Федеральное государственное унитарное предприятие ОКБ «Гидропресс»

1. Федеральное государственное унитарное предприятиеОКБ «Гидропресс» СЕМИШКИН ВАЛЕРИЙ ПАВЛОВИЧ Расчётно-экспериментальное моделированиеповедения твэлов и ТВС ВВЭР в аварии«большая течь» 2007

2. Схема исследований связанной задачи твэла (1-я термомеханическая задача) Экспериментальные исследования на стендах ОКБ «Гидропресс» Расчётные исследования, построение сценариев Экспериментальные исследования на стенде ПАРАМЕТР Испытания 19 и 37 твэльных сборок на 2-ой стадии ПА Испытания твэльных трубок для построения уравнений механического состояния Построение уравнений механического состояния Испытания одиночного твэла на 1-ой и на 1-ой+2-я стадиях ПА Осесимметричная модель твэла, связанность с ТЕЧЬ-М, ТЕМПА-1Ф и КОРСАР/ГП1 Испытания твэльных трубок для верификации осесимметричной задачи Испытания 37 твэльных сборок при температурном «перекосе» Испытания твэльных трубок для верификации трёхмерной задачи Трёхмерная (неосесимметричная) модель твэла, связанность с ТЕМПА-1Ф Испытания 19 твэльных сборок на 1-ой фазе ЗПА Приближённая модель твэла Испытания БТ-2 на реакторе МИР

3. Схема исследований поведения ТВС (2-я термомеханическая задача) Основы концепции разбираемости активной зоны после аварии Стержневая модель ТВС Конечно-элементная модель ТВС Анализ формоизменения активной зоны Взаимодейсвие твэлов с ячейками ДР Моделирование дистанционирующей решетки Залив ТВС водой и деформирование при демонтаже Взаимодействие топливных таблеток с оболочкой Локальные эффекты деформирования Алгоритм демонтажа ТВС Испытания модельных ТВС на стенде ПАРАМЕТР Испытания полномасштабной ТВС на стенде ОКБ «Гидропресс» Планируемые эксперименты 

4. Рис.1 Схематичное представление изменения температуры оболочки твэла для построения сценария аварии БТ в проектной (ПА) (а) и запроектной (ЗПА) (б)авариях. ПА: Т1=5001000оС; Т2=350850оС; Т3=3501150оС; скорость подъёма температуре на первой стадии продолжительность первой стадии – 30с. ЗПА: Т1=13001400оС; Т2=17801820оС; Современная классификация аварий: 1) Аварии малой частоты 10-2 f  10-4  Малые течи (Ду  100мм) и др. 2) Аварии очень малой частоты 10-4 f  10-6  Большие течи (Ду  100мм) и др 3) Запроектные аварии.

5. Осесимметричная модель твэла 1-ая термомеханическая задача • Код ТВЭЛ-3: в зависимости от структуры используемого теплогидравлического кода и типа дискретной схемы активной зоны рассматриваются две расчётные схемы: • твэл разбивается на расчётные участки в соответствие с дискретной схемой теплогидравлического кода; расчётные участки не взаимодействуют друг с другом. • - твэл моделируется в целом без введения ограничивающих по теплопроводности и перемещениям условий взаимодействия на границах расчётных участков, т.е. рассматривается в виде элемента конструкции ТВС Рис. 2 Схема осесимметричного раздутия оболочки твэла Уравнение механического состояния

6. Построение уравнений механического состояния для циркониевых оболочечных сплавов а) * К системе сбора информации б) Рис. 3 Диаграмма нагружения (а) и функции изменения окружных деформаций (б) Рис. 4 Схема экспериментальной установки

7. а) б) г) в) Рис. 5Изменение окружной деформации трубок из сплава Э110: а) р=2 МПа; б) р=4,5 МПа; в) р=8 МПа; г) р=12 МПа.

