определение механических характеристик и оптимизация
advertisement
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ БЕСЧЕХЛОВОЙ РАБОЧЕЙ КАССЕТЫ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ РЕАКТОРА ВВЭР-440 В.А. Брода, А.А. Енин, А.А. Куркин, А.П. Устименко ОАО «Новосибирский завод химконцентратов», Новосибирск, Россия Ю.А. Кукушкин ОАО «ТВЭЛ», Москва, Россия В настоящее время разработчики и производители ядерного топлива для АЭС добились больших успехов благодаря постоянной модернизации и усовершенствованию ядерного топлива, внедрению новых конструктивных решений и материалов. Тенденция к усовершенствованию диктуется с одной стороны условиями эксплуатации блоков и требованиями к повышению надежности топлива, с другой – требованиями топливного рынка. Для реакторов ВВЭР-1000 разработано и успешно эксплуатируется топливо нового поколения – сборки с жестким каркасом ТВС-2 и ТВСА. По инициативе и при финансировании ОАО «ТВЭЛ» конструкция топливных кассет ВВЭР-440 также постоянно модернизируется. Основной задачей при разработке проекта рабочей кассеты третьего поколения (РК-3) для блоков ВВЭР-440 было повышение эффективности топливоиспользования, для чего в конструкции РК-3 было предусмотрено: снижение паразитного захвата тепловых нейтронов за счет уменьшения массы циркониевых сплавов (по сравнению с РК второго поколения) на 8,3 кг при использовании бесчехловой конструкции с каркасом из шести уголков и несущих труб (НТ); оптимизация водо-уранового отношения за счет увеличения шага твэлов в пучке; увеличение топливной загрузки за счет использования в твэлах таблеток без центрального отверстия и с увеличенным наружным диаметром. Рабочие качества кассет во многом зависят от жесткости их каркаса и кассеты в целом. При разработке проекта в ОАО «НЗХК» был выполнен цикл экспериментальных работ по оптимизации жесткости и прочности РК-3, а также установлению фактических значений механических характеристик каркаса и арочных дистанционирующих решеток (ДР). Эксперименты проводились в объеме близком к аналогичным испытаниям, выполненным при разработке ТВС-2 [1], и использовались при верификации и расчетном обосновании новой конструкции [2]. Цикл экспериментов включал: сборку пучков (установку имитаторов твэла) полномасштабного и двухпролетных макетов с контролем усилий установки имитаторов твэла; испытания на изгиб полномасштабного каркаса и макета РК-3 с шестью НТ для определения жесткости и формы прогиба полномасштабного каркаса и макета РК-3 при действии поперечной нагрузки. имитацию термомеханического взаимодействия каркаса и пучка твэлов при проталкивании пучка имитаторов твэла через каркас двухпролетных макетов РК-3 без НТ, с шестью НТ и с тремя НТ для оценки устойчивости ДР к депланации. Объекты исследований, оборудование и методики испытаний Для испытаний был изготовлен полномасштабный и двухпролетные макеты. Основные характеристики полномасштабного макета (Рис. 1) приведены ниже. Длина макета– 3191 мм. Количество ДР – 9 шт., материал – сплав Э110. Расстояние между ДР – 305 мм. ДР изготовлены в ОАО «МСЗ» с использованием так называемых арочных ячеек. Высота ячеек h = 20 мм, толщина стенок ячеек = 0,25 мм. Фактический средний вписанный диаметр ячеек, измеренный на координатно-измерительной машине – 9,06 мм. Количество уголков и НТ – 6 шт., материал – сплав Э635. Имитаторы твэлов представляли собой пустотелые оболочки с приваренными заглушками. Фактический средний диаметр оболочек имитаторов твэлов, измеренный микрометром – 9,13 мм. Крепление в нижней решетке (НР) – цанговое. Каркас макета образован НТ и уголками, приваренными к ДР. Двухпролетные макеты представляли собой фрагменты полномасштабного макета и содержали 3 ДР (Рис. 2), имитаторами твэлов служили пустотелые оболочки