автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка алгоритмов количественного анализа изображений при исследовании двуокиси урана и оболочек облученных твэлов ВВЭР

УДК 621.039.5

на правах рукописи

Звир Елена Аркадьевна

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДВУОКИСИ УРАНА И ОБОЛОЧЕК ОБЛУЧЕННЫХ ТВЭЛОВ ВВЭР

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Димитровград 2004

Работа выполнена в ФГУП "Государственном научном центре Российской Федерации Научно-исследовательском институте атомных реакторов"

Научный руководитель: д.т.н. Смирнов Валерий Павлович.

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., профессор Вещунов Михаил Сергеевич, к.т.н. Троянов Владимир Михайлович.

Ведущая организация (предприятие): ФГУП ОКБ "Гидропресс". 142103 г. Подольск, Московская обл. ул. Орджоникидзе, 21.

Защита состоится: " 2004 г. на заседании

диссертационного совета Д 002.070.01 при Институте проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук по адресу: 115191, г. Москва, ул. Б.Тульская, д.52.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук.

Автореферат разослан " г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 002.070.01

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы.

В соответствии со стратегией развития атомной энергетики на период до 2010 года особое внимание уделяется повышению безопасности, надежности и экономичности топливного цикла. Повышение эффективности и безопасности ядерного топлива требует понимания и прогнозирования его поведения при повышенных выгораниях, увеличенных нагрузках, как в штатных условиях эксплуатации, так и в аварийных ситуациях. Появление Rim-слоя, накопление значительного количества плутония и продуктов деления, снижение пластичности оболочки, уменьшение, а с некоторого выгорания и исчезновение зазора между таблетками и оболочкой, окисление и гидрирование элементов конструкций, изменение структуры топлива - представляют собой далеко не полный перечень явлений, происходящих при повышении выгорания и нагрузок на топливо ВВЭР. Все эти изменения влияют на ресурс топлива, его надежность и безопасность. Процедура лицензирования ядерного топлива предполагает возможность расчетного моделирования процессов, происходящих при его эксплуатации. В связи с этим при послереакторных исследованиях топлива возникает задача количественного описания вызванных облучением изменений параметров ТВС и их фрагментов, включая таблетки и оболочки твэлов, что обусловливает актуальность работы, направленной на повышение информативности материаловедческих исследований.

Метод количественного анализа изображений является одним из основных, а часто и единственным источником количественной информации при послереакторных исследованиях твэлов и ТВС, что обусловливает актуальность его совершенствования для оценки параметров, необходимых для оценки точности расчётного моделирования процессов, происходящих в активной зоне реактора.

Научная новизна.

Разработаны новые методы количественного анализа изображений, получаемых на оптическом и электронном микроскопах:

• метод идентификации границ сечений пор на оцифрованных изображениях;

• метод оценки пористости с учётом всего размерного диапазона пор по параметрам аппроксимирующей функции, определённой в диапазоне, контролируемом с помощью оптической и электронной микроскопии;

• метод измерения формоизменения оболочечных труб: окружной деформации, толщины стенки и кривизны поверхности.

• Определены количественные характеристики зерен топлива UO2 в диапазоне выгораний 0-63 МВт сут/кШ: средний эффективный диаметр зерна, номер размера зерна по ASTM, распределения неравноосности и

ориентации сечений.

О.ч тИ*

• Измерены параметры пор топливного сердечника твэлов ВВЭР-440 в интервале выгораний 42-63 М Втсут/кги.

• Проведено количественное описание микроструктуры топлива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВт сут/кги, испытанного в режиме ступенчатого увеличения мощности от 100 до 436 Вт/см.

• Измерено формоизменение оболочек твэлов ВВЭР, испытанных на разрыв под действием внутреннего давления: окружная. деформация, толщина стенки и кривизна поверхности.

• При исследовании поведения материалов А3 ВВЭР в условиях тяжелой аварии • определены параметры, не использовавшиеся ранее для верификации расчётных программ:

• степень окисления оболочек, до начала плавления;

• блокировка сечения протока теплоносителя с учетом пористости расплава;

• аксиальный массопереносиОг-

Практическая ценность.

• Применение разработанных методов количественного анализа изображений позволило получить новые количественные характеристики, описывающие поведение топлива и оболочек твэлов ВВЭР в штатных, переходных и аварийных режимах. Полученные результаты использованы для обоснования возможности повышения выгорания топлива ВВЭР при штатной эксплуатации и разработки-критериев его безопасности в аварийных режимах.

• Полученные количественные характеристики микроструктуры облученного топлива дополняют накопленный банк данных по свойствам топлива ВВЭР и используются при верификации расчетных кодов.

• Получена база данных по формоизменению оболочек ВВЭР из сплава 2г-1%ЫЬ в зависимости от температуры и скорости деформации при нагружении внутренним давлением в диапазоне температур 20 - 1200 °С. Полученные результаты позволяют провести верификацию расчетных программ, моделирующих поведение твэлов в аварийных режимах.

• Результаты исследований поведения материалов в условиях запроектной аварии (эксперимент КОРА/ВВЭР) использованы при, проведении международной Стандартной проблемы !БР-36, в результате которой была доказана возможность использования интегральных кодов, разработанных для реакторов PWR, для оценки поведения активной зоны ВВЭР в условиях аварии с тяжелым, повреждением топлива. Результаты по исследованию сборки КОРА/ВВЭР-2 использованы для усовершенствования аналитических моделей высокотемпературного поведения материалов.

Личный вклад автора. Лично автором:

• разработана методика определения параметров зёрен и пор диоксида урана методом количественного анализа изображений, получаемых на оптическом микроскопе;

• с использованием данной методики проведены исследования структуры, таблеток 1Юг после штатных и переходных режимов эксплуатации, а также в необлученном состоянии;

• разработан метод измерения деформации оболочек твэлов по результатам количественной обработки изображений их поперечных сечений;

• выполнены измерения деформации необлученных и облученных оболочек твэлов, нагруженных внутренним давлением;

• с использованием метода количественного анализа изображений определены параметры, характеризующие степень и механизмы повреждения твэлов и элементов конструкций двух модельных ТВС ВВЭР-1000, испытанных в условиях тяжелой аварии.

Личный вклад автора в получении основных результатов представленной к защите работы является определяющим.

Цель работы и задачи исследований.

Целью данной работы являлась разработка методов и алгоритмов количественного анализа изображений, применительно к задачам исследования поведения топлива в штатных и переходных режимах, формоизменения

оболочек твэлов, испытанных в аварийных условиях, поведения материалов активной зоны ВВЭР в условиях аварии с тяжелым повреждением топлива.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

• разработка методики измерения параметров зёрен и пор диоксида урана методом количественной обработки изображений, полученных с помощью оптической и электронной микроскопии;

• определение характеристик микроструктуры топлива после штатных и переходных режимов работы на основе разработанных методов;

• разработка алгоритмов для количественного описания деформации оболочек твэлов ВВЭР по оцифрованному изображению;

• измерение аксиального перераспределения материалов ТВС ВВЭР-1000, испытанной в условиях тяжелой аварии с плавлением элементов конструкции сборки.

Автор защищает,

• Разработанные методы количественного анализа изображений, получаемых на оптическом и электронном микроскопах:

• метод идентификации границ сечений пор на оцифрованных изображениях;

• метод оценки пористости с учётом всего размерного диапазона пор по параметрам аппроксимирующей функции, определённой в диапазоне, контролируемом с помощью оптической и электронной микроскопии;

• метод измерения параметров формоизменения оболочечных труб: окружная деформация, толщина стенки и кривизна поверхности.

• Результаты измерений параметров зерен топлива 1Юг в диапазоне выгораний О - 63 МВт сут/кги.

• Результаты исследования пористости Rim-слоя топливного сердечника твэлов ВВЭР-440 в интервале выгораний 42-63 МВтсут/кги.

• Результаты количественного описания изменения микроструктуры топлива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВтсут/кги в процессе ступенчатого увеличения мощности от 100 до 436 Вт/см.

• Результаты исследований температурной зависимости деформации оболочек твэлов ВВЭР, разрушенных внутренним давлением.

• Результаты исследований модельной сборки КОРА/ВВЭР-2, испытанной в условиях тяжелой аварии с потерей теплоносителя, полученные с помощью метода количественной обработки изображений.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 97 страницах машинописного текста,

рисунков 46, таблиц 13, и состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы

из 77 наименований.

Апробация работы.

