CC BY
58
УДК 621.039.54: 539.3
Экспериментальное исследование релаксации контактного взаимодействия тепловыделяющего элемента и ячейки дистанционирующей решетки*
М.П. Гусев, В.Л. Данилов
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
Experimental study of the contact interaction relaxation between fuel elements and spacer grid cells
M.P. Gusev, V.L. Danilov
Bauman Moscow State Technical University, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation. Г(Ц1 e-mail: gusev.m.p@yandex.ru, vldanilov@mail.ru
Тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) и дистанционирующая решетка (ДР) являются частями тепловыделяющей сборки (ТВС) атомного реактора. Тепловыделяющие элементы установлены в ячейках ДР с натягом и при эксплуатации атомного реактора с течением времени происходит релаксация контактных усилий между ТВЭЛами и ячейками ДР, что приводит к проскальзыванию ТВЭЛа в ячейке ДР, а это, в свою очередь, снижает жесткость конструкции ТВС. Однако в настоящее время процесс релаксации контактного взаимодействия до конца не изучен, что вносит неопределенность в анализ деформирования сборки с течением времени в процессе эксплуатации реактора. В статье представлены результаты экспериментального исследования релаксации контактного взаимодействия ТВЭЛов в ячейках ДР. Результаты исследования свидетельствуют о наличии интенсивных процессов релаксации контактных усилий в паре ТВЭЛ — ячейка ДР и их взаимосвязи с величинами температуры и начального натяга.
Ключевые слова: тепловыделяющий элемент, дистанционирующая решетка, релаксация контактного взаимодействия, тепловыделяющая сборка.
Fuel elements and spacer grids are parts of the fuel assembly in nuclear reactors. The fuel elements are inserted in spacer grid cells with interference. During the operation of a nuclear reactor, the contact forces between the fuel rods and spacer grid cells decrease, which leads to the slippage of fuel rods in the cells, and this in turn reduces the rigidity of the fuel assembly. Since the contact interaction relaxation process is not currently fully understood, the assembly deformation cannot be adequately analyzed during the reactor operation. This article presents the results of experimental studies of the contact interaction relaxation of the fuel elements in spacer grid cells. The experiments showed that the contact force relaxation in a fuel element - spacer grid cell pair is significant and depends on its temperature and initial interference.
Keywords: fuel element, spacer grid, contact interaction relaxation, fuel assembly.
* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №14-08-3170814_мол_а.
а
Рис. 1. Конструкция ТВС: а — элементы ТВС; б — соединение ТВЭЛ — ячейка ДР
Основными элементами тепловыделяющей сборки (ТВС) являются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), в которых происходит энерговыделение. В сборке ТВЭЛы собраны в пучок и скреплены вместе посредством дистанциониру-ющих решеток (ДР), расположенных с определенным шагом по всей длине сборки (рис. 1).
Важный показатель нормальной эксплуатации сборки — степень ее искривления. Искривление ТВС не должно превышать проектное значение в любой момент времени в процессе эксплуатации. Искривление сборки тем меньше, чем больше жесткость конструкции ТВС. Жесткость конструкции ТВС придают сварные соединения ДР и направляющих каналов, количество которых в ТВС последнего поколения равно 18 [1], и ТВЭЛы, посаженные с натягом в ячейках ДР, количество которых в сборке составляет 312.
Условия работы атомного реактора таковы, что под действием высокой температуры и нейтронного облучения происходит ослабление
а
всех нагруженных соединений в сборке вследствие развития необратимых деформаций ползучести. В этих условиях возникает релаксация контактных взаимодействий между ТВЭЛами и ячейками ДР. Процессы релаксации контактных сил в соединении ТВЭЛ — ячейка ДР приводят к проскальзыванию ТВЭЛов в ТВС, что снижает жесткость конструкции сборки. Однако в настоящее время процессы релаксации контактного взаимодействия до конца не изучены и в литературе вопрос релаксации контактного взаимодействия рассмотрен только в некоторых расчетных исследованиях [2, 3]. Экспериментальные исследования, посвященные вопросу релаксации контактного взаимодействия, ранее не проводились.
Цель работы — анализ и обобщение результатов экспериментального исследования релаксации контактного взаимодействия в паре ТВЭЛ — ячейка ДР.
Экспериментальные исследования состояли из двух серий. В каждой серии испытанию подвергались три запрессовки ТВЭЛ — ячейка ДР, изготовленные из циркониевого сплава Э110 (рис. 2).