твэлов. Макет с тремя НТ получен доработкой макета с шестью НТ. Сборка пучков макетов осуществлялась в сборочном стапеле. Заталкивание имитаторов твэла выполнялось без лака при помощи механизированного стенда. Усилие измерялось при помощи тензометрического датчика силы, устанавливаемого между толкателем стенда и торцом имитатора твэла. Данные измерений в реальном времени обрабатывались с помощью автоматизированной системы и сохранялись в файле. Дальнейшая обработка проводилась в электронных таблицах Excel. Определялось усилие прохождения через 9 или 3 ДР, усилие установки цанги в НР, полное усилие установки. Дальнейшие испытания проводились в стенде, предназначенном для определения механических характеристик конструкций кассет энергетических реакторов (далее стенд МИТ), модернизированном для испытаний полномасштабных и двухпролетных макетов РК-3. Схема стенда МИТ с макетом РК-3 приведена ниже (Рис. 1). Стенд представляет собой жесткую раму 1, внутри которой вертикально располагается макет. Хвостовик ТВС устанавливается в посадочное место 3, имитирующее посадочное место в реакторе. Головка макета РК-3 закрепляется с помощью прижима 4, имитирующего посадочное место головки. Нагружение поперечной силой P на ДР осуществляется через жесткий хомут 5, при помощи домкрата 6. Конструкция стенда позволяет прикладывать поперечную силу перпендикулярно грани ДР или в угол ДР. Продольная сила F и поперечная сила P измеряются датчиками усилий. Стенд оснащен 30-ю датчиками линейных перемещений 7. Датчики могут быть установлены на любой элемент макета непосредственно или через хомут и позволяют измерять перемещения поверхности ТВС (или хомута) в заданном направлении. При испытаниях устанавливались датчики перемещений с пределами измерений 15, 30 и 50 мм с разрешением 0,001 мм и 0,01 мм. Испытания проводились под управлением оригинальной компьютерной программы. Скорость нагружения составляла ~ 2 мм/мин. Задавался интервал опроса датчиков – 200 мс. Температура испытаний 20ºС. Методика испытаний полномасштабного каркаса и макета на поперечный изгиб предусматривает: Шаг 1. Приложение поперечной нагрузки к ДР5 до прогиба V ~ 5 мм. Регистрация прогибов по всем ДР по высоте макета. Шаг 2. Разгрузка и приложение поперечной нагрузки в обратном направлении до прогиба ~ -5 мм. Шаг 3. Разгрузка до момента, когда остаточный прогиб каркаса (макета) на уровне ДР5 не превышал 0,01 мм при отсутствии поперечной нагрузки. Шаги 4…9. Приложение поперечной нагрузки к ДР2 и ДР8 до прогибов зарегистрированных на шаге 1 на соответствующих ДР. Далее разгрузка и нагрузка в обратном направлении. Рис. 1 – Схема стенда МИТ с установленным полномасштабным макетом а) макеты с шестью и без НТ б) макет с тремя НТ Рис. 2 – Каркасы двухпролетных макетов Ниже (Рис. 3) приведена часть стенда МИТ, предназначенная для испытаний по проталкиванию пучка имитаторов твэла через каркасы с одновременным изгибом. Рис. 3 – Двухпролетный макет в стенде Выступающие концы уголков макетов фиксировались специальными зажимами, обеспечивающими закрепление типа «жесткая заделка», в нижней и верхней опорных плитах. Для макетов с НТ дополнительно фиксировались НТ в нижней и верхней опорных плитах. Макет устанавливался в стенд вертикально, при этом нижняя опорная плита крепилась к основанию стенда, а верхняя – к съемной поперечной раме. При помощи вертикального нагружающего устройства стенда вручную создавалась продольная нагрузка F до 50 кН. Нагрузка через нажимную плиту передавалась на пучок имитаторов cо скоростью 0,05 мм/с (3 мм/мин). Поперечная нагрузка Р до 2 кН прикладывалась через хомут к средней ДР вручную при помощи домкрата. Методика испытания по проталкиванию пучка имитаторов твэлов через каркас предусматривает: Шаг 1. Продольная нагрузка увеличивается