Основные результаты работы представлены и обсуждались на:

• четвёртой межотраслевой конференции по реакторному - материаловедению, Димитровград, 15-19 мая, 1995г[9];

• техническом комитете МАГАТЭ "Поведение материалов активных зон ВВЭР в аварийных условиях", Димитровград, 9-13 октября 1995г [10,11];

• международной рабочей группе по проблеме КОРА, КЖ 11-13 октября 1995г Карлсруэ (Германия);

• девятой Международной конференции Ядерного Общества России (Ульяновск-Димитровград, сентябрь 1998 г.) [4];

• методических семинарах КНТС по реакторному материаловедению. Димитровград, 1994г. 1999 г, 2001г.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 52 работы, из них 11 печатных

и 41 рукописная.

2. Содержание работы

Разработка методов количественного описания микроструктуры топлива позволяет оценивать и прогнозировать его структурную стабильность в условиях штатной эксплуатации и аварийных режимах по результатам - послереакторных материаловедческих исследований. Важнейшими характеристиками структурной стабильности топлива иОг в условиях эксплуатации в реакторе, определяющими такие его важные параметры как распухание, теплопроводность и газовыделение, являются изменение размера зерна и развитие газовой пористости.

Автором разработана методика определения параметров зерен и пор диоксида -урана; основанная на количественной обработке оцифрованных изображений -микроструктур, получаемых на металлографическом или сканирующем электронном микроскопе.

В основу методики измерения размера зерна [2] положены расчетные алгоритмы, соответствующие Стандарту ASTM, основанные на измерении площадей сечения зерен на исследуемом участке.

Определяемые с использованием разработанной методики параметры зерен, диапазоны и погрешности их измерения при доверительной вероятности 95% представлены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры зерен и погрешности их измерения.

Определяемая величина Диапазон измерения Доверительный интервал относительной погрешности ,%

Средний эффективный диаметр сечения зерен Ь 1-50 мкм 2,5

Средняя площадь сечения зерен А 0,8 - 2000 мкм2 5

Номер размера зерна по АЭТМ б 6-17 6

Средняя неравноосность сечения зерен Е 0,01-1,00 2

Среднее направление ориентации сечения зерен ф -90* - +90* 3

Применение данной методики позволило автоматизировать процесс измерения, уменьшить погрешности и расширить список определяемых параметров зерен. С ее помощью автором определены параметры структуры топлива твэлов ВВЭР-1000 и ВВЭР-440 после штатных режимов эксплуатации, со средним выгоранием от 12,6 до 60 М Втсут/кШ (таблица 2).

Анализировались параметры зерен и их изменение по радиусу и оси таблеток, на поперечных и продольных сечениях твэлов, а также в необлученных таблетках 1Ю2 различных промышленных партий.

Таблица 2

Параметры зерен топлива твэлов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 после штатных режимов эксплуатации

ТВС Количество исследованных Диапазон выгорания, МВт сут/кг и Диапазон среднего диаметра сечений зерен, мкм Диапазон неравноосности сечений зерен

ТВС образцов

ВВЭР-440 5 32 34-60 2.6-8,5 0,65-0.73

ВВЭР-1000 11 42 12.6-50,7 3,4-22,6 0,65-0,73

В результате проведенного исследования установлено, что в штатном режиме эксплуатации ТВС ВВЭР-1000 в диапазоне выгораний от 12,6 до 50,7 МВт сут/кгU и ВВЭР-440 с выгоранием 3 4 - 6 0 МВтсут/кги структура топлива стабильна и параметры зёрен топлива соответствуют исходным.

Погрешности определения методом количественного анализа изображений пористости топлива и распределения пор по размерам зависят от точности идентификации границ сечений пор на оцифрованном изображении исследуемого шлифа. Поэтому особую актуальность приобретает разработка моделей, позволяющих учесть искажения и максимально приблизить анализируемые изображения к размерам истинных сечений пор.

Автором, разработан метод идентификации границ пор на оцифрованном изображении микроструктуры на основе математических моделей исходного сечения поры и процессов его преобразования [3].

При- исследовании распределения уровней яркости по сечениям пор на оцифрованных изображениях, установлено:

- на изображении нет чётких границ между фоном и сечением поры, наблюдается плавный переход уровней яркости, обусловленный размытием изображения;

- распределение яркости изображения крупных пор (диаметр 0>0,8 мкм для

оптического микроскопа при увеличении 1000 и D>0.4 мкм для сканирующего

электронного микроскопа при увеличении 5000) имеет "плато" и участки перехода с фона на "плато"; диаграмма яркости на участках перехода для таких пор имеет одинаковый характер и близка к экспоненциальной зависимости.

Это позволило ввести следующие математические модели:

- весь процесс преобразования микрорельефа шлифа в оцифрованное изображение в первом приближении описывается двумерной функцией Гаусса

с параметрами, которые определяются физическими свойствами всех применяемых приборов;

- в качестве модели идеализированного бинарного изображения поры Ь{х,у) автором предложена двумерная цилиндрическая функция с уровнями, равными уровням яркости фона

\1е> х>-

уеп,'

(1)

где С!р - множество значении координат пикселов х, у, принадлежащих сечению поры.

Реальное изображение поры Ц(х,у) выражается сверткой двух функций: входной цилиндрической функции (1) и двумерной функции Гаусса:

Используя свойства функций Н(£,т]) и Цх,у), в дискретном - виде для

оцифрованного изображения выражение для площади сечения идеализированной бинарной поры запишется в виде:

¡Х-м

(2)

где площадь пиксела изображения; яркость пиксела с индексами множество значений для которых выполняется соотношение

Уровень яркости фона ¿ф определяется как среднее значение уровня яркости на участках, где поры отсутствуют. Уровень яркости "плато" после подготовки изображения к количественной обработке равен нулю.

Если границы множества П выбирают из условия <Ьф> то вследствие

наличия у фона шумовой составляющей в это множество войдут также некоторые участки изображения фона. Для того чтобы исключить этот фактор, необходимо снизить уровень фона на значение равное 2<7^> тогда выражение (2) запишется в

виде:

где /- поправочное слагаемое, обусловленное уменьшением области

интегрирования. / = 2о^5 +2—Рг где Р- периметр сечения поры, у = угловой коэффициент участка перехода

фон - "плато".

Разработанный алгоритм вычисления площади сечения пор по оцифрованному изображению в отличие от всех существующих позволяет идентифицировать границы пор с учетом искажений оцифрованного изображения.

Автором разработан метод оценки пористости с учетом всего размерного диапазона пор по параметрам аппроксимирующей функции, определенной в диапазоне, контролируемом с помощью оптической и электронной микроскопии.

На рис. 1 приведена гистограмма распределения сечений пор по диаметрам, построенная по результатам обработки изображений, полученных на электронном и оптическом микроскопах. Методом наименьших квадратов, экспериментальное распределение аппроксимируется экспоненциальной функцией вида

1.Е+05

1.Е+01 -I----

0.5 1 1.5 2 2.5

Диаметр сечения пор, мкм

Рис. 1. Гистограмма распределения сечений пор по диаметрам ф) и аппроксимирующая функция (-).

По параметрам А и Л аппроксимирующей функции были определены параметры функции плотности распределения сечений пор по диаметру

которая является исходной для анализа пористости материала (рис. 2.).

* ~ е*Л _ 1

При условии, что форма сечения пор близка к окружности, умножение функции

плотности распределения дает функцию, описывающую вклад

сечений пор разного диаметра в общую пористость (дифференциальную функцию пористости):

1.0 1.5 2.0 2.5

Диаметр сечения пор, мкм

Рис. 2. Функция плотности распределения сечений пор по размерам.

Интегрирование £(£) ) во всем диапазоне диаметров сечений пор дает пористость образца:

яЫЪ° 4

Р^ Ъьо^ . Л »

(3)

На рис. 3 показаны дифференциальная функция пористости- и функция пористости, описывающая зависимость измеренной пористости в необлученном топливе ВВЭР от минимального размера учитываемых пор.

4.0 3.5 3.0

5 2.5

н о

£ 2.0

о.

о

с 1.5 1.0 0.5 0.0

\ 1

|\

/ 1 1 \ ^ 1 V

/ 1 / 1 \! V --

/ 1 / 1 \ \

/ 3' / 1 , ч \

' 1 1 1

35 30

к

Я »г

I1

И

х о

2. 5 сс

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Диаметр сечения пор,мкм

Рис. 3. Распределение пористости по диаметру сечения пор: дифференциальная функция пористости (1) и функция пористости (2); нижняя граница области разрешения: электронного (3) и оптического (4) микроскопов.

В области ниже границы разрешения электронного микроскопа участки функций получены на основе предположения о сохранении экспоненциального характера распределения размера пор. Характер изменения дифференциальной функции пористости показывает, что сечения пор с диаметром 0,6 мкм вносят наибольший вклад в общую пористость исследованного образца: Значение пористости во всём размерном диапазоне пор составляет 3,2%. Сечения пор в диапазоне от 0,8 мкм и выше (диапазон оптической микроскопии) составляют примерно 40% от общей пористости, а от 0,4 мкм и выше (оптический и электронный микроскопы) - 80%. Однако, если- предположить, что экспоненциальный закон распределения сохраняется во всём диапазоне размеров пор, то при использовании параметров' аппроксимирующей функции, с помощью выражения (3), можно оценить значение пористости с учётом всего размерного диапазона лор.

