1

Федеральное государственное унитарное предприятиеОКБ «Гидропресс»

СЕМИШКИН ВАЛЕРИЙ ПАВЛОВИЧ

Расчётно - экспериментальное моделирование поведения 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»

Экспериментальные исследования

на стенде ПАРАМЕТР

Расчётные исследования,

построение сценариев

Испытания твэльных трубок для

верификации трёхмерной задачи

Построение уравнений механического состояния

Осесимметричная модель твэла,

связанность с ТЕЧЬ-М, ТЕМПА-1Ф и КОРСАР/ГП1

Трёхмерная (неосесимметричная)

модель твэла, связанность с ТЕМПА-1Ф

Испытания БТ-2 на реакторе МИР

Приближённая модель твэла

Испытания 19 и 37 твэльных сборок

на 2-ой стадии ПА

Испытанияодиночного твэла

на 1-ой и на 1-ой+2-я стадиях ПА

Испытания 37 твэльных сборок

при температурном «перекосе»

Испытания 19 твэльных сборок на 1-ой фазе ЗПА

Испытания твэльных трубок для построения

уравнений механического состояния

Испытания твэльных трубок для

верификации осесимметричной задачи

3

Схема исследований поведения ТВС (2-я термомеханическая задача)

Стержневая модель ТВС

Конечно-элементная модель ТВС

Взаимодейсвие твэлов

с ячейками ДР

Взаимодействие топливных таблеток

с оболочкой

Испытания полномасштабной

ТВС на стенде ОКБ «Гидропресс»

Испытания модельных

ТВС на стенде ПАРАМЕТР

Основы концепции разбираемости активной

зоны после аварии

Моделирование дистанционирующей

решетки

Анализ формоизменения активной зоны

Алгоритм демонтажа ТВС

Залив ТВС водой и деформирование

при демонтаже

Локальные эффекты деформирования

Планируемые эксперименты

4

1 2 0 0 о С Т 1 T 3

2

3 5 0 о С

0

T 2

1 с т а д и я

2 с т а д и я

а )

2000оC

350оС

б)

Т2

Т1

0 1

2

c/T 12040

c5001

Рис. 1 Схематичное представление изменения температуры оболочки твэла для построения сценария аварии БТ в проектной (ПА) (а) и запроектной (ЗПА) (б) авариях.

ПА: Т1=5001000оС; Т2=350850оС; Т3=3501150оС; скорость подъёма температуре на первой стадиипродолжительность первой стадии – 30с.

ЗПА: Т1=13001400оС; Т2=17801820оС;

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

1-ая термомеханическая задача

Обл

асть

лок

альн

ого

разд

ути

я

z

r

Топливный сердечник

Оболочка твэла

P вн

Рис. 2 Схема осесимметричного раздутия оболочки твэла

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

Осесимметричная модель твэла

.A

,)(

TR

Qexpk

*

cee

m

ne

c

ce

1

Уравнение механического

состояния

6

Построение уравнений механического состояния для

циркониевых оболочечных сплавов

Локальное раздутие (ballooning)

T, p

б)

T

p

в)

maxt

*

* *

Рис. 3 Диаграмма нагружения (а)и функции изменения окружных

деформаций (б)

Рис. 4 Схема экспериментальной установки

а)

б)

* К системе сбора информации

7

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Время, с

Дефо

рмац

ия, %

T = 806,8 °С

T = 808,6 °С

T = 831,1 °С

T = 851,4 °С

T = 871,0 °С

T = 901,0 °С

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800

Время, с

Деф

орма

ция,

%

T=730,8 °С

T=781,9 °С

T=806,8 °С

T=822,1 °С

T=844,6 °С

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 200 400 600 800 1000 1200

Время, с

Деф

орма

ция,

%

T=702,0 °С

T=704,2 °С

T=721,4 °С

T=743,7 °С

T=750,9 °С

T=762,9 °С

T=783,1 °С

T=805,2 °С

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Время, с

Деф

орма

ция,

%

T = 690,2 °С

T = 705,9 °С

T = 720,5 °С

T = 726,6 °С

T = 730,8 °С

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

а)б)

