Опыт моделирования поведения элементов конструкции твэлов ВВЭР в среде MSC. MARC 2005 R2 Кузнецов А.В., Каширин Б.А., Медведев А.В., НовиковВ.В. ВНИИНМ Авторами подытоживается опыт отработки технологии инженерного анализа узлов твэлов ВВЭР для некоторых режимов эксплуатации реактора, необходимый при техническом проектировании. Показана принципиальная возможность и приведены примеры моделирования в среде программного средства MSC MARC следующих задач -моделирование температурных полей в трехмерной постановке (3D); -простого силового нагружения гермоузла в 3D постановке; -термомеханического мультиконтактного взаимодействия таблеток топлива с гермоузлом при нестационарных режимах работы (режим пуска, всплеск энерговыдениея, Loca,RIA) в 2D и 3D постановках; -исследование влияния расстресканных фрагментов топлива на НДС в 2D постановке; -развития овальности оболочки под наружным давлением за счет ползучести в 2D и 3D постановках; -исследование мгновенного схлопывания оболочки в 3D постановке; -исследование технологического режима прессования таблетки топлива при изготовлении в 3D постановке; -исследование поведения фиксирующей и компенсирующей частей фиксатора

1.Моделирование температурных полей нижнего гермоузла Температурное распределение в конструкции нижнего гермоузла. Температурное поле в нижнем гермоузле с крошкой топлива. Температурное поле в части гермоузла с крошкой топлива между сварочным гратом и оболочкой На рисунках представлены температурные поля в конструкции нижнего гермоузла твэла ВВЭР при линейной мощности 175 Вт/см Расчеты показывают, что максимальная температура топлива и шляпки нижнего гермоузла не превышает 863 и 554 С,соответственно. Полученные первоначальные значения температурных полей в гермоузле с крошкой, представленные на рисунке уточняются с помощью опции Global-local для получения более точных значений температур, которые представлены на нижнем рисунке. Из приведенных рисунков видно, что выпадение крошки увеличивает температуру оболочки не более чем на 5 0С.

2.Моделирование напряженно-деформированного состояния нижнего гермоузла при простом силовом нагружении Построение виртуальной модели возможно средствами MSC.Marc Mentat в 2D и 3D координатах. Наиболее простой способ построения в 3D основан на построении осесимметричной модели в 2D, затем с применением опции Expand перевода его в осесимметричный 3D и затем с применением опции Dublicat перевод в 3D координаты с последующей незначительной корректировкой граничных условий. Рассматривается случай нагружения гермоузла осевым давлением на заглушку величиной 60 МПа и наружным 12 МПа. Как показывают расчеты максимальное значение осевых напряжений в пригратной зоне сварного узла около 100 МПа. Распределение осевых напряжений в конструкции нижнего гермоузла твэла ВВЭР при осевом нагружении (60 МПа )

3. Моделирование термомеханического мультиконтактного взаимодействия таблеток топлива с гермоузлом при нестационарных режимах работ Режим пуска Моделирование мультиконтактного взаимодействия проводится с применением опций Coupled и Contact с учетом изотропной ползучести и пластичности материалов, температурной зависимости материалов, изменения плотности энерговыделения и граничных условий от времени. С учетом заклинивании третьей от заглушки таблетки рассматривается поведение нижнего гермоузла твэла ВВЭР в режиме пуска с соответствующими регламенту условиями до уровня мощности 180 вт/см и последующей выдержке на уровне этой мощности в течении 30 часов. На рисунках представлены результаты расчета температурного распределения в гермоузле и приведено распределение осевых напряжений после выхода на мощность и после релаксации в течении 30 часов. Видно, что значения осевых напряжений в пригратной зоне меняют знак на противоположный. Виртуальный образ нижнего гермоузла твэла ВВЭР Распределение температур в нижнем гермоузле при выходе на мощность Распределение осевых напряжений в нижнем гермоузле при выходе на мощность и через 30 часов работы

4. Моделирование термомеханического мультиконтактного взаимодействия таблеток топлива с гермоузлом при нестационарных режимах работ Режим всплеска энерговыделения Моделируется подъем мощности с 180 вт/см на 20% за время 20 секунд со значениями коэффициента теплопередачи зазора топливо-оболочка взятыми из интегрального кода Старт.Сначала с применением опции Themal проводится расчет температурного поля в нижнем гермоузле. Затем строится новый набор данных и с применением опций Coupled, Contact и Pre State (для учета полученных значений температур) решается нестационарная связанная термомеханическая мультиконтактная задача для исследования самого режима всплеска энерговыделения. На рисунках представлены результаты моделирования, из которых видно, что значения температур и напряжений не превышают критических для материала оболочки значений. Кроме того, рассматривались окружные напряжения в месте стыка таблеток топлива, значения которых показаны на последнем рисунке. Видно, что в этом режиме значения окружных напряжений в месте стыка таблеток могут увеличиться на 10 Мпа. Распределение температурных полей и осевых напряжений в нижнем гермоузле в конце всплеска. энерговыделения Окружные напряжения в гермоузле и в оболочке в месте стыка таблеток топлива