Измеряемые параметры пор, диапазоны и погрешности их измерения при доверительной вероятности 95% представлены в таблице 3.

Таблица 3

Погрешности измерений интегральной пористости и диаметров сечений пор.

Средства измерения Диапазон измерения Доверительный интервал относительной погрешности, %

интегральной пористости, % диаметра сечений пор, мкм интегральной пористости диаметра сечений пор

Оптический' микроскоп (х1 ООО) 0-100 0,8-1,2 1,2-1,6 1.6-2,0 >2,0 ±25 17 12 9 <9

Электронный микроскоп (Х2570) 0-100 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 ±20 16 12 8

Электронный микроскоп (Х4770) 0-100 0,25-0,35 0,35-0,45 0,45-0.55 ±18 27 16 12

Исследование пористости топливного сердечника твэлов ВВЭР-440 Разработанный метод идентификации границ сечений пор и метод оценки пористости с учетом всего размерного диапазона пор по параметрам аппроксимирующей функции были использованы при исследовании микроструктуры облученного топлива

При выгорании топлива более 40 МВт сут/кги на периферии таблетки образуется зона с повышенной пористостью (Пт-слой), оказывающая влияние на распределение поля температур по радиусу таблетки и на напряженно-деформированное состояние твэла.

На рис. 4 приведены графики дифференциальной функции пористости 5(0) и пористости Р(П) . для твэла ВВЭР-440 со средним выгоранием топлива 63 МВтсут/кги, полученные на основе разработанного метода.

Рис.3.6. Функции дифференциальной пористости (а) и пористости (б) на различных участках топливной таблетки:

-60 мкм от края т/т; -100 мкм от края т/т; -200 мкм от края т/т; -380 мкм от края т/г; -2280 мм от края т/т;

- нижняя граница разрешения оптического микроскопа.

Характер изменения дифференциальной функции пористости показывает, что в Пт-слое сечения пор с диаметром 0,95 - 0,9 мкм, а в центре таблетки 0,7 - 0,6 мкм вносят наибольший вклад в общую пористость исследуемого образца. Использование

разработанных методов количественной обработки изображений позволило определить пористость Rim-слоя с учетом всего размерного диапазона пор. Пористость изменяется от 18,8 % до 6,4 % на расстоянии 60 - 200 мкм от края таблетки.

Плотность пор увеличивается с повышением выгорания топлива и возрастает при приближении к краю таблетки (рис. 5).

Расстояние от внешнего края топливной таблетки, мкм

Рис. 5. Распределение количества пор в единице объема 1 по радиусу топливной таблетки.

В результате измерения пористости Rim-слоя установлено, что:

• пористость топлива в Rim-слое линейно возрастает с увеличением выгорания от 45,0 до 70,0 МВт*сут/кги (рис. 6).

• изменения пористости Rim-слоя топлива, подвергнутого испытаниям в переходных режимах с максимальной линейной тепловой нагрузкой на твэлах до 440 Вт/см не происходит (рис.6).

Рис. 6. Зависимость пористости в Rim-слое от среднего по сечению выгорания топлива после различных режимов эксплуатации: • - штатный режим; О • переходные режимы.

Исследование МИКРОСТРУКТУРЫтоплива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВтсут/кги после ступенчатого увеличения мощности от 100 до 436 Вт/см Метод количественного анализа изображений был использован при исследовании микроструктуры топлива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВТ-СУТ/КГи в режиме ступенчатого увеличения мощности от 100 до 436 Вт/см для установления корреляционных зависимостей между линейной тепловой нагрузкой, температурой и структурой топливного сердечника р51

Анализ изменений микроструктуры топлива после эксперимента был проведен методом количественного анализа изображений, полученных на оптическом микроскопе, в соответствии с методикой [2]. Исследовались образцы 2-х полномасштабных (ПМТ) и 2-х инструментованных рефабрикованных (РФТ) твэлов ВВЭР-440 (табл. 4).

Таблица 4

Параметры исследованных твэлов ВВЭ-440 •

Номер твэла ПМГ-21 РФТ-51 ГМГ-35 РФТ-50

Номер штатной TBC 221981 97777

Выгорание, МВт сут/кг U 50 60,

Количество исследованных сечений 8 3 9 3

Максимальная тепловая нагрузка, Вт/см 380 435. 349 352

На (рис. 7) представлена схема формирования зон с различной микроструктурой в сечениях исследованных твэлов.

30

о 25 g

о X

§■ 20

15

10

Зона повышенной

межзеренной пористости 3она с ИСХС)ДИ0Й

1 структурой ■

ч->

\ Зона межзеренной пористости

V 3

ч >

Rj

R* к__

1 R< 1-Г—

0.5

1.5

2.5

3 3.5 4 Радиус, мм'

Рис. 7 Схема формирования зон с различной микроструктурой в сечениях исследованных твэлов: 1 - до реакторных испытаний; 2 - стадия образования зоны межзеренной пористости и зоны повышенной межзеренной пористости; 3 - стадия образования роста зерен.

Прямая 1 иллюстрирует состояние топлива в сечениях с линейной тепловой мощностью до 136 Вт/см. В данных сечениях не произошло изменения микроструктуры топлива: Rim-слой не меняет своих параметров, изменения пористости по радиусу таблетки не наблюдается, радиус центрального отверстия соответствует исходному значению.

Кривая 2 (рис 7) характеризует процесс образования зоны межзеренной пористости в сечениях с линейной тепловой мощностью около 200 Вт/см. В этой зоне наблюдается декорирование границ зерен газовыми пузырями, пористость примерно постоянна: 11%. С образованием зоны межзеренной пористости начинает уменьшаться радиус центрального отверстия вследствие газового распухания топлива. С возрастанием линейной тепловой мощности радиус зоны межзеренной пористости увеличивается. В сечениях твэлов с линейной тепловой мощностью примерно 300 Вт/см около центрального отверстия формируется зона повышенной межзеренной пористости, отличающаяся слиянием мелких и образованием крупных пор на стыках и ребрах зерен. Для этих сечений характерно уменьшение радиуса центрального отверстия до минимального значения R3 и резкое увеличение пористости в центре топливной таблетки до 25%.

При линейной тепловой мощности более 350 Вт/см, когда температура в центре топлива достигает температуры рекристаллизации, на месте центрального отверстия образуется зона роста зерна (рис. 7, кривая 3). В этой области наблюдаются крупные поры на стыках и ребрах зерен, отсутствуют внутризеренные пузыри и декорация порами границ зерен, размер зерна в 4-6 раз выше, чем в зоне топлива с исходной структурой.

Определение параметров деформированного состояния оболочектвэлов

Экспериментальные данные, необходимые для разработки расчетных моделей, описывающих разрушение оболочек ВВЭР в условиях реактивностной аварии и первой стадии максимальной проектной аварии активной зоны, помимо значения температуры и давления среды под оболочкой в момент разгерметизации включают следующие параметры, характеризующие формоизменение оболочки на участке разрыва:

• значение максимальной окружной деформации оболочки;

• азимутальное распределение толщины оболочки в сечении разрыва;

• радиусы кривизны оболочки в азимутальном и осевом направлении.

Характерной особенностью формоизменения оболочек твэлов, испытанных в

аварийных условиях, является неравномерный характер их деформации, как в азимутальном направлении, так и по толщине, что не позволяет измерять данные параметры традиционными методами.

Для измерения перечисленных выше параметров автором разработан метод измерения формоизменения оболочек в сечении [6, 7], основанный на построении средней линии, определяемой как линия, перпендикуляр в каждой точке которой делится границами сечения пополам. Построение такой линии позволяет

унифицировать алгоритм измерения окружной деформации оболочек вне зависимости от наличия локальных изменений толщины и осевой асимметрии измеряемого сечения.

Изображение поперечного сечения твэла, полученное с помощью оптического микроскопа при увеличении (~5), оцифровывают сканером высокого разрешения и обрабатывают стандартными графическими программами с целью выделения границ сечения оболочки.

Автором разработан алгоритм формирования средней линии кольцевого сечения. Из центра масс производится сканирование фигуры двумя секущими линиями под углом ^ и -

<р+Иф (рис. 8), которые пересекают сечение в точках М1,К1 и Ыг,Кг'

По известным координатам точек определяют коэффициенты линейных

уравнений, описывающих прямые N¡N2 И'ЛТ,/Г2- Из точки пересечения этих прямых проводится биссектриса« РМ угла Пересечение биссектрисы РМ с прямыми

NlKl и формирует элементарный отрезок средней линии • М1М2- Совокупность.

