Прогнозирование виброакустических резонансов в активных зонах атомных электрических станций с водо-водяным энергетическим реактором

  • Константин [Konstantin] Николаевич [N.] Проскуряков [Proskuryakov]
  • Александр [Aleksandr] Викторович [V.] Аникеев [Anikeev]
  • Ибрагим [Ibragim] Афшар [Afshar]
  • Sofiya [Софья] Константиновна [K.] Белова [Belova]
  • Дарья [Daria] Андреевна [A.] Писарева [Pisareva]
Ключевые слова: вибрации, акустика, теплогидравлика, добротность, модель

Аннотация

Установлено, что для увеличения кампании топлива и совершенствования топливного цикла необходимо уменьшать фреттинг-износ ТВС и ТВЭЛ, т. е. снижать воздействие на них циклических нагрузок и вибраций. Выявлено, что основными источниками их возбуждения являются нестационарные гидродинамические процессы в теплоносителе и несбалансированность циркуляционных насосов. Показано, что для обоснования возможности увеличения кампании топлива следует выявить условия, при которых уровень вибраций превышает допустимые значения, провести идентификацию причин превышения и предотвратить или ограничить их воздействие. Для решения указанных задач используют данные систем технической диагностики, состоящих из разнообразных измерительных каналов.

Отмечена важность разработок CFD-кодов для исследования теплогидравлической модели реактора и, в частности, для построения картограмм распределения температуры по сечению на выходе активной зоны.

Констатировано признание вывода о том, что исследование вибрационных характеристик тепловыделяющих сборок (ТВС) в работающем реакторе невозможно, а на экспериментальных установках не удается воспроизвести ряд важнейших процессов, определяющих комплекс гидродинамических нагрузок. Указывается на признание того, что имеется ряд недостаточно исследованных явлений и процессов в элементах оборудования АЭС, которые влияют на вибрационное состояние ТВС и ТВЭЛ, но в существующих системных кодах либо рассматриваются крайне упрощенно, либо вообще не учитываются.

Доказано, что разработанные методы и алгоритмы количественных оценок собственных частот, добротности и полосы пропускания акустических колебаний пригодны для ВВЭР.

Обоснован вывод о том, что для предотвращения усиления вибраций ТВЭЛ и ТВС при воздействии акустических волн необходимо и достаточно обеспечить выход их частот за пределы полосы пропускания.

Сведения об авторах

Константин [Konstantin] Николаевич [N.] Проскуряков [Proskuryakov]

доктор технических наук, профессор кафедры атомных электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: ProskuriakovKN@mpei.ru

Александр [Aleksandr] Викторович [V.] Аникеев [Anikeev]

кандидат технических наук, исполняющий обязанности заведующего кафедрой атомных электрических стаций НИУ «МЭИ»

Ибрагим [Ibragim] Афшар [Afshar]

аспирант кафедры атомных электрических станций НИУ «МЭИ»

Sofiya [Софья] Константиновна [K.] Белова [Belova]

магистр по направлению 14.04.01 «Ядерная энергетика и теплофизика»

Дарья [Daria] Андреевна [A.] Писарева [Pisareva]

ведущий инженер АО «Атомэнергопроект»

