Особо опасные колебания (вибрации) твэлов ядерных реакторов.
Particularly operational hazard
oscillation (vibration) of nuclear fuel
elements.
Particularly operational hazard oscillation of fuel elements couldn't be in consequence of resonance. Circular path and vibrational frequency more critical number are particularly operational hazard parameters of vibration. There are test technique and machinery for simulation experiment of most dangerous vibration.
1.
Колебания твэлов с большой амплитудой являются самыми опасными.
В реакторах могут возникать колебания твэлов относительно удерживающих их решеток либо с маленькой амплитудой, либо с большой. Колебания твэла с маленькой амплитудой не самые опасные, так как при таких колебаниях износ не интенсивный, или совсем не идет, а длительные колебания с большой амплитудой опасны из-за интенсивного износа твэла об окружающие его ячейки решеток. Впрочем, большая амплитуда колебаний твэла подразумевает, что уже прошел и идет интенсивный износ твэла, а, иногда, и решеток, ограничивающих эти колебания.
2. Резонанс не может стать причиной виброразрушения твэлов.
Привычный всем резонанс не может стать причиной интенсивного износа твэлов в течение длительного времени, достаточного для их разрушения так как:
- если вследствие резонансных колебаний начнется «фреттинг» то произойдет уменьшение жесткости фиксации твэла в дистанционирующих и опорной решетках; собственная частота колебаний твэла уменьшится, он выйдет из резонанса - соответственно процесс износа оболочки, хвостовика и решеток затухнет;
-
разнонаправленные колебания твэлов по траектории
«ломаная прямая» показанные на рисунке 1, не могут быть резонансными. «Неразумная» сила, под действием которой должны происходить такие
разнонаправленные резонансные колебания большой амплитуды, не будет менять свое
направление вслед за случайными изменениями направления колебаний твэла.
3. Траектория колебаний твэла определяет интенсивность его разрушения.
На рисунке 2, на примере колебаний произвольно взятой на нижней концевой детали твэла (хвостовика) точки «1» показаны два основных вида траекторий разнонаправленных колебаний концевой детали твэла в отверстии опорной решетки - колебания по траектории стремящейся, к ломаной прямой, и по траектории, стремящейся к окружности (по другому –эллиптически поляризованные вибрации)..
Как показано на рисунке 2 - колебания точки «1» не могут происходить вне
области, диаметр которой равен разнице между диаметрами охватывающей (отверстие
опорной решетки) и охватываемой (концевая деталь твэла) деталей. Как следует из
рисунка 2, в обоих случаях контакт деталей между собой (в точке 2), в процессе
которого происходит их износ, имеет место только на границе области возможных
траекторий колебаний точки «1». Отсюда время каждого контакта при
колебаниях по траектории ломаной прямой (т.е. время протекания износа) –
минимально и, соответственно, минимален износ за один период колебаний. В то
время как при колебаниях с траекторией, проходящей по границе области возможных
колебаний, износ контактирующих поверхностей непрерывен и пропорционален
амплитуде колебаний, возрастающей в результате износа. Кроме того, при такой
траектории время между повторяющимися износами одного и того же участка
минимально. Это ограничивает толщину защитной окисной пленки, нарастающей между
моментами истирания. Также известно, что износ при равных условиях (времени
контакта и усилии прижатия) при скольжении контактирующих поверхностей друг
относительно друга (круговые колебания) будет больше, чем при ударе (колебания
по ломаной прямой) [1]. Учитывая вышесказанное и то, что в процессе износа все
возможные контакты между любыми коаксиально соединенными деталями могут
происходить или ударом, или скольжением, или их сочетанием, приходим к выводу,
что из всех возможных видов колебаний наиболее опасными для твэла являются
колебания по траектории, стремящейся к круговой.
Из всего выше сказанного следует, что резонансные колебания по траектории ломаной прямой невозможны и, если твэл был разрушен разнонаправленными колебаниями со все увеличивающейся амплитудой, то траектория движения твэла при вибрациях стремилась к круговой, т. е. совпадала с границей области всех возможных положений твэла, т.е. с границей всех возможных траекторий колебаний твэла.
4. При траектории колебаний стремящейся к круговой - большие амплитуды и разрушения твэлов достигаются без резонанса.
Если колебания твэлов происходят по траектории, стремящейся к
круговой - т. е. по конусной
поверхности, то понятие «собственная частота колебаний твэла» - неприменимо.