отрезков биссектрисы всех элементарных участков и образует среднюю линию кольцевого сечения.

Средняя линия, построенная описанным выше способом, представляет собой ломаную линию. При определении длины средней линии как суммы длин элементарных участков возникает систематическая погрешность. Для ее устранения проводится сглаживание средней линии фильтром Гаусса в полярной системе координат р^ по алгоритму:

где р'^ - сглаженное значение полярного радиуса; а - параметр фильтра Гаусса; к = 2сг/Ар - количество точек, составляющих половину окрестности сглаживания.

Рис. 8. Построение средней линии.

Погрешность в определении длины средней линии без предварительного сглаживания составляет ± 5,5 %, после сглаживания ±0,002 %.

Линейный размер пиксела определяет точность всех геометрических построений и зависит от увеличения микроскопа и разрешения сканирования. Погрешность определения длины средней линии, в основном, обусловлена ошибкой в определении увеличения микроскопа ^ и

погрешностью вьделения границ сечения на изображении д^, а также зависит от длины

средней линии. При сканировании снимка, полученного с помощью оптического микроскопа при наиболее часто используемом увеличении 5 и разрешении сканера 600 пикселов на дюйм (размер пиксела равен 8,5 мкм) указанные погрешности не превышают^ = ±0,4%.

д^ = ±2пиксела • Погрешность выделения границ обуславливает погрешность определения

длины средней линии, определяемой выражением: 2я Д

- длина средней линии, пиксел.

Общая погрешность определения длины средней линии (0=^0*+ &1 )

не превышает ±1,1%.

Локальная толщина сечения оболочки вычисляется как длина отрезка перпендикуляра, восстановленного в выбранной точке сглаженной средней линии и ограниченного внутренней и внешней границами сечения. При увеличении в 5 раз локальная толщина деформированного сечения оболочки сравнительно невелика, относительная погрешность ее измерения в местах локальных сужений может превышать ±20%. На рис. 9 показано изменение толщины оболочки и относительной погрешности ее определения для образца после деформации

давлением заполняющего газа.

Рис. 9. Изменение толщины оболочки (1) и относительной погрешности измерения (2) от полярного угла.

Разработанный алгоритм позволяет построить зависимость изменения локального радиуса кривизны средней линии сечения оболочки. Локальный радиус кривизны определяется как радиус окружности, вписанной в среднюю линию в пределах некоторого ограниченного участка . Формирование вписанной окружности (определение

координат ее центра и радиуса) производится по трем точкам, разнесенным на участке (две по краям участка и одна в центре), стандартным математическим аппаратом.

Для восполнения недостающих данных по механическим свойствам оболочек, таким как максимальная окружная деформация и предел прочности в зависимости от температуры и скорости нагружения, были проведены испытания оболочек ВВЭР на разрыв под действием внутреннего давления. Были испытаны образцы необлученных оболочечных труб и образцы оболочек твэлов, облученных в составе штатной ТВС ВВЭР-1000 [8]. Исследование образцов после испытаний для измерения параметров, характеризующих формоизменение оболочки на участке разрыва, включало обработку фотографий поперечных сечений с координатами, соответствующими центру и краям образовавшегося разрыва (рис. 10).

а

С-С А-А В-В

6 в г

Рис. 10. Внешний вид образца после внутреннего газового нагружения при 850 °С (а), поперечные сечения в центре (в) и на краях (б, г) разрыва.

Окружная деформация определена как отношение длины средней линии оболочки, измеренной на подготовленных сечениях, к длине ее средней линии до испытаний. Относительная погрешность определения длины средней линии оболочки составляла

Радиус кривизны оболочки в поперечном направлении определен как радиус окружности, длина которой равна измеренной длине средней линии оболочки в исследованном сечении.

Для определения радиуса кривизны оболочки в продольном направлении было использовано следующее построение: из центра отрезка, равного длине образовавшейся в оболочке трещины, восстанавливался перпендикуляр, равный рассчитанному радиусу кривизны оболочки в сечении, сделанном по центру разрыва. По краям отрезка восстанавливались два перпендикуляра, равные радиусам кривизны оболочки в сечениях, сделанных по концам образовавшегося разрыва. Радиус окружности, проведенной через верхние точки отрезков, принимался за радиус кривизны оболочки в продольном направлении на участке ее разрыва.

Результаты измерений и расчетные параметры деформации оболочек испытанных образцов, нагруженных внутренним газовым давлением, приведены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5

Условия испытаний и параметры деформации образцов необлученных оболочек нагруженных внутренним газовым давлением

Температура, "С Скорость увеличения давления, МПа/с Давление разрушения, МПа Окружная деформация, % Радиус кривизны в азимутальном направлении, мм Радиус кривизны в продольном направлении, мм

800 0,0035 4,48 106,5 8,72 39,9

0,01 5,75 49,2 6,30 149

0,0153 6,03 40,2 5,92 214

0,082 6,35 51,4 6,39 262

853 0,01 3,13 49,2 6,30 141

900 0,024 1,96 41,5 5,98 412

0,083 2,25 45,1 6,13 260

1000 0,009 1.42 7,8 4,55 62

1100 0,01 1,19 13,0 4,77 10,6

0,087 1,59 50,9 6,37 480

1200 0,01 0,84 68,4 7.11 51

0,502 1,50 24,3 5,25 15,4

Таблица 6

Условия испытаний и параметры деформации образцов облученных оболочек (48,2 МВт сут/кги) при скорости нарастания давления газа 0,01 МПа/с

Температура, •с Давление разрушения, МПа , Окружная деформация, % Радиус кривизны в азимутальном направлении, мм Радиус кривизны в продольном направлении, мм

800 5,43 57,7 6,66 150

900 1,95 28,4 5,43 10,4

1000 1,93 8,9 4,60 21,8

1,46 8,3 4,57 45

1100 1.11 28,0 5,41 272

1200 1.24 20,4 5,09 28,4

Измерение аксиального массопереноса материалов ТВС после тяжелой аварии по оцифрованным изображениям поперечных сечений сборки

С целью получения исходных данных для аттестации расчетных программ и сравнительного анализа поведения сборок PWR и ВВЭР в области температур до 2000°С были проведены интегральные эксперименты с модельными тепловыделяющими сборками ВВЭР-1000 на установке КОРА (Германия). Основной целью этих экспериментов было получение необходимого набора кинетических параметров, позволяющих описать основные физико-химические процессы, происходящие при разрушении твэлов в активной зоне реакторов ВВЭР и влияющих на динамику процессов разрушения активной зоны.

При проведении исследований двух модельных ТВС ВВЭР-1000, испытанных в условиях тяжелой аварии с плавлением элементов конструкции сборки, метод количественного анализа изображений являлся единственным источником количественной информации по параметрам, требовавшимся для оценки точности расчётного моделирования [9,10].

При проведении этих исследований особенностью применения метода анализа-изображений являлось применение его к анализу макроструктуры образцов большой площади (сечение ТВС), поскольку после эксперимента сборки < были залиты эпоксидной смолой и разрезаны на образцы для металлографических исследований.

Основой для количественной оценки параметров повреждения сборки послужили измерения площадей элементов пучка твэлов и образовавшихся во время испытания фаз, проведенные с использованием метода количественного анализа изображений.

При идентификации выделяемого объекта учитывались его форма, расположение относительно исходного положения в сечении имитатора твэла, структурные особенности, такие как: наличие и морфология пористости, присутствие усадочных трещин, образующихся на границах фаз при охлаждении, наличие участков, выкрошившихся при шлифовке, оптическая плотность. В сложных случаях идентификация объектов проводилась при исследовании образцов на металлографическом микроскопе при большом увеличении.

В результате измерения площадей, занимаемых различными фазами на поперечных сечениях сборки, были определены следующие параметры [12]:

изменение площади поперечного сечения протока теплоносителя по длине сборки (рис. 11);

аксиальный профиль окисления оболочек (рис. 12); растворение таблеток UO2 расплавом оболочек (рис. 13); перераспределение расплава по высоте сборки (рис. 14).

Рис. 11. Блокировка протока теплоносителя в сечениях сборки КОРА/ВВЭР-2:

.....площадь, ограниченная внутренней поверхностью чехла;

—• — площадь материалов пучка твэлов; — о — площадь материалов пучка твэлов с учетом пор; -исходная площадь материалов пучка твэлов.

Рис. 13. Площадь топлива оставшегося в сечениях сборки ВВЭР/КОРА-2.

Применение метода количественного анализа изображений позволило оценить степень окисления оболочек, до начала плавления, существенно расширить список параметров, использованных для верификации расчётных кодов, а также повысить точность оценки аксиального массопереноса делящегося материала.