до величины, при которой пучок имитаторов твэлов начинает движение через каркас. Шаг 2. Движение пучка имитаторов твэлов через каркас проводится до момента, когда изменение продольного усилия станет незначительным. Шаг 3. Поперечная нагрузка прикладывается до приращения прогиба V ~ 1 мм. Возврат к шагу 1. Опыт проведения предыдущих испытаний [2] показал, что механическая часть стенда обеспечивает создание требуемых нагрузок на ТВС или укороченные макеты. Автоматизированная измерительная система обеспечивает необходимую точность мобильность, универсальность и надежность в работе. Сборка пучков макетов В двухпролетный макет с контролем усилия было установлено 110 имитаторов твэла, а в полномасштабный - 120. Средний натяг составлял 0,07 мм. Результаты сборки макетов представлены в таблице. Предварительно были проведены эксперименты по протягиванию имитаторов твэла через одиночную ДР, по методике, описанной в работе [1]. При среднем натяге 0,093 мм среднее усилие протягивания составило 34,2 Н. Из таблицы 1 следует, что с увеличением в макете числа ДР среднее усилие прохождения имитатора через одну ДР увеличивается, однако прямо пропорциональной зависимости усилия от числа ДР не наблюдается. Усилия установки имитаторов твэла Среднее Среднее усилие полное Количество Макет прохождения усилие ДР, шт через одну ДР, Н установки, Н двухпролетный макет 112 3 37,3 полномасштабный макет 449 9 49,9 Ниже (Рис. 4) приведена характерная диаграмма, полученная в реальном времени при установке имитатора твэла в полномасштабный макет. Заметные приросты усилия установки соответствуют прохождению имитатора твэла через очередную ДР, Последний значительный прирост усилия соответствует установке цанги нижней заглушки в НР. Усилие установки, Н 800 700 600 500 400 300 200 100 Время, с 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Рис. 4 – Характерная диаграмма установки имитатора в полномасштабный макет Следует отметить, что постепенное увеличение усилия наблюдается при движении между ДР. Поперечный изгиб полномасштабного макета Результаты экспериментов приведены ниже (Рис. 5, Рис. 6). Здесь и далее на графиках приведены уравнения линейной регрессии, построенные на участках зависимостей «перемещение – усилие», жесткость на участках определяется как коэффициент пропорциональности уравнения. Уравнения регрессии на участках следует признать адекватными – коэффициент детерминированности R2>0,98. Жесткость ТВС традиционно оценивают при поперечном изгибе на уровне средней ДР. Характеристики, получаемые при изгибе макетов, всегда имеют несколько участков, на которых жесткость существенно отличается. Жесткость на начальном участке, при перемещениях до ~1 мм, складывается из жесткости каркаса и пучка твэлов, неподвижных относительно ячеек ДР за счет трения. После преодоления сил трения в парах «твэл-ячейка ДР» жесткость макетов существенно падает. Усилие, Н 600 400 y = 97,5x + 37,9 R2 = 0,998 200 y = 129,4x R2 = 0,995 Перемещение, мм 0 -6 -4 -2 0 2 4 6 -200 -400 -600 Рис. 5 – Характеристика каркаса при поперечном изгибе по ДР5 Усилие, Н 1000 y = 154,7x + 116,6 R2 = 0,999 500 y = 257,9x R2 = 0,999 Перемещение, мм 0 -6 -4 -2 0 -500 -1000 2 4 6 Рис. 6 – Характеристика макета при поперечном изгибе по ДР5 Перемещение, мм В испытаниях каркаса и макета получен значительный гистерезис характеристик, обусловленный особенностью крепления уголков к головке и хвостовику, жесткостью каркаса и трением в паре «твэл-ячейка». 