Применимо понятие «критическая частота», при превышении которой и ослаблении
фиксации твэла начнут все более увеличиваться амплитуды колебаний, так как
критическая частота (как следует из формул для подобных колебаний [2]) будет
уменьшаться - т.е. будет уменьшаться уровень энергии, необходимый для начала
таких псевдорезонансных колебаний. Поэтому наиболее опасный момент при
эксплуатации ТВС возникнет тогда, когда появление зазора между твэлом и
решетками совпадет с появлением круговых колебаний твэлов.
Очевидно, что увеличение
количества урана в твэле с одновременным уменьшением толщины стенки оболочки
твэла приводит к уменьшению критической частоты т.е
уменьшению уровня подводимой
к твэлу энергии, необходимый для начала таких псевдорезонансных эллиптически поляризованных колебаний.
При закритических частотах колебаний амплитуду круговых колебаний твэла ограничивают ячейки решеток. Вследствие износа твэла и ячеек амплитуда растет вместе с зазором между твэлом и ячейкой, как при резонансе. В результате вышеперечисленного износ контактных пар из сплавов циркония может стать катастрофическим.
Таким образом большая амплитуда колебаний твэлов, которая приводит к их интенсивному износу может быть только при круговой (естественно, стремящейся к круговой) траектории колебаний т. е если твэл испытывает эллиптически поляризованные колебания.
5. Этапы и особенности разрушения твэлов любой конструкции одинаковы
при круговой (особо опасной) траектории их колебаний.
Такие этапы и особенности разрушения твэлов при их круговых колебаниях выводятся даже без экспериментов, чисто геометрически. Необходимо только учитывать следующие особенности износа твэлов:
1. Значительный износ может начаться только при ослаблении закрепления твэлов в решетках.
2. Интенсивный износ пар, состоящих из сплавов циркония возможен только при круговой траектории колебаний их друг относительно друга, когда окисная пленка быстрее истирается, чем нарастает. В таких условиях, учитывая, что износ «цирконий по цирконию» идет катастрофически быстро пара из сплавов циркония изнашивается много быстрее, чем пара «сплав циркония-сталь».
3. В парах«опорная решетка и (или) проволока (оба из нержавеющей стали) – хвостовик твэла (из сплава циркония)» износом стальных деталей можно пренебречь.
4. В паре «оболочка твэла – дистанционирующая решетка» (обе из сплава циркония) оболочка твэла в реакторе будет изнашиваться больше так как её температура выше чем у дистанционирующей решетки, а механические свойства, соответственно, ХУЖЕ ;
5. В паре оболочка твэла - оболочка твэла», обе оболочки будут изнашиваться одинаково, из-за равного состояния материала оболочек, начальной формы поверхности, и одинаковых, как траекторий движения контактирующих поверхностей так и сил контакта;
6. Наибольшая амплитуда колебаний достигается в нижней части сборки.
Из вышеперечисленных особенностей износа твэлов вытекает:
Из особенности 1:
- в сборках с дистанционирующими решетками из сплавов циркония виброизнос твэлов наиболее вероятен во второй половине срока эксплуатации, (когда ослабевают натяги в дистанционирующих решетках) и существенно меняется их вибронадежность и другие виброхарактеристики;
- в сборках со стальными дистанционирующими решетками виброизнос наиболее вероятен у твэлов, находящихся у обода дистанционирующей решетки, из за меньшей упругости ее ячеек в этом месте и, соответственно, большей вероятности образования зазоров между твэлами и ячейками при снаряжении сборки.
Из особенности 2
- в первую очередь интенсивный износ начнется в паре «оболочка твэла – дистанционирующая решетка» и затем уже в паре «хвостовик твэла – опорная решетка». По мере увеличения зазоров между истирающимися друг о друга оболочкой твэла и ячейкой дистанционирующей решетки вибронагрузка на наконечник твэла в процессе износа существенно возрастет, и скорость разрушения наконечника будет определять скорость виброразрушения оболочки и ближайших дистанционирующих решеток;
- при послереакторном осмотре, в месте последнего контакта разрушенных оболочки твэла и ячеек дистанционирующей решетки из сплавов циркония не будет обнаружено заметных окисных пленок, при условии, что виброразрушение в этих местах продолжалось вплоть до остановки реактора.
