CC BY
82
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4 8211. Государственная регистрация №042 12D0025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Механическое нагружающее устройство для проведения испытаний циркониевых оболочек в условиях имитирующих взаимодействие топлива с оболочкой # 06, июнь 2014
DOI: 10.7463/0614.0715393
1 II
Солонин В. И. , Сотников А. С. , Сергиенко И. Р.
УДК 621.039.55
1Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана 2ОАО "ВНИИНМ" en7 'gpowerbm stu.ru [email protected] sir7499;S vandex.ru
Введение
Важным условием повышения эксплуатационной надежности твэлов ВВЭР, усовершенствования их характеристик является обеспечение критериев безопасности эксплуатации твэлов, среди которых наиболее важными являются критерии коррозионного разрушения под напряжением (КРН) и предельной остаточной деформации оболочки. В соответствии с требованиями зарубежных и Российских надзорных органов [1,2] при разработке технического проекта твэла должны быть учтены все механизмы возможного разрушения твэла, в частности:
- механизм водородного охрупчивания;
- механизм замедленного гидридного растрескивания (ЗГР);
- механизм КРН.
В связи с этим, ОАО «ВНИИНМ» проводит работы, направленные на:
- - изучение различных механизмов разрушения твэлов энергетических реакторов при ВТО;
- - определение предельных значений деформаций и/или напряжений в оболочке твэла, приводящих к разрушению оболлочки.
На первом этапе работы решалась задача разработки механического нагружающего устройства, позволяющего обеспечить определение механических характеристик оболочек твэлов в заданных и контролируемых условиях по следующим параметрам: темпера-
тура, скорость деформирования, концентрация водорода, концентрация коррозионно-активной среды (йод).
1. Макет механического нагружающего устройства
В зарубежной практике испытания, направленные на изучение ВТО, осуществляются с 70-х годов прошлого века, когда для создания напряженно-деформированного состояния схожего с условиями взаимодействия топлива с оболочкой (ВТО) применялась расширяющаяся вставка. За счет разности коэффициентов теплового расширения материала вставки и оболочки при нагреве создавалось напряжение в оболочке [3]. Существенным недостатком данного способа создания напряжения является отсутствие возможности замера усилий при расширении вставки и релаксация материала вставки со временем в процессе эксперимента. Так же применялся другой метод создания напряженно -деформированного состояния в оболочке с использованием сегментных вставок из вольфрама или оксида алюминия, которые при механическом воздействии на них со стороны наружающей машины создают напряжения в оболочке [4]. Основным недостатком данного метода является тип экспериментальной оснастки, использование которой для создания как атмосферы иода так и нагрева позволяет снимать данные о деформировании образца только в одном сечении образца, практически полностью отсутствует визуальный контакт с образцом и, как следствие, возможность оценки деформированного состояния в ходе испытаний, что является недостаточным для полной характеризации процесса нагружения.
Результатом конструкторских проработок стал спроектированный и изготовленный макет МНУ, необходимый для отработки способа нагружения и элементов конструкции, для адаптации в конечном исполнении МНУ.
Рисунок 1 - Схематический вид макета МНУ (Прозрачность элементов конструкции показана условно)
F - направление приложения осевой нагрузки.1 - пуансон; 2 - фланец; 3 - кольца распорные; 4 - стакан нижний; 5 - оболочка; 6 - втулка; 7 - промежуточная вставка.
7
На рис. 1 изображена схема макета МНУ. При воздействии осевой силы F со стороны нагружающей машины на пуансон (поз. 1), в промежуточной вставке (поз. 7) будут образовываться окружные напряжения, и передаваться на втулку (поз. 6), которая в свою очередь нагружает опытный образец - циркониевую оболочку (поз. 5). Данная схема имитирует тепловое расширение реальной топливной таблетки с трещинами. Опорный фланец (поз. 2) и стакан нижний (поз. 4), после обжатия оболочки распорными кольцами (поз. 3) обеспечивают соосность пуансона и втулки имитатора топливной таблетки. Согласно расчетным оценкам с использованием метода конечных элементов при ходе пуансона до 8 мм деформация оболочки составляет до 15,0 %.