в) г)

8

Коэффициенты уравнений механического состояния

.A

,)(

TR

Qexpk

*

cee

m

ne

c

ce

1

.A

,TR

Qexpk

*

cee

ne

c

ce

1

9

Верификация осесимметричной модели ползучести оболочки твэла

Тест 1. Ползучесть длинной тонкостенной изотропной трубы под действиевнутреннего давления

Параметр повреждаемости ,13

223

*0

0 xAh

pD

Время увеличения диаметра оболочки до величины D ,1)1(

3

21

1

2

3

*

02

23

0

dxxA

xk

xe

n

ne

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

0 3 6 9 12 15 18

t, с

D/D0

Теоретическая кривая

Расчетная кривая

Рис. 6 Изменение безразмерного диаметра от времени

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1000 2000 3000 4000 5000

Время, с

Окруж

ная д

еф

орм

ац

ия,%

m=1m=0.5Эксперимент

T=730 CP=2 МПа

Рис. 7 Аппроксимации кривой ползучести сплава Э110

10

Трёхмерная модель поведения твэла

Об

лас

ть л

окал

ьно

го р

азд

ути

я

z

r

Топливный сердечник

Оболочка твэла

Pвн

M

M

r

Pвн

Топливный сердечник

Рис. 8 Сечение твэла в плоскости (r, z) (а) и сечение твэла (r,) (б)

а)

б)

Принцип возможных скоростей перемещений(Зенкевича-Годбоула)

,dSXudVXudV iS

iV

iiijV

ij

iu

iv

i

j

m

ju

jw

jv

iw

mw

mv

mu

0

Рис. 9 Треугольный конечный элемент

VRVaKe

ei

,

Уравнения задачи в момент времени i

11

Верификация неосесимметричной модели деформирования оболочки твэла

600

650

700

750

800

850

900

0 100 200 300 400 500 t, c

Мак

сим

альн

ая т

емп

ерат

ура,

°С

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Дав

лен

ие,

МП

а

Температура

Давление

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 100 200 300 400 500t, c

ЭкспериментЧисленная модель

max

Рис. 10 Термоизображения (термограммы) опыта (а), изменение параметров эксперимента (б) и изменение максимальной окружной деформации (в)

а)

б)

в)

12

Связанность расчёта твэла и теплогидравлики активной зоны

(ТВЭЛ-3 С УВЕЛИЧЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ПОЛЗУЧЕСТИ) (ТВЭЛ-3)

C

T

c

t

(ТВЭЛ-2 БЕЗ ДЕФОРМАЦИИ) (ТВЭЛ-2 С УЧЕТОМ ДЕФОРМАЦИИ) (ТВЭЛ-3 БЕЗ УЧЕТА ДЕФ. НЕГОРЯЧИХ УЧАСТКОВ ) (ТВЭЛ-3)

c

t

C

T

C

T

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

а) б)

(ТВЭЛ-2 БЕЗ ДЕФОРМАЦИИ) (ТВЭЛ-2 С УЧЕТОМ ДЕФОРМАЦИИ) (ТВЭЛ-3 БЕЗ УЧЕТА ДЕФ.НЕГОРЯЧИХ УЧАСТКОВ ) (ТВЭЛ-3)

C

T

C

T

c

(ТВЭЛ-2 БЕЗ ДЕФОРМАЦИИ) (ТВЭЛ-2 С УЧЕТОМ ДЕФОРМАЦИИ) (ТВЭЛ-3 БЕЗ УЧЕТА ДЕФ. НЕГОРЯЧИХ УЧАСТКОВ ) (ТВЭЛ-3)

м

h

в)г)

Т,оС

Т,оС

13

Канал I Канал J

Канал поперечной связи

твэл

t

b

Контрольный объем Vn

w l l

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. 13 Разбиение проходногосечения