Из особенности 3
-
диаметры отверстий в опорной решетке и шплинтующей проволоки (обе детали из стали) в
процессе износа почти не меняются. В процессе износа нижних узлов крепления
будет вначале идти износ хвостовика об опорную решетку, затем слом конца
хвостовика по его концентраторам напряжений (поперечное отверстие, конец
прорези и т.д.). В соединениях со шплинтующей проволокой навстречу износу
наружной поверхности хвостовика будет идти износ хвостовика в отверстии о
шплинтующую проволоку. Затем будет износ остатка хвостовика и его долом.
Неизбежные этапы износа хвостовиков разной конструкции об опорную решетку вытекающие из особенности 3 представлены на рисунке 3.
Нетрудно догадаться, что при достаточной продолжительности особо опасных вибраций любые хвостовики, закрепленные с люфтом в опорной решетке неизбежно разрушатся, а хвостовик с наиболее тонкой стенкой (так называемая «цанга») быстрее всех остальных.
Безлюфтовые соединения хвостовиков с опорной решеткой более надежны, а
наиболее надежная конструкция безлюфтового соединения, предварительно
испытанная особо опасными вибрациями лежит у автора в столе.
Из особенности 4:
-
вытекает, что
ее не воспроизведешь при дореакторных испытаниях.
Заметим очевидное, что:
- при совершенно одинаковых условиях износа в каждой точке изнашиваемой поверхности хвостовика его остаток перед доломом будет идеально цилиндрическим и его ось будет совпадать с осью твэла, как это изображено на рисунке 1;
- если в процессе износа хвостовика нижняя часть твэла сместится настолько, что какая то часть поверхности изношенного хвостовика в процессе продолжающихся круговых колебаний перестанет касаться поверхности отверстия опорной решетки, то поперечное сечение хвостовика станет каплевидным.
Схема формирования каплевидного сечения хвостовика показана на рисунке 4.
Продолжаем дальше.
Также из особенности 4 вытекает, что возможен сквозной износ оболочки твэла о дистанционирующую решетку.
Из особенностей 5 и 6
- когда хвостовик твэла значительно износится, и оболочки соседних твэлов в нижней части сборки в процессе их круговых колебаний с большой амплитудой начнут касаться друг друга, то на оболочках начнут формироваться плоские лыски, похожие по геометрии друг на друга.
Схема возникновения лысок и их форма представлена на рисунке 5
6. Воспроизведение особо опасных круговых колебаний твэлов при дореакторных испытания.
Когда проводятся стендовые теплогидравлические испытания, то испытывают тепловыделяющие сборки (ТВС), в которых не начинались
еще релаксационные процессы, и твэлы крепко
удерживаются решетками. В таком состоянии ТВС находится только в
начальный период эксплуатации в реакторе. В таком состоянии ТВС лучше
противостоит как нагрузкам имитирующим влияние землетрясений, так и
вибрационному разрушению. Испытания ТВС ВВЭР в таком состоянии были оправданы
при наличии в них стальных дистанционирующих решеток, которые при температурах
эксплуатации сборки практически не релаксируют.
При замене стали (в качестве материала дистанционирующих решеток) на сплав циркония - в методике испытаний ничего существенно не изменили. То что скорость релаксации напряжений в сплавах циркония много больше чем в нержавеющей стали, (соответственно, во второй половине срока эксплуатации натяги между твэлами и решетками много меньше) – не учли. Это привело к тому, что определяемая подобными испытаниями надежность конструкции ТВС стало меньше отражать реальную, соответствующую второй половине срока эксплуатации ТВС. Хотя и раньше дореакторные теплогидравлические испытания (из-за отсутствия учета влияния внутриреакторных устройств) выявляли только самые вопиющие недостатки конструкции тепловыделяющих сборок.
Кроме того, дореакторные испытания ТВС это дорогостоящий процесс, а при повышенных вибронагрузках, приводящих к разрушению твэлов в результате развития фреттинг-коррозии, они и вовсе не проводятся. Это вынуждает определять сравнительную вибростойкость при испытаниях ТВС по косвенным признакам, например по амплитуде колебаний твэлов, замеренной в процессе испытаний.
Давно известно, что модельный эк
сперимент
оценки фретинг-коррозии эффективнее громоздких экспериментов на стенде
[3].
Исходя из вышесказанного - единственным практичным способом определения количественного влияния вносимых конструкционных изменений на вибростойкость узлов ТВС - являются испытания на моделях, имитирующих состояние тепловыделяющих сборок во второй половине срока эксплуатации.
Только на моделях можно строго регламентировать все возможные факторы, влияющие на вибростойкость ТВС. Это значительно упрощает оценку влияния конструкции ТВС на ее вибростойкость.