Имитатор таблетки - втулка изготавливается из оксида алюминия и является одним из основных компонентов разрабатываемого макета МНУ и МНУ, и обеспечивает создание напряжённо-деформированного состояния оболочки близкого к реальному при ВТО путём воздействия усилия пуансона на него (рис.2). Втулка (поз.1) конструктивно расположена между пуансоном макета МНУ (поз.3), промежуточной вставкой из циркониевого сплава (поз.2) и опытным образцом-оболочкой (поз.4). Она позволяет при определённых значениях уровня нагрузки с помощью усилия пуансона от испытательной машины деформировать циркониевую оболочку в условиях:
- повышенной температуры 350-500 оС;
- различной скорости деформирования в диапазоне 0,15-20,0 %/ч;
- уровня нагрузки (до 40 кН) или предельной деформации (0,5-15,0 %).
3
1 2
Рисунок 2 - Схемы экспериментального оборудования для испытаний циркониевых оболочек (воздействие имитатора топливной таблетки из оксида алюминия на оболочку)
1 - имитатор топливной таблетки из оксида алюминия; 2 - промежуточная вставка из циркониевого сплава;
3 - пуансон; 4 - оболочка (циркониевый сплав).
Отличительной особенностью материала втулки - имитатора топливной таблетки является то, что её свойства должны быть сопоставимы со свойствами топливной таблетки из и02. Последнее позволяет при данных условиях эксперимента имитировать условия взаимодействия топлива с оболочкой.
Для имитации радиально-осевых трещин в топливе, зависящих от глубины выгорания, на втулке должно быть от 2-х до 16-и осевых прорезей [5], которые в испытаниях обеспечивают растрескивание имитатора на заданное число фрагментов.
В работе [5] в качестве материала втулки также использовали оксид алюминия, механические свойства которого (прочность на сжатие или раздавливание и коэффициент линейного расширения) близки по абсолютному значению с топливной таблеткой из диоксида урана [6,7].
Макет МНУ должен удовлетворять следующим условиям: иметь возможность создавать растягивающие тангенциальные напряжения в циркониевых оболочках с наружным диаметром 9,1 мм (для ВВЭР) и 9,5 мм (для PWR) и толщиной стенки соответственно ~0,57 мм и ~0,70 мм (для ВВЭР) и ~0,57 мм (для PWR), имитировать поведение топливной таблетки в режиме ВТО, обеспечить уровень конечной деформации 0,5-15,0%, быть совместимым с нагружающей системой Instron.
Для использования в макете МНУ и МНУ установки разработана конструкция имитатора таблетки (рис.2, поз.1) в двух вариантах: применительно к оболочкам типа ВВЭР -09,1х7,93(7,73)мм и к оболочке типа PWR - 09,5х8,33мм длиной 20мм.
Необходимо отметить что, разработанная конструкция керамической втулки, в том числе, может быть адаптирована для моделирования поведения топливной таблетки с дефектом.
2. Апробирование (испытание) макета механического нагружающего
устройства
Для испытаний макета МНУ с целью оценки его функциональности в части деформирования оболочки и определения характера растрескивания имитатора топливной таблетки была использована нагружающая система Instron с печью, внутри которой располагался макет МНУ.
Нагрев опытного образца до температуры 3800С осуществлялся в течение 1 часа.
В качестве опытного образца использовалась циркониевая оболочка 09,1х7,73х45мм из сплава Э110 о.ч. в состоянии поставки (ТУ 001.392-2006).
Для оценки деформации опытного образца в процессе испытаний при выбранной скорости деформации 0,05 мм/мин использовался контактный высокотемпературный экс-тензометр, прикрепленный к центральной области образца, с базой 25мм.
Результаты испытания (апробирования) макета МНУ представлены на рис.3 (в координатах измеряемой силы нагружения при сжатии в зависимости от перемещения пуансона) в виде инженерной кривой деформирования. На рис.4 показан внешний вид оболочек до и после эксперимента и характер разрушения керамической втулки - имитатора топливной таблетки в процессе испытаний.
Необходимо отметить, что на рис.3 инженерной диаграммы сжатия опытного образца из сплава Э110 о.ч. четко виден начальный участок кривой, соответствующий выборке имеющихся зазоров между сопряженными деталями макета МНУ. Так же виден момент
падения нагрузки, сопровождающийся разрушением керамической втулки, соответствующий перемещению пуансона на 0,5 мм и усилию 1,6-1,7кН. Последнее сопровождалось во время проведения эксперимента характерным растрескиванием керамической втулки.