на каналы

Рис. 14 Схема разбиения поверхности основного контрольного объёма

Vn на элементы

а) в) б)

С лой K

К анал I К анал J К анал I К анал J К анал поперечной связи IJ

Моделирование поячейкового теплообмена по коду ТЕМПА-1Ф с кодом ТВЭЛ-3

14

1) Элемент поверхности твэла взаимодействует с одним контрольным объёмом теплогидравлической задачи

),TT(q fcl

2) Взаимодействие одного элемента поверхности твэла c несколькими

контрольными объёмамитеплогидравлической задачи

N

ii

N

iifcli

S

STT

qi

1

1

)(

)(ifclii TTq

Рис. 15 Температуры оболочки твэла на наиболее теплонапряжённом участке

3) Несколько элементов поверхности твэла взаимодействуют с одним контрольным объемом теплогидравлической задачи

)( fclj TTqj

K

jjfcl STTQ

j1

)(

0 40 80 120 t , c

400

600

800

1000

T , ° C

Ê À Í À Ë - 9 7 Ò Å Ì Ï À - 1 Ô

t * t * *

КАНАЛ ТЕМПА-1Ф

Три типа теплообмена между твэлов и средой в межячейковом пространстве

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 расчётных моделей, 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

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

а) б) в)

17

Экспериментальные исследования термомеханического поведения твэлов на 2-ой стадии ПА БТ

Характеристики испытания

№1 1999

№2 1999

№3 1999

№4 2000

№5 2000

№6 2001

№7 2001

№8 2002

Количество твэлов в сборке

19 19 19 37 37 37 37 37

Количество нагревательных

твэлов 19 19 19 24 22 23 36 36

Высота нагреваемой

части, мм 800 800 800 1275 1275 1275 1275 1275

Материал оболочки

Э110 Э635 Э110 Э110 Э635 Э110 Э110 Э635

Начальное давление гелия при 20оС, МПа

2,00,25 2,00,25 2,00,25 2,00,25 2,00,25 2,00,25 2,00,25 3,00,25

Температура пара на входе в сборку, оС

300450 300450 300450 300480 300480 300480 300480 300480

Расход пара через сборку, г/с

4 4 4 8 6 6 6 6

Скорость нагрева оболочек в оС/с 1,52,0 1,01,5 0,20,3 0,40,5 1,52,2 1,41,8 3,04,0 2,04,0

Максимальная температура оболочек , оС

1100 1200 900 1200 900 900 850 1100

Скорость залива сборки водой снизу, мм/с

- - 50 30 80 80 80 80

18

Рис. 17 Вид сборок после испытаний: а) сборка №3; б) сборка №4; в) сборка №8, оболочки второго ряда; г) сборка №8, оболочки второго ряда в области раздутий

а)б)

в) г)

общ=67% общ=50%

общ=36%

19

Пост-тестовые расчёты второй стадии аварии по коду ТВЭЛ-3

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600 700 800Длина, мм.

Отн

оси

тельн

ая д

еф

орм

ац

ия,%

Численное моделирование

Экспериментальная деформация

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500 600 700 800Длина, мм.

Отн

оси

тельн

ая д

еф

орм

ац

ия,

%

Численная модель

Эксперимент

0

5

10

15

20

25

30

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5Расстояние от начала нагревного участка, м

Окруж

ная д

еф

орм

ац

ия, %

Численный анализ; Эксперимент

0

5

10

15

20

25

30

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5Расстояние от начала нагревного участка, м

Окруж

ная д

еф

орм

ац

ия, %

Численный анализ; Эксперимент

а) б)

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.

в) г)

20

Испытания твэлов на первой стадии проектной аварии ПА БТ

Рис. 19 Общий вид испытательного участка для испытаний одиночного

имитатора твэла.

Рис. 20 Технологическая схема испытаний в имитационных

условиях первой стадии аварии.

0 5 10 15 20 25 30Время, с

0

400

800

1200

Тем

пера

тура

, С

0

5

10

15

Дав

лен

ие, М

Па

температурадавление теплоносителявнутреннее давлениепри различном выгорании

Т, оС Р, МПа.

