Помощь студентам в учебе
ВЛИЯНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ НА ПРЕЖДЕВРЕМЕННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ ЦИРКОНИЕВЫХ ОБОЛОЧЕК ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В АТОМНЫХ РЕКТОРАХ
|
Введение 6
1. Создание и усовершенствование оболочек, адаптированных к аварийным ситуациям с высокой прочностью, коррозионной, термической и трещино- стойкостью 9
1.1. Применение циркониевых сплавов в атомной
энергетике 10
1.2. Меры защиты оболочек ТВЕЛа в экстремальных
условиях от разрушения 12
2. Поведение оболочек ТВЭЛов в эксплуатационных условиях при наличии поверхностных несплошностей и дефектов 16
2.1. Поверхностные дефекты в ТВЭЛах под влиянием
экстремальных условий 25
2.2. Подходы к определению коэффициента
интенсивности напряжений в цилиндрических оболочках и учёт возможных напряженных состояний при определении критических размеров дефектов в трубных заготовках 31
3. Влияние экстремальных условий на преждевременное растрескивание циркониевых оболочек ТВЭЛов 35
3.1. Определение коэффициента интенсивности напряжений в окрестностях дискообразного дефекта,
располагающего на границе двух сред с различными физико-механическими свойствами 40
3.2. Температурные напряжения вокруг осесимметричных дефектов на границе между покрытиями и материалами оболочки ТВЭЛа 46
Заключения по работе 50
Библиографический список 51
1. Создание и усовершенствование оболочек, адаптированных к аварийным ситуациям с высокой прочностью, коррозионной, термической и трещино- стойкостью 9
1.1. Применение циркониевых сплавов в атомной
энергетике 10
1.2. Меры защиты оболочек ТВЕЛа в экстремальных
условиях от разрушения 12
2. Поведение оболочек ТВЭЛов в эксплуатационных условиях при наличии поверхностных несплошностей и дефектов 16
2.1. Поверхностные дефекты в ТВЭЛах под влиянием
экстремальных условий 25
2.2. Подходы к определению коэффициента
интенсивности напряжений в цилиндрических оболочках и учёт возможных напряженных состояний при определении критических размеров дефектов в трубных заготовках 31
3. Влияние экстремальных условий на преждевременное растрескивание циркониевых оболочек ТВЭЛов 35
3.1. Определение коэффициента интенсивности напряжений в окрестностях дискообразного дефекта,
располагающего на границе двух сред с различными физико-механическими свойствами 40
3.2. Температурные напряжения вокруг осесимметричных дефектов на границе между покрытиями и материалами оболочки ТВЭЛа 46
Заключения по работе 50
Библиографический список 51
В последнее время актуальной является разработка технологий изготовления оборудования термоядерных реакторов. Новизна работы заключается в том, что: классические подходы механики разрушения применены к расчётам допустимых эксплуатационных нагрузок в тонкостенных оболочках твэлов (тепловыделяющих элементов); разработаны методики нахождения предельных размеров микродефектов, несплошностей в трубных заготовках с учётом коэффициента интенсивности напряжений для циркониевых сплавов, применяемых в атомной промышленности.
В связи с увеличением опасности повреждения и разрушения оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) при воздействии высоких уровней нагружений, температур и коррозионной среды в настоящее время в России и за рубежом активно ведутся работы по проверке и обоснованию возможности использования уже имеющихся сплавов циркония, а так же по разработке и исследованию новых модифицированных сплавов в качестве материала для изделий активной зоны реакторов в новых эксплуатационных условиях [1].
Многолетний опыт отечественного и зарубежного реакторостроения показал, что успех создания конструкционных материалов для оболочек твэлов достигается при обеспечении высокого уровня трех основных факторов: комплекса физических, механических и технологических свойств (включая свариваемость); радиационной стойкости; совместимости с теплоносителем и топливным материалом.
К оборудованию ядерных реакторов предъявляют повышенные требования по надежности, безопасности и экологическим характеристикам в реакторах нового поколения и существенным повышением рабочих параметров оболочек твэлов (рабочие температуры 320 - 710 °С; достигаемые повреждающие дозы 140 - 180 с.н.а.; окружные напряжения до 80- 120 МПа; увеличение ресурса до 5 - 7 лет) [2].
ТВЭЛы являются прецизионными деталями, разрушение которых может привести к катастрофе. Так как ТВЭЛы подвержены процессу коррозионного растрескиванию под напряжением (КРН), связанный с образованием трещин на внутренней поверхности труб при одновременном воздействии на них механических напряжений, возникающих из-за радиационного роста топлива, и йода, выделяющегося из топлива в качестве одного из продуктов реакции деления. Поэтому необходимо разработать методики учёта влияния всех напряженных состояний на преждевременное растрескивание циркониевых труб.