Результаты исследований по проблеме КОРА/ВВЭР использованы при проведении международной Стандартной проблемы 1ЭР-36, в результате которой была доказана возможность использования интегральных кодов, разработанных для реакторов PWR, применительно к поведению топлива ВВЭР в аварийных условиях.

Основные результаты работы и выводы

Работа посвящена разработке новых методов количественного анализа изображений и применению этих методов в материаловедческих исследованиях облученной двуокиси урана и оболочек твэлов типа ВВЭР.

1. Разработаны новые методы количественного анализа изображений, получаемых на оптическом и электронном микроскопах:

• метод идентификации границ сечений пор на оцифрованных изображениях;

• метод оценки пористости с учётом всего размерного диапазона пор по параметрам аппроксимирующей функции, определённой- в диапазоне, контролируемом с помощью оптической и электронной микроскопии;

• метод измерения параметров формоизменения оболочечных труб: окружная деформация, толщина стенки и кривизна поверхности.

2. Применение данных методов позволило получить новые количественные характеристики поведения топлива и оболочек твэлов ВВЭР в штатных, переходных и аварийных режимах.

2.1. Из сравнения параметров зёрен необлучённого и отработавшего в режиме штатной эксплуатации топлива твэлов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 установлено:

• в штатном режиме эксплуатации ТВС ВВЭР-1000 в диапазоне выгораний от 12,6 до 50,7 МВт сут/кги и ВВЭР-440 с выгоранием 3 4-60 МВтсут/кги параметры зёрен топлива соответствуют исходным.

2.2. При исследовании пористости топливного сердечника твэлов ВВЭР-440 в интервале выгораний 42-63 МВтсут/кги установлено:

• пористость топлива в Rim-слое линейно возрастает в диапазоне выгораний 45,0 - 70,0 МВт*сут/кги. Изменения пористости Rim-слоя топлива, подвергнутого испытаниям в переходных режимах с максимальной линейной тепловой нагрузкой на твэлах до 440 Вт/см не происходит;

• средний диаметр пор в границах Rim-слоя не зависит от выгорания топлива и находится в диапазоне 0,86 -1 , 23 мкм. Число пор в единице объема Rim-слоя увеличивается с ростом выгорания топлива и при - приближении к краю таблетки.

2.3. В результате исследования микроструктуры топлива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВтсут/кШ после эксперимента со ступенчатым увеличением мощности от 100 до 436 Вт/см установлено:

• в зависимости от линейной нагрузки по радиусу таблетки формируются зоны с различным типом микроструктуры: топливо с исходной структурой, зона межзеренной пористости, зона повышенной межзеренной пористости, зона роста зерен;

• каждая зона характеризуется размером и формой пор, а также пористостью, которая: в зоне межзеренной пористости составляет -11%, в зоне повышенной межзеренной пористости возрастает с ростом температуры в центре топлива от 12% до ~33%.

2.4. Получена база данных по формоизменению оболочек твэлов ВВЭР на участке

разрыва при нагружении внутренним давлением в диапазоне температур 20-1 200 °С.

2.5. Применение метода количественного анализа изображений при исследовании

ТВС испытанной в режиме тяжелой аварии позволило получить и внедрить в практику расчетного моделирования следующие экспериментальные параметры:

• степень окисления оболочек, до начала плавления;

• блокировку протока теплоносителя с учетом пористости расплава;

• аксиальный массоперенос

• аксиальный массоперенос расплава.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Павлов С.В., Звир Е.А Анализ погрешности методики измерения объёма твэлов// Вопросы атомной науки и техники. Сер. Материаловедение и новые материалы, 1993, Вып. 3(50). С.11-19.

2. Гринчук П.П., Жителев В.А, Звир ЕА. и др. Диоксид урана. Определение параметров зёрен и пор методом компьютерной обработки изображений шлифов// Методика испытаний. № 43 - 97 per. ОМИТ, Димитровград, 1997.

3. Звир ЕЛ., Жителев ВА, Поленок B.C., Смирнов В.П. Методические вопросы определения параметров пористости по изображениям шлифа материалов// Сборник трудов. Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1998. Вып.4. С.Ю - 25.

4. Звир ЕА, Жителев В.А., Поленок B.C., Смирнов В.П. Методические вопросы определения параметров пористости по изображениям шлифа материалов// Сборник рефератов девятой ежегодной научно-технической конференции Ядерного Общества России "Региональная энергетика: ядерные и неядерные решения", Ульяновск, 14 - 18 сентября 1998 г. Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1998. С 217-223.

5. Звир ЕА Исследование изменений микроструктурных характеристик топлива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВт сут/кШ в экспериментах со ступенчатым изменением мощности// Сборник рефератов и статей "Новые технологии для энергетики, промышленности и строительства", Димитровград. 2001г. Вып. 4. С.32-37.

6. Звир ЕА, Жителев В.А., Смирнов В.П. Измерение параметров формоизменений твэлов по результатам количественной обработки изображений их поперечных сечений// Сборник трудов. Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1999. Вып.З. С.74 - 83.

7. Звир ЕА, Жителев ВА, Смирнов В.П. Измерение параметров формоизменений твэлов по результатам количественной обработки изображений их поперечных сечений// Сборник рефератов семинара "Вопросы создания новых методик, исследований и испытаний, сличительных экспериментов, аттестации и аккредитации". Димитровград 12-13 ноября 2001 г. Димитровград: ФГУП ГНЦ РФ НИИАР, 2002. С61 - 64.

8. Святкин А.М., Еремин С.Г, Звир ЕА и др. Исследование температурной зависимости механических характеристик свежих и отработавших оболочек твэлов ВВЭР из сплава Э-110 при внутреннем гидравлическом нагружении// Сб. рефератов и статей "Новые технологии для энергетики, промышленности и строительства". Димитровград. 2000г. Вып.З, Ч.1.С47-55.

9. Егорова Л А, Горячев А.В., Штукерт ЮА, Звир Е.А и др. Результаты материаловедческих исследований модельных сборок КОРА/ВВЭР-2// Сборник докладов четвёртой межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, 15-19 мая 1995г. том 1. Топливо и твэлы энергетических реакторов. Димитровград: НИИАР, 1996. С.405-408.

10. A Goryachev, Yu. Shtuckert, E.Zvir, L Stupina Post-test investigation result on the WER-1000 fuel tested under severe accident conditions// Behaviour of LWR core materials under accident conditions. Proceedings of a Technical Committee Meeting held in Dimitrovgrad, Russian Federation, 9-13 October 1995, IAEA-TECDOC-921, Vienna, December 1996.

11. I.A Kungurtsev, V.P. Smimov, EA Zvir Investigation of fission products release and structural changes of WWER spent fuel in inert and oxidizing environment// Behaviour of LWR core materials under accident conditions. Proceedings of a Technical Committee meeting held in Dimitrovgrad, Russian Federation, 9-13 October 1995, IAEA-TECDOC-921, Vienna, December 1996.

12. A Goryachev, Yu. Shtuckert, E.Zvir, L Stupina Microstructural post-test-investigation at the elevations 327, 394, 511, 607, 726, 845 and 1083 mm. LSepold [Editor]: Posttest examination of the WER-1000 fuel rod bundle CORA-W2. Wissenschaftliche Berichte, FZKA 5570, Karlsruhe, June 1995. p.63-103.

С165 44

Общая характеристика работы.

1. Обзор методов и задач количественной обработки изображений при исследовании топлива и оболочек твэлов. (Литобзор).

2. Метод количественной обработки оцифрованных изображений.

2.1. Определение параметров зёрен диоксида урана методом количественной обработки изображений.

2.2. Количественная обработка изображений с целью определения параметров пор.

2.2.1. Идентификация границ сечений пор на оцифрованном изображении.

2.2.2. Восстановление функции плотности распределения сечений пор по диаметру. Вычисление дифференциальной функции пористости.

2.2.3. Погрешности определения параметров пористости.

2.3. Метод определения параметров формоизменения твэлов по результатам количественной обработки изображений их поперечных сечений.

2.3.1. Алгоритм построения средней линии сечения.

2.3.2. Определение толщины сечения оболочки.

2.3.3. Определение радиуса кривизны средней линии сечения оболочки.

3. Применение разработанных методов для исследования топлива и оболочек твэлов ВВЭР в штатных, переходных и аварийных режимах.

3.1. Результаты измерения параметров зерен топлива ВВЭР.

3.1.1. Параметры зерен необлученных таблеток U02.

3.1.2. Параметры зерен топлива UO2 после штатных режимов эксплуатации

3.2. Исследование пористости топливного сердечника твэлов ВВЭР-440.

