НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.039.546.3

МГТУ им. Н.Э. Баумана

asatin90@mail.ru

1. Введение.

Тепловыделяющие элементы (твэлы) являются наиболее ответственными и самыми напряженными конструкциями активной зоны современного ядерного энергетического реактора. Оболочка твэла  обеспечивает требуемую механическую прочность конструкции, а также защищает ядерное топливо и продукты деления от коррозионно-эрозионного воздействия теплоносителя. Выход твэла из строя приводит к наиболее опасным последствиям – попаданию ядерного топлива и продуктов деления в контур теплоносителя.

2. Факторы, приводящие к повреждению.

Комплекс основных факторов, нагрузок и процессов, приводящих к накоплению повреждений и соответствующему снижению ресурсных характеристик твэла, можно разбить на две группы: внешние и внутренние.

К внешним относятся: дав­ление теплоносителя; коррозия и фреттинг-коррозия со стороны теплоносителя; нейтронное облучение, приводящие к снижению механических свойств материалов и структурным изменениям в них и другие факторы.

К внутренним относятся: дав­ление газовых продуктов деления (ГПД) под оболочкой твэла; термомеханические напряжения из-за различия в температуре и коэффициенте термического расшире­ния топливного сердечника и оболочки; механическое воздействие на оболочку распухающего сердечника; коррозионное воздействие со стороны агрессивных по от­ношению к оболочке продуктов деления (ПД) и другие факторы.

Более подробно остановимся на рассмотрении внутренних факторов.

Термомеханическое взаимодействие таблеток топлива с оболочкой твэла в переходных режимах эксплуатации реакторной установки (РУ) приводит к высоким растягивающим напряжениям в циркониевой оболочке, при которых возможно повреждение последней по механизму коррозионного растрескивания под напряжением (КРН). Склонность циркониевых оболочек твэлов к КРН может увеличиваться и при определенных скоростях повышения мощностей РУ. При подъеме мощности топливные брикеты растрескиваются снаружи, освобождая, таким образом, внутренние сильно расширяющиеся слои топлива. Это приводит к тому, что за один цикл увеличения мощности сердечник подходит значительно ближе к оболочке.

3. Взаимодействие оболочек с продуктами деления (ПД).

Выгорание топлива сопровождается образованием ПД и его распуханием. Воздействие ПД на оболочку различно, выделяясь из топлива, ПД повышают внутритвэльное давление, создавая растягивающие напряжения в оболочке.

Отрицательное воздействие на оболочку оказывают йод, цезий и в меньшей степени кадмий, химически взаимодействуя с циркониевой оболочкой. Иодид цезия может разлагаться с выделением свободного йода в результате радиационного воздействия, который является наиболее агрессивным элементом, усиливающим коррозию циркониевой оболочки под напряжением.  При достижении  критического парциального давления иод вызывает коррозионное растрескивание под напряжением.

Помимо воздействия ПД, на оболочку одновременно осуществляется механическое воздействие топлива, в результате которого в оболочке возникают окружные и растягивающие напряжения.

Разрушение в результате КРН протекает обычно в две стадии: зарождение трещины и ее развитие. Начало развития повреждения связывают с проникновением йода через оксидный слой к поверхности оболочки. Напряжение способствует развитию повреждения – разрушению защитной оксидной пленки на внутренней поверхности оболочки. На первой стадии образуются интеркристаллитные трещины. На второй происходит их быстрый рост, и важная роль принадлежит факторам, как напряжение давление внутри твэла и скорость деформации. Деформация приводит к образованию острых надрезов по границам зерен, происходит расширение первоначальных трещин и образование транскристаллитных.

4. Экспериментальная установка по изучению процесса КРН.

Методика определения деформационной способности необлученных и облученных оболочек твэлов при двухосном механическом нагружении в присутствии агрессивных продуктов деления (иод), различных скоростях деформирования соответствует эксперименту типа «Mandrel», инициированному в исследовательском центре Студствике (Швеция).

При проектировании в Студствике испытательного механического нагружающего устройства топливная таблетка моделируется керамической втулкой  из окиси алюминия с продольными прорезями для имитации трещин в топливной таблетке и свободного доступа йода к циркониевой оболочке. Локальные растягивающие напряжения создаются за счет механического перемещения пуансона. Схема воздействия керамической втулки на оболочку представлена на рис. 1. Специально спроектированная и установленная в горячую камеру установка позволяет испытывать необлученные и облученные циркониевые оболочки твэлов.

Рис. 1. Схема воздействия керамической втулки на оболочку:

1 – керамическая втулка, 2 – оболочка, 3 – пуансон.

В состав оборудования испытательной машины входят:

– установка для механических испытаний циркониевых оболочек, рис. 2;

– высокотемпературная печь;

– измерительная аппаратура;

– система дозировки и контроля агрессивной среды испытаний.

В настоящее время инициируются работы, направленные на:

– изучение различных механизмов разрушения твэлов энергетических реакторов при КРН;

– определение предельных значений деформаций в оболочке твэла, приводящих к разрушению.

В [1] приведено описание экспериментального стенда и даны результаты по исследованию деформационной способности оболочек твэлов при двухосном механическом нагружении в присутствии агрессив­ных продуктов деления (йод).

Рис. 2. Схема установки для механических испытаний циркониевых оболочек.

5. Выводы.

Процесс коррозионного растрескивания под напряжением оболочки твэла  до настоящего времени полностью не изучен и требует создания необходимых методик поста­новки и проведения эксперимента.  Разработка проекта по изучению процесса КРН позволит получить экспериментальные данные о скоростях деформации, уровне растягивающих напряжений в оболочке твэла, напряжения в оболочке твэла, приводящие к разрушению.

Список используемой литературы.

1.      S. Beguin. PCI-related constraints on EDF PWRs and associated challengers//Proc. Of Pellet-clad Interaction in Water Reactor Fuels Seminar, Aix-enProvence, France, 9-11 Martch 2004, p.53.

2.      Ф.Г. Решетников, Ю.К. Бибилашвили, И.С.Головнин. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1995. 320с.

3.      Instron. FastTrack 8860 series technical data book. http//www.instron.com.