8. Коэффициенты уравнений механического состояния  

9. Верификация осесимметричной модели ползучести оболочки твэла Параметр повреждаемости Тест 1. Ползучесть длинной тонкостенной изотропной трубы под действие внутреннего давления Время увеличения диаметра оболочки до величины D Рис.7 Аппроксимации кривой ползучести сплава Э110 Рис. 6 Изменение безразмерного диаметра от времени

10. Трёхмерная модель поведения твэла Принцип возможных скоростей перемещений (Зенкевича-Годбоула) а) Рис. 9Треугольный конечный элемент б) Уравнения задачи в момент времени i Рис. 8Сечение твэла в плоскости (r, z) (а) и сечение твэла (r,) (б)

11. Верификация неосесимметричной модели деформирования оболочки твэла б) а) в) Рис. 10Термоизображения (термограммы) опыта (а), изменение параметров эксперимента (б) и изменение максимальной окружной деформации (в)

12. Связанность расчёта твэла и теплогидравлики активной зоны Т,оС а) б) Т,оС г) в) Рис. 11 Изменение максимальной температуры оболочки твэла (а и в), топливного стержня (б) и толщины окисленного слоя (г), определённые по коду ТЕЧЬ-М с кодами ТВЭЛ-2 и ТВЭЛ-3

13. Моделирование поячейкового теплообмена по коду ТЕМПА-1Ф с кодом ТВЭЛ-3 Рис. 13Разбиение проходного сечения на каналы Рис.12 Схема разбиения ТВС на контрольные объёмы: уравнений сохранения массы и энергии (а); уравнения сохранения продольной составляющей импульса (б); уравнений сохранения поперечных составляющих импульса (в) Рис. 14 Схема разбиения поверхности основного контрольного объёма Vn на элементы

14. Три типа теплообмена между твэлов и средой в межячейковом пространстве 1) Элемент поверхноститвэла взаимодействуетс одним контрольным объёмом теплогидравлической задачи 2) Взаимодействие одного элемента поверхности твэла c несколькими контрольными объёмами теплогидравлической задачи КАНАЛ ТЕМПА-1Ф 3) Несколько элементов поверхности твэла взаимодействуют с одним контрольным объемом теплогидравлической задачи Рис.15 Температуры оболочки твэла на наиболее теплонапряжённом участке

15. Испытания сборок имитаторов твэлов и одиночных твэлов на стенде ПАРАМЕТР Три типа стендовых испытаний: 1) Экспериментальная проверка работоспособности топлива по предельным состояниям и приёмочным критериям. Назначение такого вида экспериментов - прямое обоснование охлаждаемости и возможности залива наиболее горячей части ТВС активной зоны. 2) Испытания предназначены для верификации расчётныхмоделей, используемых в кодах для обоснования безопасности, в том числе в связанной постановке. 3) Определение характеристик материалов и сред при построении уравнений состояния, в том числе для определения предельных состояний, особенно в связанной постановке деформирования и повреждения.

16. а) в) б) Рис. 16Общий вид имитаторов твэлов и их сборки в модельную ТВС: нагревательный твэл (а); пассивный твэл (б) и модельная с сборка (в)

17. Экспериментальные исследования термомеханического поведения твэловна 2-ой стадии ПА БТ

18. а) б) общ=50% общ=67% г) в) общ=36% Рис. 17 Вид сборокпосле испытаний: а) сборка №3; б) сборка №4; в) сборка №8, оболочки второго ряда; г) сборка №8, оболочки второго ряда в области раздутий

19. Пост-тестовые расчёты второй стадии аварии по коду ТВЭЛ-3 а) б) в) г) Рис. 18 Распределение окружной деформации по длине твэлов 1.1 (а) и 3.6 (б) сборки №1 и твэлов 3.2 (в) и 3.9 (г) сборки №6.

20. Испытания твэлов на первой стадии проектной аварии ПА БТ Р, МПа. Т, оС Рис. 21 Температурно-силовой сценарий первой стадии аварии Рис.20 Технологическая схема испытаний в имитационных условиях первой стадии аварии. Рис. 19Общий вид испытательного участка для испытаний одиночного имитатора твэла.