В первой серии исследовалась релаксация контактных сил в одиночном ТВЭЛе, запрессованном в ячейку ДР, во второй серии — для группы из семи ТВЭЛов, запрессованных в вырезанную часть ДР. Осредненные внешний и внутренний диаметры всех ТВЭЛов до выдержки в печи составляли 9,156 и 7,604 мм.
Для определения релаксации контактных сил каждый образец проходил следующие операции:
1) запрессовка ТВЭЛа в ячейку ДР на испытательной машине Zwick Z100 (рис. 3, а). Определение силы запрессовки в зависимости от перемещения;
2) выдержка запрессовки в печи при определенной температуре, заданном времени и в различных средах на испытательных машинах ATS и Zwick Z050 (рис. 3, б, в);
3) распрессовка ТВЭЛа из ячейки ДР на испытательной машине Zwick Z100. Определе-
б
Рис. 2. Образцы для испытания: а — первая серия; б — вторая серия
а б в
Рис. 3. Экспериментальное оборудование: а — универсальная испытательная машина Zwick Z100; б — печь испытательной машины ATS для испытания материалов на ползучесть, длительную прочность и релаксацию напряжений; в — печь универсальной испытательной машины Zwick Z050 с возможностью заполнения объема печи аргоном
ние силы распрессовки в зависимости от перемещения;
4) косвенное определение релаксации контактных усилий на основе данных о силе запрессовки и распрессовки и при значении коэффициента трения в паре ТВЭЛ — ячейка ДР, равном 0,3 [2].
Данные о параметрах выдержки в печи каждого образца сведены в табл. 1.
В результате испытания образцов для каждого ТВЭЛа в образце определялась сила запрессовки ТВЭЛа в ячейке ДР и сила распрессовки в зависимости от перемещения после выдержки образца в печи. Зависимости запрессовки и распрессовки ТВЭЛов в ячейке ДР от перемещения для экспериментов первой серии образца № 3, выдержки в печи в течение 7,6 ч при температуре 500 °С и второй серии образца № 1 центрального ТВЭЛа, выдержки в печи в течение 8,5 ч при температуре 550 °с приведены на рис. 4.
Осреднение сил запрессовки проводилось по силам, соответствующим перемещениям, превы-
шающим 20 мм (см. рис. 4), поскольку начальные экспериментальные точки соответствуют неполному внедрению ТВЭЛа в ячейку ДР: высота ячейки ДР составляет 20 мм. Осредненные внешний и внутренний диаметры всех ТВЭЛов после выдержки в печи составили 9,168 и 7,629 мм.
Таким образом, все экспериментальные данные представлены значениями силы запрессовки и силы распрессовки для каждого из ТВЭЛов при различных условиях выдержки образца в печи. Для определения нормальной контактной силы, действующей на ТВЭЛ со стороны ячейки ДР, предлагается использовать закон трения скольжения [4], в котором сила трения Ртр, соответствующая силе запрессовки, связана с контактной нормальной силой ¥к соотношением
^тр _ 3MFK
(1)
где т — коэффициент трения, т = 0,3 [2]; 3 — количество контактных областей ТВЭЛа и ячейки ДР.
Таблица 1
Параметры выдержки образцов в печи
Номер серии Номер образца Температура, °С Время выдержки, ч Среда
1 1 650 134 Воздух
1 2 550 22 Аргон
1 3 500 7,6 —
2 1 550 8,5 —
2 2 500 11,33 —
2 3 450 6 —
Рис. 4. Усилие запрессовки и распрессовки: а — первая серия, образец № 3; б — вторая серия, образец № 1 центрального ТВЭЛа; 1, 3 — эксперимент; 2, 4 — расчет
По формуле (1) пересчетом сил запрессовки и распрессовки определяются значения релаксации контактных сил. Релаксация контактных сил для испытаний второй серии приведена на рис. 5.
Для наглядности представления экспериментальных данных каждые две экспериментальные точки соединены прямой линией.
На рисунке видно, что запрессовка седьмого (центрального ТВЭЛа) происходила с максимальной силой, по сравнению с остальными.
Это, по-видимому, объясняется тем, что седьмой ТВЭЛ запрессовывался в центральную ячейку ДР последним и жесткость центральной ячейки была выше в условиях, когда остальные шесть ТВЭЛов уже запрессованы в соседние ячейки (см. рис. 1, а).