3.3. Исследование микроструктуры топлива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВт сут/кги после ступенчатого увеличения мощности от 100 до 436 Вт/см.

3.4. Определение параметров деформированного состояния оболочек твэлов.

3.5. Измерение аксиального массопереноса материалов ТВС после тяжелой аварии по оцифрованным изображениям поперечных сечений сборки.

3.5.1. Выбор объектов измерений на образцах.

3.5.2. Измерение площади блокировки протока теплоносителя.

3.5.3. Распределение двуокиси циркония и окисление оболочек по длине сборки.

3.5.4. Растворение топливных таблеток.

3.5.5. Перераспределение расплава материала сборки.

Выводы.

Актуальность работы.

В мире на АЭС вырабатывается 21% электроэнергии, в России - 14%. В соответствии со стратегией развития атомной энергетики на период до 2010 года особое внимание уделяется повышению безопасности, надежности и экономичности топливного цикла. Для этого необходимо, прежде всего, увеличение глубины выгорания и повышение удельного энерговыделения. Двуокись урана в настоящее время является одним из наиболее важных видов горючего в ядерной энергетике. В связи с этим, исследование облученного топлива является одной из актуальных задач.

Повышение эффективности, надежности и безопасности ядерного топлива требует прогнозирования и понимания его поведения при повышенных выгораниях, увеличенных нагрузках при штатных условиях эксплуатации и в различных аварийных ситуациях. Появление Rim-слоя, накопление значительного количества плутония и продуктов деления, уменьшение пластичности оболочки, уменьшение, а с некоторого выгорания и исчезновение зазора между таблетками и оболочкой, окисление и гидрирование элементов конструкций, изменение структуры топлива - представляют собой далеко не полный перечень явлений, происходящих при повышении выгорания и нагрузок на топливо ВВЭР. Все эти изменения влияют на ресурс топлива, а также его надежность и безопасность. Процедура лицензирования ядерного топлива предполагает прогнозируемость его поведения, следовательно, возможность расчетного моделирования процессов, происходящих при эксплуатации. В связи с этим возникает задача количественного описания изменения основных параметров ТВС и их фрагментов, включая таблетки и оболочки твэлов, как одного из важных элементов послереакторных исследований. Это обстоятельство также подтверждает актуальность работы, направленной на повышение информативности материаловедческих исследований.

Исследования облученного ядерного топлива проводятся в ведущих научных центрах страны с 1952 года, когда была введена в эксплуатацию в Институте атомной энергии (ИАЭ) первая в СССР горячая материаловедческая лаборатория и аналитическая лаборатория АН СССР: П.А. Платонов, С.М. Астраханцев в ИАЭ, В.Н. Быков в Физико-энергетическом институте (ФЭИ), Е.Ф. Давыдов, С.Н. Вотинов, в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР). В этих лабораториях были разработаны первые гипотезы и теории поведения U02 под облучением.

Многие изменяющиеся в процессе эксплуатации параметры топлива могут быть получены с использованием метода количественной обработки изображений. К основным характеристикам, изучаемым с использованием данного метода, следует отнести:

• размер зерна, размер и плотность пор, макроструктуру таблеток, зазор таблетка-оболочка, форму и размеры поперечного сечения оболочек, толщину окисной пленки.

Основной целью исследования поведения твэлов и ТВС в условиях тяжелых аварий с потерей теплоносителя является получение необходимого набора кинетических параметров, позволяющих, описать основные физико-химические процессы, происходящие при разрушении твэлов и влияющие на динамику разрушения активной зоны реакторов. С помощью метода количественного анализа изображений при проведении этих исследований можно определять следующие параметры:

• перекрытие проходного сечения ТВС;

• степень окисления материалов сборок;

• аксиальное перераспределение делящихся и конструкционных материалов. Таким образом, развитие метода количественного анализа изображений и изучение с использованием этого метода изменения структуры топлива является актуальным.

Научная новизна.

Разработаны новые методы количественного анализа изображений шлифов, получаемых на оптическом и электронном микроскопах:

• метод идентификации границ сечений пор на оцифрованных изображениях;

• метод оценки пористости с учётом всего размерного диапазона пор по параметрам аппроксимирующей функции, определённой в диапазоне, контролируемом с помощью оптической и электронной микроскопии;

• метод измерения параметров формоизменения оболочечных труб: окружная деформация, толщина стенки и кривизна поверхности.

• Определены количественные характеристики зерен топлива UO2 в диапазоне выгораний 0-63 МВт сут/кг U: средний эффективный диаметр зерна, номер размера зерна по ASTM, распределения зерен по диаметру, неравноосности и ориентации сечений.

• Измерены параметры пор топливного сердечника твэлов ВВЭР-440 в интервале выгораний 42-63 МВтсут/кг11.

• Проведено количественное описание микроструктуры топлива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВтсут/кги, испытанного в режиме ступенчатого увеличения мощности от 100 до 436 Вт/см.

• Измерены: окружная деформация, толщина стенки и кривизна поверхности оболочек твэлов ВВЭР, испытанных на разрыв под действием внутреннего давления.

• При исследовании поведения материалов A3 ВВЭР в условиях тяжелой аварии определены параметры, не использовавшиеся ранее для верификации расчётных программ:

• степень окисления оболочек, до начала плавления,

• блокировка протока теплоносителя с учетом пористости расплава;

• аксиальный массоперенос U02.

Практическая ценность.

• Применение разработанных методов количественного анализа изображений позволило получить новые количественные характеристики, описывающие поведение топлива и оболочек твэлов ВВЭР в штатных, переходных и аварийных режимах. Полученные результаты использованы для обоснования возможности повышения выгорания топлива ВВЭР при штатной эксплуатации и разработки критериев его безопасности в аварийных режимах.

• Полученные количественные характеристики микроструктуры облученного топлива U02 дополняют накопленный банк данных по свойствам топлива ВВЭР и используются при верификации соответствующих расчетных кодов.

• Получена база данных по формоизменению оболочек ВВЭР из сплава Zr-1%Nb от температуры и скорости деформации на участке разрыва при нагружении внутренним давлением в диапазоне температур 20 - 1200 °С [67]. Полученные результаты позволяют провести верификацию расчетных программ, моделирующих поведение твэлов в аварийных режимах.

• Результаты исследований по проблеме КОРА/ВВЭР использованы при проведении международной Стандартной проблемы ISP-36 [77], в результате которой была доказана возможность использования интегральных кодов, разработанных для реакторов PWR, применительно к поведению активной зоны ВВЭР в условиях аварии с тяжелым повреждением топлива. Результаты по исследованию сборки КОРА/ВВЭР-2 использованы для усовершенствования аналитических моделей высокотемпературного поведения материалов.

Личный вклад автора. Лично автором:

• разработана методика определения параметров зёрен и пор диоксида урана методом количественного анализа изображений, получаемых на оптическом микроскопе;

• с использованием данной методики проведены исследования структуры таблеток UO2 после штатных и переходных режимов эксплуатации, а также в необлученном состоянии;

• разработан метод измерения деформации оболочек твэлов по результатам количественной обработки изображений их поперечных сечений;

• выполнены измерения деформации необлученных и облученных оболочек твэлов, нагруженных внутренним давлением;

• с использованием метода количественного анализа изображений определены параметры, характеризующие степень и механизмы повреждения твэлов и элементов конструкций двух модельных ТВС ВВЭР-1000, испытанных в условиях тяжелой аварии.

Личный вклад автора в получении основных результатов представленной к защите работы является определяющим.

Цель работы и задачи исследований.

Целью данной работы являлась разработка методов и алгоритмов количественного анализа изображений, полученных на оптическом микроскопе, и изучение с применением разработанных методов: микроструктуры топливных таблеток после эксплуатации в стационарных и переходных режимах, деформации оболочек твэлов при моделировании аварий, поведения активной зоны ВВЭР в условиях запроектной аварии с тяжелым повреждением топлива.

Для достижения вышеуказанной цели решались следующие задачи:

• разработка методики измерения параметров зёрен и пор диоксида урана методом количественной обработки изображений, полученных с помощью оптической и элетронной микроскопии;

• разработка метода идентификации границ сечений пор на оцифрованных изображениях и оценки пористости по параметрам аппроксимирующей функции, определённой в диапазоне, контролируемом с помощью оптической и электронной микроскопии;

• определение характеристик микроструктуры топлива U02 после штатных и переходных режимов работы на основе разработанных методов;

• разработка алгоритмов для количественного описания деформации оболочек твэлов ВВЭР по оцифрованному изображению;

• измерение аксиального перераспределения материалов ТВС ВВЭР-1000, испытанной в условиях тяжелой аварии с плавлением элементов констркции сборки.

Автор защищает.