Литература

1. Капустин С.А., Чурилов Ю.А., Горохов В.А. Моделирование нелинейного деформирования и разрушения конструкций в условиях многофакторных воздействий на основе МКЭ. Нижний Новгород: Изд- во Нижегородского гос. ун-та им. Н.И. Лобачевского, 2015.
2. Kapustin S.A., Gorokhov V.A., Churilov Yu.A. Models and Prediction Algorithms of Fracture of Structural Elements for Lowand High-cycle loading based on FEM // Materials Phys. and Mechanics. 2015. V. 23. Pp. 79—82.
3. Антипов А.А., Горохов А.Н., Горохов В.А., Казаков Д.А., Капустин С.А. Экспериментально-теоретическое исследование усталости материалов и конструкций в условиях высокотемпературных многоцикловых нагружений // Проблемы прочности и пластичности. 2014. Вып. 76(1). С. 26—38.
4. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики (Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратур. средства). М.: Энергоиздат, 1981.
5. ГОСТ 20911—89. Техническая диагностика. Термины и определения.
6. Proskuryakov K.N. Scientific Basis for Modeling and Calculation of Acoustic Vibrations in the Nuclear Power Plant Coolant // J. Physics: Conf. Series. 2017. V. 2. Iss. 1. Pp. 001—003.
7. Проскуряков К.Н., Федоров А.И., Запорожец М.В., Волков Г.Ю. Исследования акустических стоячих волн в первом контуре АЭС с ВВЭР-440 в пусковых режимах // Глобальная ядерная безопасность. 2016. № 2 (19). С. 59—69.
8. Драгунов Ю.Г., Дранченко Б.Н., Абрамов В.В., Хайретдинов В.У. Вибродинамические исследования в обоснование проектных решений ВВЭР // Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР: Материалы конференции. Подольск: ФГУП ОКБ «Гидропресс», 2007.
9. Проскуряков К.Н. Ядерные энергетические установки. М.: Издат. дом МЭИ, 2015.
10. Проскуряков К.Н, Новиков К.С. Определение области виброакустических резонансов теплоносителя и ТВС в перспективных реакторах повышенной мощности // Атомная энергия. 2010. Т. 108. № 3. С. 151—154.
11. Волков В.Ю. и др. Разработка теплогидравлической CFD-модели реактора ВВЭР-1200 // Компьютерные технологии: решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности: Материалы ХII Междунар. науч.-практ. конф. Нижний Новгород, 2017.
12. Бугаева В.А., Олексюк Д.А., Киреева Д.Р. Моделирование с помощью CFD-кода поля температуры теплоносителя в головках ТВС АЭС-2006 и ВВЭР-1000 // Теплофизика — 2018: Тезисы докл. науч.-техн. конф. Обнинск, 2018. С. 147.
13. Проскуряков К.Н. Использование виброакустических шумов для диагностики технологических процессов в АЭС. М.: Изд-во МЭИ, 1999.
14. Проскуряков К.Н., Федоров А.И., Запорожец М.В., Волков Г.Ю. Исследования акустических стоячих волн в первом контуре АЭС с ВВЭР-440 в пусковых режимах // Глобальная ядерная безопасность. 2016. № 2(19). С. 59—69.
15. Слепов М.Т. Разработка методов и интерпретация данных применительно к системам шумовой диагностики реакторных установок Нововоронежской АЭС: автореф. дис. … канд. техн. наук. Обнинск, 1999.
16. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Усанов А.И. Виброшумовая диагностика ВВЭР. М.: Энергоатомиздат, 2004.
17. Перевезенцев В.В. Экспериментальные исследования динамических характеристик пучков ТВЭЛов ТВС ВВЭР-440 // Наука и образование. 2011. № 9. [Электрон. ресурс] http://technomag.edu.ru/doc/166963. html (дата обращения 07.02.2012).