4. Моделирование термомеханического мультиконтактного взаимодействия таблеток топлива с гермоузлом при нестационарных режимах работ. Учет влияния растрескивания фрагментов топлива на н.д.с. оболочки Для оценки влияния растрескивания применяется представленная выше методика, но для случая плоско-напряженного деформирования. Из возможных конфигураций растрескивания таблетки, представленных на первом рисунке рассматриваются два крайних случая с одной радиальной трещиной, как правило наиболее сильно влияющая на н.д.с. оболочки и с произвольно расстресканным топливом. Из рисунков видно, что радиальная трещина при рассматриваемом режиме всплеска энерговыделения может увеличить окружные напряжения на 20МПа. Большое количество трещин существенно снижает нагрузку на оболочку. Возможные конфигурации растрескивания таблеток Окружные напряжения с одной радиальной трещиной в таблетке топлива Окружные напряжения в оболочке напротив радиальной трещины топлива Окружные напряжения при произвольном расположении трещин в таблетке топлива

4.Моделирование поведения компенсирующей части фиксатора твэла Фиксатор твэла ВВЭР Расчет НДС витков компенсирующей части фиксатора и усилия поджатия топливного столба проводился в два этапа нагружения. Загрузка фиксатора в твэл с суммарнным поджатием 22 мм с последующим за 3 часа увеличением поджатия до 42 мм,что соответствует нагрузке выхода на мощность. Последующее увеличение величины поджатия за счет распухания топлива до 67 мм за часов с одновременным учетом ползучести материала фиксатора. На нижних рисунках в глобальных цилиндрических координатах представлено распределение касательных напряжений. Видно, что пружина сжимается и за часов максимальные касательные напряжения уменьшаются в 2,5 раза. При этом Reaction Force Z, соответствующая усилию поджатия, увеличивается до значения 40 Н и затем медленно уменьшается до 16 Н за счет ползучести материала фиксатора. Распределение касательных напряжений в компенсирующей части витков фиксатора после поднятия мощности и после часов работы

5. Моделирование технологического процесса установки фиксатора в оболочку К настоящему времени и нынешнем уровне понимания и овладения средой MARC сложилась следующая методика находящаяся на стадии доработки. Процесс моделирования делится на несколько этапов последовательно вытекающих один из другого (Loadcase) c применением опции Large strain для виртуального образа представленного на верхнем левом рисунке. Этап 1. Растягивание фиксирующей части фиксатора на установочном штоке для уменьшения его диаметра. Этап 2. Насаживание оболочки зафиксированной в стакане на растянутый фиксатор. Этап 3 Ужатие фиксирующей части фиксатора с одновременным выводом установочного штока. Этап 4. Освобождение верхней части фиксирующей части до достижения определенного равновесия силами трения оболочки с фиксатором. Этап 5. Нагружение витка компенсирующей части осевым перемешением, соответствующим расширению топлива с одновременным поднятием температур – фиксатора до 350 С, а оболочки до 300 С, что соответствует режиму эксплуатации в режиме пуска. На рисунках представлены предварительные результаты моделирования по этой методике окружных и осевых напряжений. Предварительные результаты показывают,что окружные напряжения после 5- го этапа нагружения не превышают 40 МПа, а осевые напряжения отрицательные. Окружные и осевые напряжения в оболочке и фиксаторе в конце 5 этапа (х 0.1) Мпа

6.Моделирование технологического процесса прессования таблетки топлива Рассматривается отличающийся от реального упрощенный вариант одностороннего прессования таблетки с учетом трения лишь для демонстрации возможностей работы опции Mаterial-powder. Для моделирования процесса прессования используются элементы типа Solid (тип 7), rigid –поверхности и применяются опции Mаterial-powder, Mechanica и Соntact - rigid-velocity Виртуальный образ установочной модели с расположением прессующего штока, таблетки топлива с дыркой и фасками и фиксирующего стакана представлен на левом рисунке. На правом рисунке представлены результаты моделирования распределения относительной плотности, из которых видно, что в процессе прессования относительная плотность таблетки изменяется с начальной величины 0.7 до 0.98 в районе фаски.

7.Моделирование развития овальности оболочки с учетом ползучести На MSC MARC моделируется развитие овальности разностенной оболочки с начальным овалом (Dmax – Dmin) внутренней поверхности 33 мкм при отсутствии овальности наружной поверхности с законом ползучести сплава 110 за время часов при наружном давлении 12 МПа. Используются опции Mechanical и Creep без учета анизотропии материала оболочки. Начальный овал легко вводится средствами MSC.Marc Mentat для любых конфигураций сечения оболочки. Результаты расчета окружных напряжений и развития овальности трубы представлены на рисунках.(кг/см2)

8.Моделирование потери устойчивости оболочки (схлопывания ) На MSC MARC возможно моделирование потери устойчивости оболочки с применением опции Buckle с применением элементов типа solid.В качестве примера рассматривается участок оболочки без начальной овальности при наружном давлении 12 МПа с жестким закреплением по торцам. Расчет окружных напряжений (с увеличенной формой деформирования ) для статической формы равновесия и для второй формы потери устойчивости оболочки представлен на рисунках.