Цель проекта - исследование актуальных проблем выхода из строя основных конструктивных тепловыделяющих элементов (оболочек твэлов), существующих в настоящее время при эксплуатации объектов атомной энергетики.
Задачи проекта:
- исследование физико-механических свойств материалов, применяемых при производстве оболочек твэлов и их влияния на поведение твэлов в рабочих режимах;
- построение математических моделей взаимосвязи между свойствами сплавов и прочностью оболочек твэлов при эксплуатации, а также в экстремальных условиях;
- оценка появления и распространения дефектов
(образование и рост питтингов) при эксплуатации оболочек твэлов.
Для реализации цели и решения задач в проекте предлагается использование следующие подходы и методы:
На первом этапе реализации проекта планируется фундаментальное исследование и детализированная систематизация современных способов производства покрытий оболочек твэлов, применяемых в атомной энергетике, а также провести оценку влияния механических свойств и структуры на поведение твэлов в эксплуатационных режимах. Далее на основании этих данных провести анализ влияния технологии производства и обработки оболочек твэлов на точность, прочность и трещиностойкость оболочек твэлов, при рабочих и критических нагрузках с учетом технологических остаточных напряжений. Такой алгоритм первого этапа позволит комплексно подойти к проблеме поведения оболочек твэлов в критических условиях и прогнозировать риски преждевременного разрушения основных конструктивных элементов реактора.
В рамках проекта планируется:
- исследование механических свойств и структуры материалов, применяемых при производстве покрытий оболочек твэлов и их влияния на поведение твэлов в эксплуатационных режимах;
- выполнить расчёт на прочность , определить значения осевых и окружных напряжений при рабочих нагрузках, реальных видах закрепления, а так же размерах оболочечных труб;
- построение математических моделей взаимосвязи между свойствами сплавов и прочностью оболочек твэлов при эксплуатации, а также в экстремальных условиях с учетом технологических остаточных напряжений; - оценка появления и распространения дефектов (образование и рост питтингов) при эксплуатации оболочек твэлов;
- разработка методики оценки рисков при усложнении конструкции оболочки твэла за счет покрытий при наличии трещин;
- определить термические напряжения с учетом коэффициента трещиностойкости в тонкостенных оболочках;
- рассчитать допускаемые уровни критических напряжений в зависимости от глубины дефекта, а так же от соотношения дефектов в покрытии на поверхности оболочки твэла.
В связи с увеличением опасности повреждения и разрушения оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) при воздействии высоких уровней нагружений, температур и коррозионной среды в настоящее время в России и за рубежом активно ведутся работы по проверке и обоснованию возможности использования уже имеющихся сплавов циркония, а так же по разработке и исследованию новых модифицированных сплавов в качестве материала для изделий активной зоны реакторов в новых эксплуатационных условиях [1].
Многолетний опыт отечественного и зарубежного реакторостроения показал, что успех создания конструкционных материалов для оболочек твэлов достигается при обеспечении высокого уровня трех основных факторов: комплекса физических, механических и технологических свойств (включая свариваемость); радиационной стойкости; совместимости с теплоносителем и топливным материалом.
К оборудованию ядерных реакторов предъявляют повышенные требования по надежности, безопасности и экологическим характеристикам в реакторах нового поколения и существенным повышением рабочих параметров оболочек твэлов (рабочие температуры 320 - 710 °С; достигаемые повреждающие дозы 140 - 180 с.н.а.; окружные напряжения до 80- 120 МПа; увеличение ресурса до 5 - 7 лет) [2].
ТВЭЛы являются прецизионными деталями, разрушение которых может привести к катастрофе. Так как ТВЭЛы подвержены процессу коррозионного растрескиванию под напряжением (КРН), связанный с образованием трещин на внутренней поверхности труб при одновременном воздействии на них механических напряжений, возникающих из-за радиационного роста топлива, и йода, выделяющегося из топлива в качестве одного из продуктов реакции деления. Поэтому необходимо разработать методики учёта влияния всех напряженных состояний на преждевременное растрескивание циркониевых труб.
Цель проекта - исследование актуальных проблем выхода из строя основных конструктивных тепловыделяющих элементов (оболочек твэлов), существующих в настоящее время при эксплуатации объектов атомной энергетики.
Задачи проекта:
- исследование физико-механических свойств материалов, применяемых при производстве оболочек твэлов и их влияния на поведение твэлов в рабочих режимах;
- построение математических моделей взаимосвязи между свойствами сплавов и прочностью оболочек твэлов при эксплуатации, а также в экстремальных условиях;
- оценка появления и распространения дефектов
(образование и рост питтингов) при эксплуатации оболочек твэлов.