5 4 3 Координата по высоте, мм 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Рис. 7 – Прогибы каркаса На рис. 7 кружками обозначено положение ДР, ромбом – ДР на которую прикладывалась нагрузка. Отсчет координаты ведется от нижнего торца хвостовика. Проталкивание пучка имитаторов твэлов через каркас Ожидаемое усилие проталкивания определяется как произведение количества имитаторов твэла в пучке на среднее усилие установки одного имитатора твэла и составляет ~ 1400 кгс. Результаты испытаний по проталкиванию пучка имитаторов твэла через каркас с одновременным изгибом приведены на рис. 8 и 9. Усилие проталкивания, кгс 3500 3000 2500 2000 Двухпролетный макет без НТ Двухпролетный макет с 6-ю НТ Двухпролетный макет с 3-мя НТ разрушение макета 1500 1000 500 Перемещение пучка относительно каркаса, мм 0 0 5 10 15 20 25 30 На кривых обозначены точки (ромбы) приостановки продольной нагрузки и увеличения поперечного прогиба ~1мм. Квадратом обозначена точка прекращения проталкивания и начала разгрузки. Рис. 8 – Проталкиванию пучка имитаторов твэла через каркас 35 При остановке продольного нагружения и задания поперечного прогиба происходит падение продольной нагрузки на ~ 50 кгс. а) макет без НТ б) макет с шестью НТ Рис. 9 – Проталкиванию пучка имитаторов твэла через каркас При испытаниях макета без НТ продольное движения нажимной плиты вызывало такое же продольное перемещение имитаторов твэла. Нагрузка значительно превзошла ожидаемую, что вызвало прогиб съемной поперечной рамы (Рис. 3), к которой крепилась верхняя опорная плита. При достижении продольной нагрузки 3350 кгс каркас разрушился – произошла потеря устойчивости уголков в нижнем пролете (Рис. 9, а). После снятия нагрузки, вследствие упругой отдачи ДР, видимая поверхность торцов имитаторов твэлов приняла форму линзы, выпуклостью вверх. Из этого следует продольное движение имитаторов твэлов по остальному полю ДР было неодинаково так как произошло закусывание имитаторов твэлов в ячейках ДР, вызвавшее изгиб плоскости (депланацию) ДР. После испытаний пучок макета без НТ был разобран. Результаты измерений ДР позволило восстановить схему ее депланации (Рис. 10). Рис. 10 – Схема депланации ДР При испытаниях макета с шестью НТ движение пучка началось при нагрузке близкой к ожидаемой. Закусывания твэлов в ячейках не произошло даже при принудительном изгибе ~ 3 мм (Рис. 8). После снятия нагрузки видимая поверхность торцов имитаторов твэлов осталась плоской. Испытания были признаны успешными. Поэтому было принято решение уменьшить число НТ до трех (Рис. 2, б) отпилить и повторить эксперимент. Испытания также прошли успешно (Рис. 8). При осмотре макетов с шестью и тремя НТ изменений не обнаружено. Заключение Получены необходимые исходные данные для расчетов в обоснование термомеханики и прочности рабочей кассеты нового поколения, которые проведены с использованием специальных программных кодов. Экспериментально определены характеристики жесткости и прочности различных вариантов конструкции РК-3 при имитации термомеханического взаимодействия жесткого каркаса и пучка имитаторов твэлов. В арочных дистанционирующих решетках при испытаниях макета без несущих труб произошло закусывание в парах «твэл-ячейка», произошла существенная депланация плоскости решетки и макет был разрушен. По результатам исследований, проведенных на макетах с несущими трубами, оптимизировано (уменьшено) количество труб в конструкции РК-3. Список литературы 1. Устименко А.П., Шустов М.А. Механические характеристики тепловыделяющих сборок энергетических реакторов, определяемые в экспериментах на узлах и малых макетах. Методы и программное обеспечение расчетов на прочность: Сборник докладов 2-й Российской конференции. М.: ФГУП НИКИЭТ, 2002. 2. Лихачев Ю.И., Устименко А.П., Фоломеев В.И., Шустов М.А. Экспериментальное определение механических характеристик тепловыделяющих сборок типа ВВЭР и верификация программ расчета их термомеханического поведения Методы и программное обеспечение расчетов на прочность: Сборник докладов 4-й Российской конференции. М.: ФГУП НИКИЭТ, 2006.