Рис. 21 Температурно-силовой сценарий первой стадии аварии

21

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

а)

б)

в)

г)

22

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

20 22 24 26 28 30 32 34

время, с

Тем

пре

рату

ра,

С

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Окр

ужн

ая д

ефор

мац

ия,

%

Температура( численная модель)

Температура (эксперимент)

Максимальная дефорамция (численная модель)

Максимальная дефорамция (эксперимент)

500

600

700

800

900

1000

1100

20 22 24 26 28 30 32

время, с

Тем

прер

атура,

С

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Окруж

ная

деф

орм

аци

я, %

Температура( численная модель)

Температура (эксперимент)

Максимальная дефорамция (численная модель)

Максимальная дефорамция (эксперимент)

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

время, с

Тем

прерат

ура,

С

0

7.5

15

22.5

30

37.5

45

52.5

60

67.5

75

Окруж

ная д

еф

орм

ац

ия,

%

Температура( численная модель)

Температура (эксперимент)

Максимальная дефорамция (численная модель)

Максимальная дефорамция (эксперимент)

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

40 42 44 46 48 50 52 54 56 58

время, с

Тем

прерат

ура,

С0

6.5

13

19.5

26

32.5

39

45.5

52

58.5

65

Окруж

ная д

еф

орм

ац

ия,

%

Температура( численная модель)

Температура (эксперимент)

Максимальная дефорамция (численная модель)

Максимальная дефорамция (эксперимент)

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)

а) б)

в) г)

23

Первая группа 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.

2-ая термомеханическая задачаРазработка методик и кодов для анализа высокотемпературного поведения ТВС

Рис. 24 Общий вид УТВС

24

Конечно-элементное моделирование ТВС

а) б)

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)

1

MN

MX

X

Y

Z

-.738E-06.218E-03

.436E-03.655E-03

.873E-03.001092

.00131.001529

.001747.001966

APR 27 200513:46:18

NODAL SOLUTION

STEP=2SUB =25TIME=2.508UY (AVG)RSYS=0DMX =.001967SMN =-.738E-06SMX =.001966

1

MN

MX

X

Y

Z

-.738E-06.218E-03.436E-03.655E-03.873E-03.001092.00131.001529.001747.001966

APR 27 200513:46:18

NODAL SOLUTION

STEP=2SUB =25TIME=2.508UY (AVG)RSYS=0DMX =.001967SMN =-.738E-06SMX =.001966

1

MN

MX

X

Y

Z

0

.154E-03.308E-03

.461E-03.615E-03

.769E-03.923E-03

.001077.001231

.001384

APR 27 200513:45:33

NODAL SOLUTION

STEP=1SUB =1TIME=.01UY (AVG)RSYS=0DMX =.001386SMX =.001384

1

MN

MX

X

Y

Z

0.154E-03.308E-03.461E-03.615E-03.769E-03.923E-03.001077.001231.001384

APR 27 200513:45:33

NODAL SOLUTION

STEP=1SUB =1TIME=.01UY (AVG)RSYS=0DMX =.001386SMX =.001384

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

тэны

Имитаторы твэлов сборки

Упругий элемент

Тоководы

Направляющий канал

Нижний фланец

Верхний фланец

Тоководы

Экспериментальная сборка

Рис. 29 Схема механического нагружения (а) и установки сборки в рабочем канале (б)

а) б)

27

Стенд ОКБ «Гидропресс» для испытания ТВС

Н3 Н6 Н4 Н2 Н5 Н1МЭО1

МЭО2

МЭО9

МЭО5 МЭО4

МЭО3

МЭО7 МЭО6

МЭО8

1

5

6

7

8

910

Стенд испытаний ТВС в режиме МПА

4

из магистрали сжатоговоздуха

2

ПНТТ1 ПНТТ611

13

12

ВН

3

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 ДР позволяет 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

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.

Основные выводы

30

Спасибо за внимание