Для реализации цели и решения задач в проекте предлагается использование следующие подходы и методы:
На первом этапе реализации проекта планируется фундаментальное исследование и детализированная систематизация современных способов производства покрытий оболочек твэлов, применяемых в атомной энергетике, а также провести оценку влияния механических свойств и структуры на поведение твэлов в эксплуатационных режимах. Далее на основании этих данных провести анализ влияния технологии производства и обработки оболочек твэлов на точность, прочность и трещиностойкость оболочек твэлов, при рабочих и критических нагрузках с учетом технологических остаточных напряжений. Такой алгоритм первого этапа позволит комплексно подойти к проблеме поведения оболочек твэлов в критических условиях и прогнозировать риски преждевременного разрушения основных конструктивных элементов реактора.
В рамках проекта планируется:
- исследование механических свойств и структуры материалов, применяемых при производстве покрытий оболочек твэлов и их влияния на поведение твэлов в эксплуатационных режимах;
- выполнить расчёт на прочность , определить значения осевых и окружных напряжений при рабочих нагрузках, реальных видах закрепления, а так же размерах оболочечных труб;
- построение математических моделей взаимосвязи между свойствами сплавов и прочностью оболочек твэлов при эксплуатации, а также в экстремальных условиях с учетом технологических остаточных напряжений; - оценка появления и распространения дефектов (образование и рост питтингов) при эксплуатации оболочек твэлов;
- разработка методики оценки рисков при усложнении конструкции оболочки твэла за счет покрытий при наличии трещин;
- определить термические напряжения с учетом коэффициента трещиностойкости в тонкостенных оболочках;
- рассчитать допускаемые уровни критических напряжений в зависимости от глубины дефекта, а так же от соотношения дефектов в покрытии на поверхности оболочки твэла.
Показаны механизмы разрушения циркониевых оболочек ТВЭЛа. Приведены современные методы защиты циркониевых оболочек ТВЭЛов при работе в экстремальных условиях.
Описаны основные критерии разрушения металлоизделий. Приведены выводы коэффициентов интенсивности напряжений при различных микродефектах.
На примере известных из литературы экспериментальных исследований процессов коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) показаны возможные несплошности и дефекты, размеры и условия их раскрытия до критического разрушения.
Определены напряжения, возникающие при эксплуатации циркониевых оболочек при наличии дефектов. Результаты решения показали, что предельно допустимые напряжения для циркониевых оболочек определяется в диапазоне 300 - 850 МПа с заданным коэффициентом запаса.
Разработана методика расчета коэффициентов интенсивности напряжений при расчете предельно допустимых напряжений в циркониевых оболочках с алюминиевыми и хромовыми покрытиями.
Найдены параметры, влияющие на коэффициенты интенсивности напряжений при наличии механического нагружения и теплового воздействия в зависимости от физико-механических свойств для двух сред материала оболочки и покрытия при наличии дискообразных дефектов (питтингов) на границе сред.
Определены распределения температурных напряжений вокруг внешней осесимметричной трещины на границе раздела двух сред с различными свойствами. Результаты показали, что напряженное состояние представляет собой равномерно растяжение в области без дефекта границе и сжатие в области с трещиной с особенностью у вершины трещины, где напряжения стремятся к бесконечности.
Описаны основные критерии разрушения металлоизделий. Приведены выводы коэффициентов интенсивности напряжений при различных микродефектах.
На примере известных из литературы экспериментальных исследований процессов коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) показаны возможные несплошности и дефекты, размеры и условия их раскрытия до критического разрушения.
Определены напряжения, возникающие при эксплуатации циркониевых оболочек при наличии дефектов. Результаты решения показали, что предельно допустимые напряжения для циркониевых оболочек определяется в диапазоне 300 - 850 МПа с заданным коэффициентом запаса.
Разработана методика расчета коэффициентов интенсивности напряжений при расчете предельно допустимых напряжений в циркониевых оболочках с алюминиевыми и хромовыми покрытиями.
Найдены параметры, влияющие на коэффициенты интенсивности напряжений при наличии механического нагружения и теплового воздействия в зависимости от физико-механических свойств для двух сред материала оболочки и покрытия при наличии дискообразных дефектов (питтингов) на границе сред.
Определены распределения температурных напряжений вокруг внешней осесимметричной трещины на границе раздела двух сред с различными свойствами. Результаты показали, что напряженное состояние представляет собой равномерно растяжение в области без дефекта границе и сжатие в области с трещиной с особенностью у вершины трещины, где напряжения стремятся к бесконечности.