Данные по релаксации для каждого ТВЭЛа представлены в табл. 2.
Анализ экспериментальных данных показал следующее: релаксация контактного взаимодействия в паре ТВЭЛ —ячейка ДР, является фун-
_I_I_I_I_I___I_I_I_I_I_I_I_HP IQ _I_I_I_I_I_
0 2 4 6 8 10 12 0 123456789 0 1 2 3 45 6 Время, ч Время, ч Время, ч
Рис. 5. Релаксация контактных сил для испытаний второй серии: а — образец № 1, 550 °С, 8,5 ч; б — образец № 2, 500 °С, 11,33 ч; в — образец № 3, 450 °С, 6 ч
Таблица 2
Релаксация контактных сил для ТВЭЛов
Номер серии Номер образца Номер ТВЭЛа Контактная сила при запрессовке, Н Контактная сила при распрессовке, Н Релаксация, %
1 3 1 48,2531 14,1652 70,6439
2 1 1 26,7131 4,1402 84,5013
2 71,4961 7,1128 90,0515
3 68,4243 6,6759 90,2435
4 55,7336 4,1097 92,6261
5 62,0678 5,3183 91,4315
6 75,1012 2,4719 96,7086
7 72,4418 6,1708 91,4817
2 1 34,2970 11,8657 65,4029
2 60,0697 13,5705 77,4087
3 47,1177 9,1700 80,5382
4 49,9719 9,0711 81,8477
5 42,7662 14,6691 65,6993
6 67,8695 10,2824 84,8497
7 72,5722 19,9126 72,5617
3 1 44,9405 20,3371 54,7465
2 41,9983 21,5291 48,7381
3 65,8712 29,5771 55,0987
4 46,6947 12,4186 73,4047
5 57,7546 19,1566 66,8311
6 60,8430 19,0230 68,7343
7 84,1156 42,8680 49,0368
кцией трех параметров испытания: температура, контактная сила при запрессовке (уровень напряжений) и время. Такой вывод оправдывает необходимость использования в термопрочностных расчетах ТВС зависимостей теории ползучести металлов и сплавов [2, 3, 5, 6].
Выводы
1. Релаксация контактного взаимодействия тем больше, чем выше температура выдержки образца в печи. При испытании образцов № 1 и 2 второй серии при температурах 550 и 500 °С средняя релаксация составила 91,0 и 75,4 % соответственно. Средняя релаксация образца № 3 второй серии, испытанного при температуре 450 °С, составила 59,5 %.
2. Релаксация контактного взаимодействия тем выше, чем больше контактная сила при запрессовке ТВЭЛа в ячейку ДР. Такой вывод
можно сделать, проанализировав релаксацию контактных сил для каждого ТВЭЛа, принадлежащего одному образцу. Если рассматривать образец № 1 второй серии, то максимальная релаксация 96,7 % достигается для шестого ТВЭЛа, для которого контактная сила при запрессовке из всех ТВЭЛов образца № 1 была максимальной (75,1 Н). Поскольку в случае максимальной контактной силы в контактных областях пары ТВЭЛ — ячейка ДР возникают наибольшие напряжения, то можно сказать, что релаксация тем больше, чем выше уровень напряжений в образце;
3. Релаксация контактного взаимодействия тем сильнее, чем больше время выдержки образца в печи. Такой вывод можно сделать, если сравнить релаксации для различных образцов второй серии экспериментов. Минимальная средняя релаксация со значением 59,5 % наблюдается для образца № 3 второй серии, выдержанного в печи наименьшее количество времени 6 ч.
Литература
[1] Драгунов Ю.Г., Рыжов С.Б., Васильченко И.Н., Кобелев С.Н. Разработка и внедрение ТВС-
2М для перспективных топливных циклов. Атомная энергия, 2005, т. 99, № 6, с. 432-437.
[2] Семишкин В.П. Расчетно-экспериментальные методы обоснования поведения ТВЭЛов
и ТВС ВВЭР в аварийных режимах с большой течью из первого контура РУ. Дисс. ... д-ра. тех. наук. Подольск, 2007. 360 с.
[3] Троянов В.М. Расчетно-экспериментальное обоснование термомеханики активных зон
реакторов типа ВВЭР. Дисс. ... д-ра. тех. наук. Обнинск, 2003. 237 с.