7
0 1 2 3 4 5 Перемещение пуансона (мм)
Рисунок 3 - Диаграмма нагружения опытного образца в координатах измеряемой силы нагружения в
зависимости от перемещения пуансона
На рис.4 представлен внешний вид оболочек до и после испытаний и характер разрушения керамической втулки из оксида алюминия, в условиях данного эксперимента. Расстояние между сечениями 1-1 и 2-2 определяется длинной керамической втулки и в данном варианте равняется 20мм.
После завершения эксперимента был дополнительно измерен наружный диаметр образца при комнатной температуре и рассчитана его диаметральная деформация, значение которой при данных условиях испытаний составило ~4,8%.
Рисунок 4 - Внешний вид оболочки до и после испытаний и характер разрушения керамической втулки
Слева на право: - вид оболочки до испытания; - вид оболочки после испытания; - вид сверху в области деформации оболочки (1-1); - вид снизу в нижней части вставки(2-2); 1 - оболочка; 2 - керамическая
втулка; 3 - промежуточная вставка
На основании расчетных исследований и в связи с необходимостью экспериментальных исследований более прочных циркониевых сплавов: Э110 и Э635М, включая на-водороженные, принято решение заменить материал пуансона из стали 10Х18Н10Т на сталь 20Х13 (ов=530 МПа, при 400 °С [8]), с закалкой и шлифовкой рабочей конической части пуансона. Так же был увеличен наружный диаметр пуансона до 7,5мм, что исключает замятия пуансона и увеличивает его долговечность, снижает силы трения на поверхности: пуансон - промежуточная вставка.
3. Механическое нагружающее устройство
Главной отличительной особенностью макета МНУ и МНУ является возможность их работы МНУ при подаче агрессивной среды в область деформации, при аналогичной схеме нагружения, имитирующей ВТО.
Для минимизации и исключения выхода коррозионных агентов (йод) за пределы контура подачи газа, разработан вариант герметизации сопряжения МНУ с испытуемой циркониевой оболочкой. Герметизация осуществляется сальниковым уплотнением, что позволяет зафиксировать образец в МНУ от радиальных перемещений и обеспечить герметизацию стыка. Разработанное уплотнение представлено на рис.5.
Рисунок 5 - Устройство герметизации рабочего объема (схематично)
1 - циркониевая оболочка (образец); 2 - прижимные гайки; 3 - гайки переходные; 4 - прокладки из
графитизированного асбеста; 5 - вставка.
Как видно из рис. 5 герметизация проходит по двум поверхностям соприкосновения:
• прокладка (поз. 4) - образец (поз. 1) (контакт по цилиндрической поверхности);
• прокладка (поз. 4) - гайка переходная (поз. 3) (контакт по плоскости). Разработанная конструкция позволяет производить испытания трубчатых образцов
различных типоразмеров - для реакторов ВВЭР и PWR. На рис. 6 представлен схематичный вид МНУ.
Рис. 6 - Схематичный вид МНУ
1 вставка; 2 нижний сильфонный узел; 3 верхний сильфонный узел; 4 пуансон; 5 нижняя штанга; 6 верхняя
штанга.
Основной элемент опытный образец со вставкой (поз. 1), нижний (поз. 2) и верхний (поз. 3) сильфонные узлы необходимы для подачи среды в область деформирования. Передача усилия от машины к опытному образцу производится аналогично варианту макета МНУ - через пуансон, соединенный со штангой.
Сильфонные узлы выполнены в виде разъемной конструкции, что обеспечивает возможность замены их на новые без замены концевых деталей, а так же позволяет проводить испытания на твэльных трубках различных диаметров. Контур подвода газа соединяется с МНУ посредством вваренных трубок в фланец сильфонного узла и резьбового штуцера.
Верхняя и нижняя штанги осуществляют крепление образца, его осевую фиксацию через узел герметизации и передачу основного осевого усилия от нагружающей рамы. Часть длины штанг закрыта сильфонными узлами, а стыки загерметизированы резьбовым соединением с медными прокладками.
МНУ крепится штангами к нагружающей раме посредством переходников с резьбовым соединением, что обеспечивает жесткость нагружающей цепи и возможность демонтажа.