21. а) б) в) г) Рис.22Характерный внешний вид оболочек твэлов после испытания: твэл №2 (а); твэл № 4 (б); твэл №19 (в); твэл №20 (г).

22. а) б) г) в) Рис. 23 Численная и экспериментальная реализация первой стадии проектной аварии опыт 2, сплав Э‑110 (а); опыт 3, сплав Э‑110 (б); опыт 4, сплав Э‑110 (в); опыт 18, сплав Э‑635 (г)

23. 2-ая термомеханическая задача Разработка методик и кодов для анализа высокотемпературного поведения ТВС Перваягруппа задача - анализ формоизменения ТВС и всего ансамбля ТВС в АЗ с целью определения устойчивости, прогибов и возможных поворотов относительно центральной оси и взаимодействия ТВС друг с другом. Вторая группа задача - анализ деформирования отдельной ТВС, условной с точки зрения как ее расположения в АЗ, так и температурного состояния ее элементов, определяемого в результате консервативного представления о наиболее энергонапряжённой "свежей" ТВС, окружённой менее энергонапряжёнными. Рис. 24 Общий вид УТВС

24. Конечно-элементное моделирование ТВС б) а) Рис. 25 Конечный элемент pipe20 (а) и оболочечный конечный элемент shell63 (б). а) б) Рис. 26 Конечно-элементная схема каркаса ТВС для ВВЭР-1500 (а) и общий вид (б)

25. Рис.27 Конечно-элементная модель пучка (а) и сопряжения пучка с головкой ТВС (б) Рис.28 Упругие линии НК ТВС ВВЭР-1500, нагруженного поперечной силой 100 Н в начальный момент времени ПА БТ (а) и через 2,5 с (масштаб деформаций 500:1)

26. Методология высокотемпературных механических испытаний ТВС Предлагаемая схема моделирования ТВС на стенде ПАРАМЕТР а) б) Рис.29 Схема механического нагружения (а) и установки сборки в рабочем канале (б)

27. Стенд ОКБ «Гидропресс» для испытания ТВС а) б) Рис.30 Стенд для полномасштабных испытаний ТВС в аварии БТ (а) и схема расположения первичных преобразователей по сечению ТВС (вид сверху со стороны головки ТВС)

28. Основы концепции разбираемости активной зоны ПА • Определение количества разгерметизированных твэлов при комбинированном действии термических и механических нагрузок с учётом охрупчивания. • Определение недопустимого с точки зрения перемещения ТВС из АЗ формоизменение. • Оценка структурной целостности ТВС из-за разрушения ДР и сварных точек. • Определение предельного состояния наиболее повреждённой части ТВС при максимальной осевой нагрузке (для ВВЭР-1000 - 4 тонны). ЗПА • Определение количества оболочек твэлов, сохранивших свою целостность, откуда следует, что несущая способность оболочек, НК и ДРпозволяет проводить выемку ТВС из АЗ при усилиях до 4-х тонн. • Определение количества оболочек разрушившихся твэлов при условии. что НК и ДР удерживают конструкцию ТВС в гексагональной геометрии, что позволяет проводить подъём ТВС из а.з. с ограничением усилий. • Оценка условий, при которых степень окисления и разрушения элементов ТВС столь значительны, что демонтаж АЗ невозможен без разрушения и перемещения на днище корпуса реактора топливных стержней.

29. Основные выводы Связанное решение задач термомеханики и теплофизики на основе разработанных методов и вычислительных кодов позволяет снижать консервативность и уменьшать количество неопределённостей в построении расчётных схем при обоснованиях безопасности и при уточнении инструкций по управлению ПА и ЗПА, как на вновь строящихся, так и при модернизации действующих АЭС. Численное решение совокупности задач при анализе разбираемости АЗ после аварии обеспечивается как кодами ТВЭЛ-3 и ТМТВС_ГП, так и известными универсальными кодами MSC.MARC и ANSYS.

30. Спасибо за внимание