[4] Wang Z.G., Yoshikawa Y., Suzuki T., Osakada K. Determination of friction law in dry metal
forming with DLC coated tool. CIRP Annals — Manufacturing Technology, 2014, vol. 63, issue 1, pp. 277-280. URL: http://dx.doi.org/10.1016/jxirp.2014.03.050 (дата обращения 2 июня 2014).
[5] Пузанов Д.Н., Сатин А.А. Анализ и обобщение данных по свойствам циркониевых
сплавов, применяющихся в качестве конструкционных материалов. Науч.-техн. конф. молодых специалистов: Материалы конференции ОКБ «Гидропресс», 16-17 марта 2011 г. URL: http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/kms2011/documents/kms2011-013. pdf (дата обращения 20 мая 2014).
[6] Danilov V.L., Dobrov M.V., Semishkin V.P., Vasilchenko I.N. Analysis of Dismantling Pos-
sibility and Unloading Efforts of Fuel Assemblies from Core of WWER. Proceedings of the 6th International Conference WWER FUEL Performance, Modelling and Experiment Support, 19-23 September 2005, Albena, Bulgaria, pp. 319-327.
References
[1] Dragunov Iu.G., Ryzhov S.B., Vasilchenko I.N., Kobelev S.N. Razrabotka i vnedrenie TVS-2M
dlia perspektivnykh toplivnykh tsiklov [Elaboration and Implementation of TBC-2M Designs with Increased Fuel Loading for Perspective Fuel Cycles with the Extended Operating Periods]. Atomnaia energiia [Atomic Energy]. 2005, vol. 99, no. 6, pp. 432-437.
[2] Semishkin V.P. Raschetno-eksperimental'nye metody obosnovaniia povedeniia TVELov i TVS
VVER v avariinykh rezhimakh s bol'shoi tech'iu izpervogo kontura RU. Diss. dokt. tekh. nauk [Calculation and experimental methods and study the behavior of VVER fuel rods in emergency mode with the big leak from the primary circuit of the reactor facility. Dr. tech. sci. diss.]. Podol'sk, 2007. 360 p.
[3] Troianov V.M. Raschetno-eksperimental'noe obosnovanie termomekhaniki aktivnykh zon reak-
torov tipa VVER. Diss. dokt. tekh. nauk [Numerical and experimental study of active zones thermomechanics VVER reactors. Dr. tech. sci. diss.]. Obninsk, 2003. 237 p.
[4] Wang Z.G., Yoshikawa Y., Suzuki T., Osakada K. Determination of friction law in dry metal
forming with DLC coated tool. CIRP Annals — Manufacturing Technology, 2014, vol. 63, issue 1, pp. 277-280. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2014.03.050 (accessed 2 June 2014).
[5] Puzanov D.N., Satin A.A. Analiz i obobshchenie dannykh po svoistvam tsirkonievykh splavov,
primeniaiushchikhsia v kachestve konstruktsionnykh materialov [Analysis and synthesis of data on the properties of zirconium alloys are used as structural materials]. Nauchno-tekhnicheskaia konferentsiia molodykh spetsialistov: Materialy konferentsii OKB «Gidropress», 16-17 marta 2011 g. [Scientific and technical conference of young specialists: Conference OKB «Hydraulic», 16-17 March 2011]. Available at: http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/ kms2011/documents/kms2011-013.pdf (accessed 20 May 2014).
[6] Danilov V.L., Dobrov M.V, Semishkin VP., Vasilchenko I.N. Analysis of Dismantling Possibil-
ity and Unloading Efforts of Fuel Assemblies from Core of WWER. Proceedings of the 6th International Conference WWER FUEL Performance, Modelling and Experiment Support, 19-23 September 2005, Albena, Bulgaria, pp. 319-327.
Статья поступила в редакцию 17.06.2014
Информация об авторах
ГУСЕВ Михаил Павлович (Москва) — аспирант кафедры «Прикладная механика». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: gusev.m.p@yandex.ru).
ДАНИЛОВ Владимир Львович (Москва) — профессор кафедры «Прикладная механика». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: vldanilov@mail.ru).
Information about the authors
GUSEV Mikhail Pavlovich (Moscow) — Post-Graduate of «Applied Mechanics» Department. Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation, e-mail: gusev.m.p@yandex.ru).
DANILOV Vladimir L'vovich (Moscow) — Professor of «Applied Mechanics» Department. Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation, e-mail: vldanilov@mail.ru).