• Разработанные методы количественного анализа изображений, получаемых на оптическом и электронном микроскопах:

• метод идентификации границ сечений пор на оцифрованных изображениях;

• метод оценки пористости с учётом всего размерного диапазона пор по параметрам аппроксимирующей функции, определённой в диапазоне, контролируемом с помощью оптической и электронной микроскопии;

• метод измерения параметров формоизменения оболочечных труб: окружная деформация, толщина стенки и кривизна поверхности.

• Результаты измерений количественных характеристик зерен топлива U02 в диапазоне выгораний 0-63 МВт сут/кг U.

• Результаты исследования пористости в Rim-слое топливного сердечника твэлов ВВЭР-440 в интервале выгораний 42-63 МВт-сут/кг11.

• Результаты исследования изменений микроструктурных характеристик топлива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВт-сут/кг1/ в процессе ступенчатого увеличения мощности от 100 до 436 Вт/см

• Результаты исследований температурной зависимости деформации оболочек твэлов ВВЭР, разрушенных внутренним давлением.

• Результаты исследований модельной сборки КОРА/ВВЭР-2, испытанной в условиях тяжелой аварии с потерей теплоносителя, полученные с помощью метода количественной обработки изображений.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 97 страницах машинописного текста, рисунков 46, таблиц 13, и состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы из 77 наименований.

Апробация работы.

Основные результаты работы представлены и обсуждались на:

• четвёртой межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, 15-19 мая, 1995г [74];

• техническом комитете МАГАТЭ "Поведение материалов активных зон ВВЭР в аварийных условиях", Димитровград, 9-13 октября 1995г [75, 76];

• международной рабочей группе по проблеме КОРА, KfK 11-13 октября 1995г Карлсруэ (Германия) [72];

• девятой Международной конференции Ядерного Общества России (Ульяновск-Димитровград, сентябрь 1998 г.) [50];

• методических семинарах КНТС по реакторному материаловедению. Димитровград, 1994г, 1999 г, 2001г [71], [54].

•'

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 52 работ, из них 11 печатных и 41 рукописная.

Выводы

Работа посвящена разработке новых методов количественного анализа изображений и применению этих методов в материаповедческих исследованиях облученной двуокиси урана и оболочек твэлов типа ВВЭР.

1. Разработаны новые методы количественного анализа изображений, получаемых на оптическом и электронном микроскопах:

• метод идентификации границ сечений пор на оцифрованных изображениях шл;

• метод оценки пористости с учётом всего размерного диапазона пор по параметрам аппроксимирующей функции, определённой в диапазоне, контролируемом с помощью оптической и электронной микроскопии;

• метод измерения параметров формоизменения оболочечных труб: окружная деформация, толщина стенки и кривизна поверхности.

2. Применение данных методов позволило получить новые количественные характеристики поведения топлива и оболочек твэлов ВВЭР в штатных, переходных и аварийных режимах.

2.1. Из сравнения параметров зёрен необлучённого и отработавшего в режиме штатной эксплуатации топлива твэлов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 следует:

• в штатном режиме эксплуатации ТВС ВВЭР-1000 в диапазоне выгораний от 12,6 до 50,7 МВт сут/кги и ВВЭР-440 с выгоранием 34 - 60 МВт сут/кг1) параметры зёрен топлива соответствуют исходным.

2.2. При исследовании пористости топливного сердечника твэлов ВВЭР-440 в интервале выгораний 42-63 МВтсут/кг11 установлено:

• пористость топлива в Rim-слое линейно возрастает в диапазоне выгораний 45,0 - 70,0 МВт*сут/кг11. Изменения пористости Rim-слоя топлива, подвергнутого испытаниям в переходных режимах с максимальной линейной тепловой нагрузкой на твэлах до 440 Вт/см не происходит;

• средний диаметр пор в границах Rim-слоя не зависит от выгорания топлива и находится в диапазоне 0,86 - 1,23 мкм. Число пор в единице объема Rim-слоя увеличивается с ростом выгорания топлива и при приближении к краю таблетки.

2.3. В результате исследования микроструктуры топлива ВВЭР-440 с выгоранием 50 и 60 МВтсут/кги после эксперимента со ступенчатым увеличением мощности от 100 до 436 Вт/см установлено:

• в зависимости от линейной нагрузки по радиусу таблетки формируются зоны с различным типом микроструктуры: топливо с исходной структурой, зона межзеренной пористости, зона повышенной межзеренной пористости, зона роста зерен;

• каждая зона характеризуется размером и формой пор, а также пористостью: в зоне межзеренной пористости составляет -11%, в зоне повышенной межзеренной пористости возрастает с ростом температуры в центре топлива от 12% до -33% .

2.4. Получена база данных по формоизменению оболочек твэлов ВВЭР на участке разрыва при нагружении внутренним давлением в диапазоне температур 20-1200 °С.

2.5. Применение метода количественного анализа изображений при исследовании ТВС после тяжелой аварии позволило получить и внедрить в практику расчетного моделирования следующие экспериментальные параметры:

• степень окисления оболочек, до начала плавления;

• блокировку протока теплоносителя с учетом пористости расплава;

• аксиальный массоперенос U02;

• аксиальный массоперенос расплава.

Данная работа стала возможной благодаря помощи сотрудников аварийной лаборатории отдела исследования твэлов: Горячева А.В., . Косвинцева Ю.Ю. Автор выражает благодарность научному руководителю Смирнову В.П. за выбор темы и рекомендации по содержанию диссертации. Автор признателен Клочкову Е.П. и Поленку B.C. за критическое обсуждение работы в процессе ее подготовки.

1. Избранные методы исследования в металловедении/Под ред. Хунгера Г.-Й.: Пер. с нем.- М.: Металлургия, 1985,416 с.

2. Давыдов Е.Ф. Некоторые результаты работ по радиационному материаловедению топливных, конструкционных и других материалов активных зон ядерных реакторов: Препринт. НИИАР-10(463).-Димитровград, 1981,24 с.

3. Лебедев И.Г., Самсонов Б.В. и др. Формирование структуры сердечника твэла из виброуплотненной порошковой двуокиси урана в процессе облучения: Препринт. -НИИАР-П-25.-Димитровград, 1968,21с.

4. Лебедев И.Г., Кузьмин В.И. Поведение газа в различных температурных зонах топливного сердечника из окисного горючего. Радиационная физика твердого тела и реакторное материаловедение./Сборник трудов НИИАР, М.:Атомиздат, 1970, с.164-170.

5. Вотинов С.Н., Белокопытов С.Н., Давыдов Е.Ф. и др. Обзор основных результатов изучения, состояния штатных твэлов водо-водяных энергетических реакторов: Препринт. НИИАР-П-199.-Димитровград, 1973.

6. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. М.: Металлургия, 1977,280 с.

7. Ластман Б. Радиационные явления в двуокиси урана. М.: Атомиздат, 1964,288с

8. V.VIasov, Y.Degaltsev Posttest Examination of the WER-1000 Fuel Bundle CORA-W2. Post-test material examinations at the elevation 13, 87, 208, 221, 1098 and 1148 mm. KfK, FZKA-5570,1995, Karlsruhe.

9. Шишин В.Ю., Бутвин B.K., Клочков Е.П., Симонова М.Ф., Чечеткина З.И. Количественная оценка структуры в радиационном материаловедении: Препринт. НИИАР-Щ814). Димитровград, 1991.-34с.

10. Бутвин В.К., Голушко В.В., Муралев А.Б. Система полуавтоматической обработки информации с фотоснимков микроструктуры материалов: Препринт. НИИАР-И-14(308). Димитровград, 1997.

11. Kashibe S.t Une К. and Nogita К. Formation and growth of intragranular fission gas bubbles in U02 fuels with burnup of 6-83 GWd/t. J. Nuc. Mater., 1993 v.206. p.22-34.

12. Спино Дж., Венникс К., Кокурелль М. Микроструктура краевой зоны в топливных сердечниках реакторов PWR при выгораниях 40-67 ГВт.сут/т// Атомная техника за рубежом, 1997. №6. С.25-31.

13. M.Mogensen, C.T. Walker, I.L.F. Ray, M. Coquerelle Local fission gas release and swelling in water reactor fuel during slow power transients, JNM 131 (1985) 162-171.

14. Baker C. The migration of intragranular fission gas bubbles in irradiated uranium, JNM 71(1977) p.117-123.

15. Yang-Hyun KOO, Byung-Ho LEE and Dong-Seong SOHN MODELING OF BUBBLE PRESSURE IN THE RIM REGION OF HIGH BURNUP U02 FUEL International Topic Meeting on LWR Fuel Performance, April 10-13 (2000)

16. M.Kinoshita, T.Sonoda, E.Kolstad "High bumup RIM project (II) irradiation and examination to investigate RIM-structured fuel" International Topic Meeting on LWR Fuel Performance, April10-13 (2000)

17. L.F. Ray, Hj. Matzke, H.A. Thiele, M. Kinoshita. An electron microscopy study of the RIM structure of a U02 fuel with a high bumup of 7,9) FIMA. JNM, 1997, p.p. 115 -123.

