Проблема обеспечения прочности и целостности оборудования ядерных энергетических установок при динамических воздействиях высокой интенсивности является достаточно актуальной.

Примерами таких воздействий являются:

• Падение оборудования при выполнении транспортно-технологических операций.
• Эксплуатационные режимы ряда конструкций (сброс рабочих органов воздействия на реактивность, соударение тарелки клапана с седлом в процессе аварийного закрытия, несрабатывание концевых выключателей в кинематических звеньях механизмов).

Оборудование для транспортирования радиоактивных материалов, в том числе ядерного топлива

Современный этап развития атомной энергетики характеризуется повышенными требованиями безопасности, предъявляемыми к объектам использования атомной энергии (ОИАЭ).

Особое место на этих объектах занимают системы хранения и транспортирования ядерного топлива. Особенностью таких систем является потенциальная возможность возникновения аварийных ситуаций, связанных с падением оборудования при проведении транспортно-технологических операций, что может привести к серьезным радиационным последствиям.

Для транспортировки и хранения радиоактивных материалов применяют специально разработанные контейнеры, используемые для размещения отработавшего ядерного топлива, обеспечивающие ядерную и радиационную безопасность, а также сохранность топлива при хранении и транспортировании по территории ОИАЭ и к месту хранения отработавшего топлива.

В конструктивном исполнении данный контейнер является сложным и дорогостоящим изделием, к которому предъявляются повышенные требования безопасности. Например, контейнер должен отвечать требованиям динамической прочности при воздействии ударных нагрузок высокой интенсивности, и обладать при этом определенными демпфирующими качествами, снижающими внешние динамические перегрузки.

В соответствии с требованиями НП‑061‑05 при проведении технологических операций должна исключаться как возможность выпадения ядерного топлива из контейнера, так и любое нарушение в положении располагающегося в нем ядерного топлива. Выполнение подобных требований, возможно, прежде всего, в случае сохранения целостности (герметичности) контейнера и отсутствия недопустимого формоизменения.

Упомянутые выше требования по обеспечению безопасности контейнера предусматривают подтверждение его показателей безопасности путем проведения натурных испытаний на ударные воздействия по регламентируемым нормативным требованиям, в частности, при падении контейнера на жесткую плиту с определенной высоты в различных положениях, падение на металлический штырь и т.п. Однако такие испытания крайне затруднены, прежде всего, в силу их значительной стоимости.

Получение достоверных оценок поведения оборудования для транспортирования радиоактивных материалов возможно также на основе проведения численных виртуальных экспериментов. В подобных обстоятельствах особую актуальность приобретает возможность отработки конструктивных решений на стадии проектирования оборудования путем проведения многовариантных расчетных исследований с применением современных программных комплексов. Реализуемое в них полномасштабное компьютерное 3D моделирование деформационного процесса, позволяет выполнить достаточно глубокий и детальный анализ динамических процессов, сократить сроки проектирования и снизить стоимость проекта.

Математическое описание динамических процессов пластического деформирования конструкций сводится к решению трехмерных нестационарных задач механики деформируемого твердого тела.

Математические модели поведения конструкционного материала

В случае высокоскоростного динамического нагружения, сопровождающегося значительным пластическим деформированием, необходимо иметь действительные диаграммы деформирования.

Действительные диаграммы получают на основе расчетно-экспериментальных исследований путем определения параметров математической модели деформирования материалов.

Степень достоверности результатов численного моделирования процесса деформирования в процессе соударения во многом определяется качеством математических моделей, адекватно описывающих влияние условий нагружения на диаграммы деформирования конструкционных материалов.

Поскольку указанный процесс является динамическим, определяющие соотношения должны учитывать влияние скорости деформации на радиус поверхности текучести. Кроме того, локальные интенсивные пластические деформации в условиях ударного нагружения приводят к существенному адиабатическому разогреву и разупрочнению материала. В связи с этим при моделировании деформирования материала необходимо также учитывать влияние температуры на механические характеристики.

Применение демпфирующих устройств

Установка демпфирующих устройств является эффективным средством снижения динамических нагрузок на оборудование ядерных энергетических установок в случаях аварийных падений.

Демпфирующие устройства предназначены для поглощения и рассеивания энергии удара, снижения амплитуды и скорости распространения механических колебаний и ограничения деформаций оборудования.

За счет пластического деформирования демпфирующих устройств возможно добиться сохранения прочности и герметичности рассматриваемого оборудования.

Расчет оборудования на ударостойкость должен в обязательном порядке корректно учитывать работу демпферов.

Заключение

Для оценки динамической прочности оборудования АЭС при аварийных падениях необходимо применять комплексный подход, включающий в себя:

• Определение реальных сценариев постулируемых аварий на основании анализа конструкции транспортно-технологического тракта.
• Соблюдение требований к построению расчетных моделей исследуемых конструкций с целью отражения реальных жесткостных и весовых характеристик и обеспечения достоверных результатов.
• Использование физико-механических свойств конструкционных материалов в области значительных пластических деформаций при их высокоскоростном динамическом нагружении.

Определение на этой основе параметров математических моделей конструкционных материалов, адекватно описывающих процесс высокоскоростного деформирования и разрушения.

• Использование современных высокопроизводительных аттестованных конечно-элементных вычислительных комплексов расчета напряженно-деформированного состояния и прочности конструкций, позволяющих учитывать интенсивные воздействия ударного характера.
• Выполнение нормативных требований безопасности, предъявляемых к объектам использования атомной энергии (ОИАЭ), содержащих радиоактивные материалы, применительно к случаям постулирования их аварийных падений.

Использование такого подхода позволяет решать целый класс задач, связанных с падением оборудования и обоснованием динамической прочности различных конструкций ОИАЭ, и на этой основе избежать дорогостоящих натурных испытаний, что способствует повышению конкурентоспособности изделий за счет снижения их себестоимости.

Важным фактором является корректный учет работы демпфирующих устройств, снижающих динамические нагрузки на рассматриваемое оборудование.