Для апробирования МНУ, по результатам предварительной оценки, скорость перемещения пуансона была выбрана на уровне - 1 мм/мин, температура - 350 °С. Испытание МНУ проходило подобно апробированию макета МНУ с учетом конструктивных особенностей. МНУ закреплялось в штангах нагружающей машины, образец устанавливался и крепился в узле герметизации. Осуществлялась преднагрузка до 500Н. После достижения необходимой температуры МНУ выдерживалось 40 минут и начинался эксперимент с заданной скоростью перемещения пуансона в пределах до 4мм (рис. 7). В процессе эксперимента фиксировались характерные звуки сопровождающие растрескивание керамической втулки. Конечная измеренная максимальная деформация при указанных условиях эксперимента составляла ~10%.
Зависимость нагрузки от перемещения
5000 4000 га £ 3000 а. х 2000 1000 0
---"
--
---^
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Перемещение пуансона, тм
Рис. 7 - Диаграмма нагружения опытного образца в координатах зависимости силы нагружения от
перемещения пуансона
Заключение
Разработано механическое нагружающее устройство [9], позволяющее исследовать деформирование оболочки твэла из сплавов циркония, определять характер растрескивания имитатора топливной таблетки, механические характеристики оболочек в контролируемых условиях.
В ходе испытаний МНУ отработана конструкция пуансона, имитатора топливной таблетки, определен характер его разрушения, оценена деформация оболочки в процессе испытаний с использованием контактного высокотемпературного экстензометра.
Показано соответствие режима механического нагружения в условиях испытаний таковому при взаимодействии топлива и оболочки в реакторных условиях.
Анализируются результаты апробирования макета МНУ при нагружении циркониевой оболочки 09,1x7,73 мм из сплава Э110 о.ч. при температурах 380 оС путем воздействия усилием пуансона на имитатор топливной таблетки из оксида алюминия.
Механическое нагружающее устройство является основой для создания лабораторного комплекса, обеспечивающего получение в режиме реального времени зависимости между нагрузками и деформацией оболочки. Эти данные являются основой для валидации кодов, применяемых при обосновании работоспособности твэлов.
Список литературы
1. ПНАЭ Г-1-024-90 (ПБЯ РУ АС-89). Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций. М.: Госпроматомнадзор СССР, 1991.
2. NUREG-0800. Standard Review Plan. U.S. Nuclear Regulatory Commission. Section 4.2 (Fuel System Design). Rev.3 - March 2007.
3. Garlick A., Wolfenden P.D. Fracture of zirconium alloys in iodine vapour // Journal of Nuclear Materials. 1971. Vol. 41, iss. 3. P. 274-292. DOI: 10.1016/0022-3115(71)90165-6
4. Nobrega B.N., King J.S., Wisner S.B. Improvements in the design and analysis of segmented expanding mandrel test // Journal of Nuclear Materials. 1985. Vol. 131, iss. 2-3. P. 99104. DOI: 10.1016/0022-3115(85)90448-9
5. Anghel C., Alvarez Holston A.-M., Lysell G., Karlsson S., Jakobsson R., Sund E., Mahmood S.T. An Out-of-Pile Method to Investigate Iodine- induced SCC of Irradiated Cladding // Proceedings of Top Fuel 2009. Paris, France, September 6-10, 2009. Paper 2179.
6. IAEA-TECDOC-1496. Thermophysical properties database of materials for light water reactors and heavy water reactors. Final report of a coordinated research project 1999-2005. Vienna: IAEA, 2006. 397 p.
7. Локтев И.И., Александров А.Б., Вергазов К.Ю., Гузеев В.В. Подготовка порошков диоксида урана к сухому прессованию топливных таблеток. Ч. 2 // Известия Томского политехнического университета. 2004. Т. 307, № 7. С. 60-64.
8. Справочник металлиста. Т. 2. / под ред. А.Г. Рахштадта, В.А. Брострема. М.: Машиностроение, 1976. 720 с.
9. Новиков В.В., Кузнецов В.И., Богатырь С.М., Сотников А.С., Солонин В.И., Сергиен-ко И.Р. Устройство для механических испытаний трубчатых оболочек: пат. 132603 РФ. 2013. Бюл. № 26. 2 с.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THH BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. N»0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Development of Mechanical Loading Device for testing the
zirconium cladding under the pellet-cladding interaction conditions
# 06, June 2014
DOI: 10.7463/0614.0715393
V.I. Solonin1, A.S. Sotnikov2, I.V. Sergienko2
1Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation OAO "Visokotehnologicheskij Nauchno-Issledovatelskij Institut Neorganicheskih Materialov imeni akademika A.A. Bochvara", 123060, Moscow, Russian Federation
enT'Sipower.bmstu.ru sot ff bochvar.ru sir7499;S,vandex.ni
Currently, there is a tendency of transition to the long-term cycles of operation with fuel and to the new transitional modes. This fact requires extra experimental validation for design of fuel rods. New operating conditions are expanding operability requirements of claddings.