Особо опасная, стремящаяся к круговой, траектория колебаний твэлов относительно решеток удобнее всего воспроизводится круговыми колебаниями (относительно земли) одной из этих коаксиально соединенных деталей в то время, как другая ограничена только во вращении вокруг или внутри первой. Такой способ воспроизведения колебаний требует очень простого оборудования и позволяет задавать с высокой точностью любую силу виброконтакта твэла с решетками даже внутри автоклава [4]. Учитывая, что интенсивное истирание на сопрягаемых деталях из сплавов циркония в месте виброконтакта будет происходить только тогда, когда скорость истирания превышает скорость роста твердых окисных пленок, основные испытания необходимо проводить в условиях минимальной скорости роста окисных пленок, то есть при комнатной температуре в воде.
Пример простейшей установки со встроенной в нее моделью ТВС для
воспроизведения, «особоопасных колебаний твэлов» представлен на рисунке 6. [5].
На подобной установке испытывались
модели тепловыделяющих сборок в которых учитывалось влияние верхних
дистанционирующих решеток на характер разрушения в нижней части ТВС. В процессе
дореакторных испытаний были воспроизведены все вышеперечисленные особенности
разрушения ТВС (кроме особенностей,
связанных с более высокой, чем у дистанционирующих решеток температурой
оболочек твэлов).
Испытания проводились на моделях
тепловыделяющих сборок имитирующих:
-
или их
состояние во второй половине срока эксплуатации, когда исчезает натяг в нижних
ячейках дистанционирующих решеток;
-
или состояние
ТВС, когда пуклевки ячеек нижних дистанционирующих решеток уже разрушены и
скорость разрушения твэлов определяется скоростью разрушения наконечников.
Подобные установки позволяют
воспроизводить все этапы разрушения твэлов и экспериментально сравнивать
эффективность предлагаемых изменений в конструкции ТВС и твэлов с точки зрения
их вибронадежности. Поэтому у них нет
будущего.
Следует учитывать, что конструктор
ТВС не любит дореакторных испытаний, способных показать пониженную надежность
предлагаемой конструкции, так как запасных вариантов конструкции у него обычно нет. Поэтому он старается
всячески ограничить суровость дореакторных испытаний и склонен заказывать расчеты гарантированно обосновывающие надежность конструкции в аварийных ситуациях,
которые (пока мало АЭС) случаются редко.
ВЫВОДЫ.
1 Повышенные вибрации, которые приведут к разрушению твэлов в процессе их эксплуатации, не могут быть резонансными.
2 Колебания твэлов по траектории, стремящейся к круговой, являются особо опасными, так как приводят к интенсивному износу твэлов об удерживающие их решетки при любой частоте большей чем критическая.
3. Признаками того, что осматриваемые твэлы какое-то время испытывали особо опасные колебания, является наличие заметных лунок износа со стороны всех трех пуклевок ячейки дистанционирующей решетки, а также начавшийся, относительно равномерный износ боковой поверхности их хвостовиков.
4. Все предлагаемые конструкции ТВС и твэлов ВВЭР необходимо испытывать (в первую очередь на моделях) особо опасными колебаниями на всех стадиях выбора конкретных технических решений.
ВОПРОСЫ, ПОСТАВЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЕМ
Каждое независимое исследование ставит больше вопросов, чем закрывает и совершенно непонятно:
1. Чем объяснить начало износа в паре «оболочка твэла – дистанционирующая решетка» из сплавов циркония?
Ведь к тому времени, когда натяги в этой паре ослабнут, контактирующие поверхности будут покрыты твердой окисной пленкой, а электроконтактной коррозии между ними возникнуть не может. К тому же, если относительные колебания в этих парах будут даже особо опасной формы, то вначале их амплитуды совершенно ничтожны.
2. При каких условиях и по какому механизму круговое движение лопаток насосов преобразуется в круговые колебания твэлов? Насколько выше вероятность возникновения особо опасных колебаний твэлов в престарелых реакторах?
Список использованных источников
1. Ko P.
«Wear of zirconium alloys due
to fretting and periodic impacting». 1979, AECL-6518.
2. С. Чернох «Справочник по машиностроению». том.1, стр.93-95, Машгиз, 1963г.
3. Lane A., Card D. «A
new approach to fretting in nuclear fuel assemblies». 1973,
AECL-4606.
4. Патент РФ № RU 2171977 C2.
5. Свидетельство на полезную модель RU 27225 U1
beluginii@gmail.com
