Studie struktury a mechanických vlastností Studie struktury a mechanických vlastností reaktorové oceli pro VVER 440 a výpočet reaktorové oceli pro VVER 440 a výpočet

životnosti jaderných reaktorůživotnosti jaderných reaktorů

Marek Kovář

Tomáš Peták

Gymnázium Karla Sladkovského

FaFakulta jaderná a fyzikálně inženýrskákulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT vČVUT v Pra Prazzee

Katedra MateriálůKatedra Materiálů

Evropský sociální fondPraha & EU: Investujeme do vaší budoucnostiOPPA: Operační program Praha - Adaptabilita

ObsahMetody studia struktury a vlastností

konstrukčních materiálůCharpyho zkouška rázem v ohybuPřechodová teplotaZkouška tvrdostiMetalografický rozborMikroskopieStereologie

Svědečný programTlakovodní reaktorová nádoba VVER 440Svědečný program bloků VVER 440 na JE DukovanyVýpočet životnosti

Charpyho kladivo

Přechodová teplota

T0 = 44,5°C

0

10

20

30

40

50

60

70

-50 -30 -10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250

Teplota (°C)

En

erg

ie (

J)

Několik vzorků jsme vložili do pece na předem nastavenou teplotu, kterou postupně snižujeme. Při potřebné teplotě vzorku jsme provedli Charpyho zkoušku vrubové houževnatosti. Při určité teplotě energie potřebná k přeražení vzorku rapidně stoupne či klesne. Toto je naše hledaná mez, zde se z křehkého zlomu stává houževnatý, či naopak.

)1(0

000

C

TTtghBAKV

Pomocí metody nejmenších čtverců jsme proložili experimentálně naměřenými hodnotami funkci (1) a získali parametry: A0 = 36,8J; B0 = 24,2J; C0 = 38,1°C; T0 = 44,5°C. Hodnota přechodové teploty T0 je tedy 44,5°C. Jedná se o inflexní bod na této křivce a zároveň o poloviční energii mezi horním a dolním platem. Hodnota energie horního plata se pohybuje kolem 60J.

Zkouška tvrdosti

Příprava metalografických výbrusů

Mikroskopy

Pozorování výbrusů (200x)

Feritická zrnaFeritická zrna

Martenzitická Martenzitická oblastoblast

Perlitická Perlitická oblastoblast

SEM – lomová plocha (50x)

SEM – lomová plocha (100x)

SEM – inicializace lomu (500x)

SEM – inicializace lomu (2 000x)

SEM – vměstek (500x)

SEM – vměstek (2 000x)

SEM – vměstek (500x)

SEM – vměstek (2 000x)

Stereologie

b) průměrná velikost zrn perlitu b) průměrná velikost zrn perlitu (tmavší): (tmavší): 2,45 2,45 mm

(průměrná velikost zrna na obrázku (průměrná velikost zrna na obrázku 2,79 mm)2,79 mm)

Na snímku byly zjištěny následující údaje:Na snímku byly zjištěny následující údaje:

a) průměrná velikost zrn feritu a) průměrná velikost zrn feritu (světlejší): (světlejší): 4,57 4,57 mm

(průměrná velikost zrna na obrázku 5,21 mm) (průměrná velikost zrna na obrázku 5,21 mm)

Tlakovodní reaktorová nádoba VVER 440

MateriálMateriál CC MnMn SiSi PP SS CrCr NiNi MoMo VV CuCu CoCo AsAs

15Kh2MFA15Kh2MFA0,130,130,180,18

0,30,30,60,6

0,170,170,370,37

maxmax0,0250,025

maxmax0,0250,025

2,52,53,03,0

maxmax0,40,4

0,60,60,80,8

0,250,250,350,35

maxmax0,10,1

maxmax0,0090,009

maxmax0,0090,009

Svědečný program bloků VVER 440 JE Dukovany

V rámci SSP tři druhy zkušebních těles, a to:1) válcová o zkušebním průměru 3 mm pro zkoušky statickým tahem; typ těles je shodný se standardním svědečným programem, protože se jedná o archivní, dosud nezkoušená tělesa, dodaná v rámci dodatečného svědečného programu2) z hranolků o rozměrech 10x10x14 mm se metodou rekonstituce pomocí svařování elektronovým paprskem zhotoví následující dva typy těles:

a) typ Charpy-V pro zkoušky vrubové houževnatosti rázem se záznamem diagramu čas-zatížení pro vyhodnocování také podle normy ASTM E 636-83

b) typ TPB (s nakmitáním - nacyklováním únavové trhliny po ozáření) pro zkoušky lomové houževnatosti při statickém zatížení podle normy ASTM E 399, zkoušky ke stanovení hodnoty J-integrálu

Výpočet životnosti

Čas Posun (∆T)(°C)

1 rok 39

2 roky 49

5 let 66

10 let 83

15 let 96

20 let 105

25 let 113

30 let 121

35 let 127

40 let 133

∆Tf= Af (F.10-22)1/3

s konstantou Af=25 a použitým neutronovým tokem 1,2x10^13m-2.s-1, který jsme odhadem snížili o stínění vody (moderací) a stíněním materiálu (jelikož se reálné zkoušky provádí s materiálem v hloubce 1/3 od vnitřní strany nádoby)

K výpočtu posunu přechodové křivky jsme použili jsme rovnici:

Použitím jednoduché rovnice:

Tk=Tk0+∆Tf

získáme celkový posun :

Tk0 …… počáteční přechodová T

∆Tf……. Rozdíl teploty po ozáření

F ……… fluence

Poděkování

Závěrem bychom chtěli poděkovat našemu gymnáziu Karla Sladkovského, kde nám bylo umožněno pracovat na našem miniprojektu, především učiteli fyziky Ing.Bc.Antonu Florkovi CSc., Ph.D., bez kterého by tato práce nemohla vzniknout. Dále za financování Evropskému Sociálnímu Fondu, Hlavnímu městu Praha a FJFI, výslovně KMAT FJFI ČVUT za poskytnuté zázemí, jmenovitě doktorandům Ing. Štěpánu Válkovi a Ing. Tomáši Skibovi za jejich čas a úsilí. V neposlední řadě poděkovaní také patří předsedkyni SÚJB Ing. Daně Drábové Ph.D., Ing. Pavlu Šimákovi z JE Temelín a Ing. Radku Konopovi ze Škoda JS za množství času a informací, které nám věnovali.