18. J. Spina, K. Vennix, M. Coquerelle. Detailed characterization of the RIM microstructure in PWR fuel in the bum-up range 40 67 GWd/tM. JNM, 1996, v. 231, №3, p. 179 -190.

19. K. Une, M. Hirai, K. Nogita, T. Hosokawa, Y. Suzawa, S. Shimiru, Y. Eton. RIM Structure formation of large-grained U02 fuels irradiated in the Halden Heavy Water Reactor. Enlarged Halden Program Group Meeting in Loen, May 24 29,1999.

20. K. Nogita, K. Une. Irradiation induced recrystallization in high burnup U02 fuel. JNM 226, 1995, p. 302-310.

21. Matzke Hj., J. Nucl. Mater. 189 (1992) 141.

22. Thomas L.E., Beyer C.E., Chariot L.A., J. Nucl. Mater. 188 (1992) 80.

23. Philip Brohan, "Grain boundary swelling and gas release in U02" International Topic Meeting on LWR Fuel Performance, April 10-13 (2000)

24. Ю.ПДегальцев, Н.Н.Пономарев-Степной, В.Ф.Кузнецов Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. М.: Энергоатомиздат, 1987.208с

25. R.J. White and М.О. Tucker A new fission-gas release model, JNM 118 (1983) p.1-38

26. Волков Б.Ю., Викторов В.Ф., Платонов П.А., Рязанцева А.В. Библиотека подпрограмм физико-механических свойств оболочек твэлов из сплава Н-1. Препринт ИАЭ 4941/11. М., 1989.

27. Кобылянский Г.П., Новосёлов А.Е. Радиационная стойкость циркония из сплавов на его основе. Справочные материалы по реакторному материаловедению/Под ред. В.А. Цыканова. Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1996.

28. R.R. Hobbins, D.A. Petti, DJ. Osetek, D.L. Hagrman; Nuclear Technology, Vol. 95 (1991) 287-306.

29. R.R. Hobbins, G.D. McPherson; A Summary of Results from the LOFT LP-FP-2 Test, OECD/LOFT Final Event, ISBN 92-64-0339-4 (1991).

30. P. Hofmann, S. Hagen, G. Schanz, A. Skokan: Reactor Core Materials Interactions at Very High Temperatures, Nuclear Technology, Vol. 87 (1989) 146-186

31. In-Vessel Core Degradation in LWR Severe Accidents: A State-of-the-Art Report to OECD/CSNI, NEA/CSNI/R(91) 12,1992.

32. J.M. Broughton, P. Kuan, D.A. Petti; A Scenario of theThree Mile Island Unit 2 Accident, Nuclear Technology, Vol. 87 (1989) 34-53.

33. TMI-2 Core Specimens Examination Results from the OECD/CSNI Program; NEA/CSNI/R(91)9,1992

34. S.Hagen, P.Hofmann, V.Noack et all, "Results of SFD Experiment CORA-13 (OECD International Standard Problem 31)", KfK 5054, Februar 1993.

35. МИ 2083-90, ГСИ, Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей, 1991 г.

36. ASTM Е 1382-91 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size Using Semiautomatic and Automatic Image Analysis,1993.

37. Павлов C.B., Звир E.A. Анализ погрешности методики измерения объёма твэлов// Вопросы атомной науки и техники. Сер. Материаловедение и новые материалы, 1993, Выл. 3(50). С. 11-19.

38. Гринчук П.П., Жителев В.А., Звир Е.А. и др. Диоксид урана. Определение параметров зёрен и пор методом компьютерной обработки изображений шлифов// Методика испытаний. № 43 97 per. ОМИТ, Димитровград, 1997.

39. ГОСТ 8.207-76. ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений, 1997г.

40. Б.К.П. Хорн Зрение роботов. М., "Мир", 1989.

41. Звир Е.А., Жителев В.А., Поленок B.C., Смирнов В.П. Методические вопросы определения параметров пористости по изображениям шлифа материалов// Сборник трудов. Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1998. Вып.4. С. 10 25.

42. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М.: Мир, 1982.

43. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970.

44. Гринчук П.П., Жителев В.А., Поленок B.C., Звир Е.А., Яковлев В.В. Анализ параметров зёрен и пор в отработанных и необлучённых таблетках топлива ВВЭР Отчет ГНЦ НИИАР; 0-4637, 66 с, Димитровград, 1997 г.

45. Статистические методы в экспериментальной физике. Под ред ААТяпкина, М, "Атомиздат", 1976.

46. Приборы и методы физического металловедения/ Под ред. Ф. Вейнберга. М.: Мир, 1973.

47. Звир Е.А., Жителев В.А., Смирнов В.П. Измерение параметров формоизменений твэлов по результатам количественной обработки изображений их поперечных сечений// Сборник трудов. Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1999. Вып.З. С.74 83.

48. Out-of-pile Bundle Experiments on Severe Fuel Damage (CORA-Program). Objectives, Test Matrix and Facility Description. KfK 3677,1986.

49. Горячев A.B., Штукерт Ю.А., Звир E.A., Ступина Л.Н. Разработка технологии материаловедческих исследований модельных ТВС, испытанных в аварийных режимах. Отчет НИИАР, № 0-4215, Димитровград 1993.

50. Горячев А.В., Штукерт Ю.А., Звир Е.А., Ступина Л.Н. Послепусковые материаловедческие исследования модельной сборки КОРА/ВВЭР-1. Отчет НИИАР 0-4285, Димитровград 1994 год.

51. Основные положения программы поспепусковых исследований сборки ВВЭР/КОРА-2, проводимых в рамках Международной "Стандартной проблемы" (подготовительный этап выбор и обоснование экспериментальных методик), ИПБ РНЦ "ЮГ 1961, октябрь 1993г.

52. Спецификация для проведения расчетного моделирования эксперимента со сборкой ВВЭР-1 ООО/КОРА-1 по типу "Международной стандартной проблемы", ИПБ РНЦ "КИ" 1959, октябрь 1993г.

53. Петухов А.А., Смирнов А.В., Канашов Б.А. и др. Основные параметры микроструктуры и состава топливного сердечника твэлов ВВЭР-440 в интервале выгораний 42-64 МВт*сут/кги. Отчет НИИАР 0-4507, Димитровград, 1996 г.

54. Смирнов А.В., Овчинников В.А., и др. Изучение поведения твэлов ВВЭР-440 с высоким выгоранием топлива в переходных режимах. Сборник докладов 5-ой межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, т. 1, часть 1. Димитровград, 1998 г.

55. Смирнов А.В., Лядов Г.Д. и др. Изучение поведения твэлов ВВЭР-440 с высоким выгоранием топлива в переходных режимах. Отчет НИИАР 0-4600,1997 г.

56. Смирнов А.В.,. Лядов ГД, Овчинников В.А. и др. Испытания твэлов ВВЭР-440 с высоким выгоранием топлива в режиме ступенчатого изменения мощности (эксперимент FGR-2). Отчет НИИАР 0-4678,1997 г.

57. Data Base on the Behavior of High Burnup Fuel Rods with Zr 1 % Nb Cladding and U02 Fuel (WERtype) under Reactivity Accident Conditions NUREG/IA-0156 vol. 1,2,3,1999r.

58. Горячев A.B., Жителев B.A., Звир E.A. и др. Исследование зависимости механических свойств оболочек ВВЭР от температуры и скорости испытаний. Отчет ГНЦ РФ НИИАР. 0-4775,1998 г.

59. Горячев А.В., Жителев В.А., Звир Е.А. и др. Исследование температурной зависимости прочностных характеристик свежих и отработавших оболочек ВВЭР из сплава Э-110 при внутреннем гидравлическом нагружении. Отчет ГНЦ РФ НИИАР 0-4872.1999г.

60. Горячев А.В., Штукерт Ю.А., Звир Е.А. Методологические аспекты и результаты измерений фазового состава в сечениях ТВС КОРА/ВВЭР-2. Эксперименты и расчеты в обоснование безопасности ВВЭР НИИАР, 11-14 октября. Димитровград, 1994.

61. A. Goryachev, Yu Shtuckert, Е. Zwir Results of post-test examination of WER fuel rod bundle CORA-W2. International CORA Workshop. KfK, 11-13 October, Karlsruhe, 1995.

62. OECD/NEA-CSNI International Standard Problem ISP36. CORA-W2 Experiment on sever fuel damage for a russian type PWR. OCDE/GD(96)19, February 1996.