuk, J. Deshon, E. Mader, B. Cheng, S. Yagnik, R. Daum, and B. Schimmoller. Recent U.S. Fuel Reliability Experience. Proceedings of Top Fuel 2009, Paris, France, September 6-10, 2009, Paper 2044.

15. X. Thibault, T. Meylogan, E. Briard, G. Chaigne. EDF PWR fuels. EDF Operating experience. Proceedings of Top Fuel 2009, Paris, France, September 6-10, 2009, Paper 2153.

16. Barbosa E., Perota J., Silva J. Angra I fuel assembly flow induced vibration monitoring and inspection (SMORN-VIII) Prog. Nucl. Energy. 2003. Vol. 43. N1-4.

17. R.Terasvirta. Fuel design and operational experience in Loviisa NPP, future trends in fuel issues. Reports on the international Conference on WWER Fuel Performance, Modeling and Experimental Support, Albena, Bulgaria, l-5th October,2001.

18. Установление причин разгерметизации рабочей кассеты №13634250, облучавшейся 4 года на 3-м блоке НВАЭС. А.К.Панюшкин, Е.Г.Бек, В.А.Цибуля и др. Доклад на Российско-финском семинаре по обмену опытом по эксплуатации кассет ВВЭР-440, Хельсинки, 1999.

19. J. Stabel, M. Ren, B. Ladouceur. New knowledge and experiences of flow induced fretting in PWR fuel assemblies. 18th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 18) Beijing, China, August 7-12, 2005, pp. 345-354.

20. Дранченко Б.Н., Драгунов Ю.Г., Портнов Б.Б., Селезнев А.В. Экспериментальные исследования напряженного состояния и прочности оборудования ВВЭР. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 640 с.

21. М. Beczkowiak, J.L.Mourlevat, Т.A. Wells. AREVA Advances in PWR Core Monitoring. Proceedings of the 2004 International Meeting on LWR Fuel Performance, Orlando, Florida, September 19-22, 2004, pp. 664-669.

22. Г.В. Аркадob, В.И. Павелко, А.И. Усанов. Виброшумовая диагностика ВВЭР. М.: Энергоатомиздат, 2004. 344 с.

23. Z. Karoutas, P. File, M. Martin. Advanced Fuel Implementation at Calvert Cliffs 1 and 2. Proceedings of the 2004 International Meeting on LWR Fuel Performance, Orlando, Florida, September 19-22, 2004, pp. 356-365.

24. Chan Bock Lee and others. Post-irradiation Examination of High Burnup UO2 Fuel. Proceedings of the 2004 International Meeting on LWR Fuel Performance, Orlando, Florida, September 19-22, 2004, pp. 200-206.

25. R. Tropasso, J. Willse, B. Cheng. Crud-induced cladding corrosion failures in TMI-1 cycle 10. Proceedings of the 2004 International Meeting on LWR Fuel Performance, Orlando, Florida, September 19-22, 2004, pp. 339-347.

26. H.K. Kim, J.S. Yoo, J.I. Kim, J.S. Lee, Y.K. Jang, K.T. Kim. Fretting wear examination on the Guardian fuel for OPRIOOO plants. 2006 International Meeting on LWR fuel performance, 22-26 October 2006, Salamanca, Spain, pp. 446-450.

27. Гидродинамически возбуждаемые вибрации пучка твэлов при различных характеристиках потока теплоносителя на входе в ТВС ВВЭР-440 / Солонин В. И., Перевезенцев В. В. Известия ВУЗов. Сер. "Машиностроение". № 3. -2006, с. 23-29

28. Radu О. Pomirleanu. Mechanisms for flow-induced vibration of nuclear fuel rods. Proceedings of the 2004 International Meeting on LWR Fuel Performance, Orlando, Florida, September 19-22, 2004, pp. 170-175.

29. J. Vallory. Methodology of PWR fuel rod vibration and fretting evaluation in Hermes facilities. Proceedings of the 2004 International Meeting on LWR Fuel Performance, Orlando, Florida, September 19-22, 2004, pp. 156-162.

30. M. Aullo, R. Canencia, D. Chapin, R. Lu, W. Rabenstein. Fretting Performance of the RFA Fuel. Proceedings of Top Fuel 2009, Paris, France, September 6-10, 2009, Paper 2063.

31. Цеснек JI. С., Механика и микрофизика истирания поверхностей, М., Машиностроение, 1979, 264 с.

32. В.М. Троянов, Ю.И. Лихачев, В.А. Фоломеев. Метод расчета на сейсмическое воздействие активной зоны ВВЭР-1000, Известия вузов. Ядерная энергетика, №3, 2002, с. 26-33.

33. Troyanov V.M., Likhachev Y.I., Folomeev V.I., Demishonkov A.A., Troyanova N.M., Tutnov Al.A, Tutnov An.A, Kiselev A.S., Kiselev Al.S, Alekseev

34. Е.Е., Ivanova O.I., Ulyanov A.I. Numerical and analytical investigation of WWER-1000 fuel assembly and reactor core thermal mechanics. Proceedings of a technical meeting held in Cadarache, France, 22- 26 November 2004.

35. D. Brochard, A. Ben Jedidia, F. Gantenbein, R.J. Gibert. Dynamic modeling of PWR fuel assembly for seismic behaviour. SMIRT 12, 1993, pp. 115-120.

36. J.C. Queval, D. Broc, J. Rigaudeau, E. Vialett. Seismic tests of interacting full-scale fuel assemblies on shaking table. SMiRT 16, Washington DC, August 2001, paper 1691.

37. J.C. Queval, F. Gantenbein, S. de Petrius. Experimental studies on seismic behaviour of PWR fuel assemblies. SMiRT 12, 1993, pp. 127-132.

38. Рандалл Р.Б. Частотный анализ. Изд-во К. Ларсен и сын А/О / ДК-2600 Голнструнд. Дания. 1989. - 389 с.

39. Дж. Бендат, А. Пирсол. Измерение и анализ случайных процессов. -М.: Мир, 1974.-464 с.

40. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. - 312 с.

41. О. Дэссинг. Испытания конструкций. В двух частях. Издание фирмы «Брюль и Кьер», Дания, 1989.

42. Ф.С. Цзе, И.Е. Морзе, Р.Т. Хинкл. Механические колебания. М.: Машиностроение, 1966. — 508 с.

43. Я.Г. Пановко. Основы прикладной теории колебаний и удара. Л.: Машиностроение, 1976. - 320 с.

44. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах под ред. В.В. Болотина. -М.: Машиностроение, 1978.

45. С.Ф. Абрамович, Ю.С. Крючков. Динамическая прочность судового оборудования. Л.: Судостроение, 1967. — 512 с.

46. С.П. Тимошенко. Прочность и колебания элементов конструкций. -М.: Наука, 1975.-704 с.

47. S. Pisapia, B. Collard, S. Bellizzi, V. Mori. Modal Testing and Identification of a PWR Fuel Assembly. 17th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 17), Prague, Czech Republic, August 17 -22, 2003, paper CI-04.

48. B. Collard. Flow induced damping of a PWR fuel assembly. TCM IAEA, Cadarache, France, November 2004, paper 4.2.