To implement the experimental techniques the Mechanical Loading Device (MLD) was developed, capable of providing the conditions of stress-strain state similar to the pellet-cladding interaction (PCI) during operation of the reactor.
Complex strain state of a fuel rod cladding is simulated by the impacting force on the plunger and then on the simulator of the fuel pellet. The simulator is made of interposer of zirconium and the inset made of ceramic - aluminum oxide. Mechanical properties of the aluminum oxide are similar to the material of the fuel pellet - uranium dioxide. Experiments conducted on the layout and the MLD as such have shown that a stress-strain state matches with that of under operating conditions of the fuel rod in the reactor.
The developed device and test method allows us to simulate a wide range of reactor transient modes. Claddings can be used both in the delivered state, and with the further preparation, including the exposure in nuclear reactor. MLD design enables us to carry out experiments with the presence of an aggressive environment inside the cladding, simulating the presence of gaseous fission products in the fuel rod.
For further the development of this research it is necessary to design the laboratory complex for MLD. Extra computational verification experiment is needed as well. In particular, stresses in the cladding achieved during the experiment ought to be calculated. Calculated stresses are required to make project justification on the performance capability of fuel rods.
Publications with keywords: Fuel rod cladding, the simulator of fuel pellet, alloy E110 o.ch, aluminum oxide, mechanical loading device
Publications with words: Fuel rod cladding, the simulator of fuel pellet, alloy E110 o.ch, aluminum oxide, mechanical loading device
References
1. PNAE G-1-024-90 (PBIa RU AS-89). Pravila iadernoi bezopasnosti reaktornykh ustanovok atomnykh stantsii [PNAE G-1-024-90 (PBIa RU AS-89). Nuclear safety rules of reactor facilities of nuclear power stations]. Moscow, Gospromatomnadzor SSSR Publ., 1991.
2. NUREG-0800. Standard Review Plan. U.S. Nuclear Regulatory Commission. Section 4.2 (Fuel System Design). Rev.3 - March 2007.
3. Garlick A., Wolfenden P.D. Fracture of zirconium alloys in iodine vapour. Journal of Nuclear Materials, 1971, vol. 41, iss. 3, pp. 274-292. DOI: 10.1016/0022-3115(71)90165-6
4. Nobrega B.N., King J.S., Wisner S.B. Improvements in the design and analysis of segmented expanding mandrel test. Journal of Nuclear Materials, 1985, vol. 131, iss. 2-3, pp. 99-104. DOI: 10.1016/0022-3115(85)90448-9
5. Anghel C., Alvarez Holston A.-M., Lysell G., Karlsson S., Jakobsson R., Sund E., Mahmood S.T. An Out-of-Pile Method to Investigate Iodine- induced SCC of Irradiated Cladding. Proceedings of Top Fuel 2009, Paris, France, September 6-10, 2009, paper 2179.
6. IAEA-TECDOC-1496. Thermophysical properties database of materials for light water reactors and heavy water reactors. Final report of a coordinated research project 1999-2005. Vienna, IAEA, 2006. 397 p.
7. Loktev I.I., Aleksandrov A.B., Vergazov K.Iu., Guzeev V.V. [Preparation of uranium dioxide powder to fuel pellets dry pressing. Pt. 2]. Izvestiia Tomskogopolitekhnicheskogo universiteta - Bulletin of Tomsk Polytechnic University (TPU Bulletin), 2004, vol. 307, no. 7, pp. 60-64. (in Russian).
8. Rakhshtadt A.G., Brostrem V.A., eds. Spravochnik metallista. T. 2. [Metalworker handbook. Vol. 2]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976. 720 p. (in Russian).
9. Novikov V.V., Kuznetsov V.I., Bogatyr' S.M., Sotnikov A.S., Solonin V.I., Sergienko I.R. Ustroistvo dlia mekhanicheskikh ispytanii trubchatykh obolochek [Device for mechanical testing of fuel rod claddings]. Patent RF, no. 132603, 2013. (in Russian).