18. Поздеева И.Г., Митрофанова О.В. Диагностика вихревой структуры потоков теплоносителей на основе использования метода акустических резонансов // Теплофизика — 2018: Тезисы докл. науч.-техн. конф. Обнинск, 2018. С. 57—58.
19. Макаров В.В., Селезнев А.В., Афанасьев А.В., Матвиенко И.В. Экспериментальные исследования прочности тепловыделяющих сборок реакторов с водой под давлением // Там же. С. 112—114.
20. Дмитриев С.М. и др. Закономерности формирования потока теплоносителя за перемешивающей дистанцирующей решеткой ТВС-Квадрат реактора PWR // Там же. С. 101.
21. Проскуряков К.Н. Теплогидравлическое возбуждение колебаний теплоносителя во внутрикорпусных устройствах ЯЭУ. М.: МЭИ, 1984.
22. Фомичев М.С. Экспериментальная гидродинамика ЯЭУ. М.: Энергоатомиздат, 1989.
23. Проскуряков К.Н., Запорожец М.В. Исследование акустических колебаний в реакторных установках и перспективы их использования для обоснования остаточного ресурса // Вестник МЭИ. 2016. № 5. С. 19—24.
24. ANP-10306NP. Comprehensive Vibration Assessment Program for U.S. EPR Reactor Internals. Techn. Rep. ARENA NP Inc., 2013.
25. Проскуряков К.Н., Федоров А.И., Запорожец М.В. Прогнозирование условий возникновения в первых контурах АЭС с ВВЭР виброакустических резонансов с внешними периодическими нагрузками // Теплоэнергетика. 2015. № 8. С. 17—23.
---
Для цитирования: Проскуряков К.Н., Аникеев А.В., Афшар И., Белова С.К., Писарева Д.А. Прогнозирование виброакустических резонансов в активных зонах атомных электрических станций с водо-водяным энергетическим реактором // Вестник МЭИ. 2019. № 6. С. 39—49. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-39-49.
#
1. Kapustin S.A., Churilov Yu.A., Gorokhov V.A. Modelirovanie Nelineynogo Deformirovaniya i Razrusheniya Konstruktsiy v Usloviyakh Mnogofaktornykh Vozdeystviy na Osnove MKE. Nizhniy Novgorod: Izd-vo Nizhegorodskogo Gos. Un-ta im. N.I. Lobachevskogo, 2015. (in Russian).
2. Kapustin S.A., Gorokhov V.A., Churilov Yu.A. Models and Prediction Algorithms of Fracture of Structural Elements for Low- and High-cycle loading based on FEM. Materials Phys. and Mechanics. 2015;23:79—82.
3. Antipov A.A., Gorokhov A.N., Gorokhov V.A., Kazakov D.A., Kapustin S.A. Eksperimental'no-teoreticheskoe Issledovanie Ustalosti Materialov i Konstruktsiy v Usloviyakh Vysokotemperaturnykh Mnogotsiklovykh Nagruzheniy. Problemy Prochnosti i Plastichnosti. 2014;76(1): 26—38. (in Russian).
4. Parkhomenko P.P., Sogomonyan E.S. Osnovy Tekhnicheskoy Diagnostiki (Optimizatsiya Algoritmov Diagnostirovaniya, Apparatur. Sredstva). M.: Energoizdat, 1981. (in Russian).
5. GOST 20911—89. Tekhnicheskaya Diagnostika. Terminy i Opredeleniya. (in Russian).
6. Proskuryakov K.N. Scientific Basis for Modeling and Calculation of Acoustic Vibrations in the Nuclear Power Plant Coolant. J. Physics: Conf. Series. 2017;2;1: 001—003.
7. Proskuryakov K.N., Fedorov A.I., Zaporozhets M.V., Volkov G.Yu. Issledovaniya Akusticheskikh Stoyachikh Voln v Pervom Konture AES s VVER-440 v Puskovykh Rezhimakh. Global'naya Yadernaya Bezopasnost'. 2016;2(19): 59—69. (in Russian).
8. Dragunov Yu.G., Dranchenko B.N., Abramov V.V., Khayretdinov V.U. Vibrodinamicheskie Issledovaniya v Obosnovanie Proektnykh Resheniy VVER. Obespechenie Bezopasnosti AES s VVER: Materialy Konferentsii. Podol'sk: FGUP OKB «Gidropress», 2007. (in Russian).
9. Proskuryakov K.N. Yadernye Energeticheskie Ustanovki. M.: Izdat. Dom MEI, 2015. (in Russian).
10. Proskuryakov K.N, Novikov K.S. Opredelenie Oblasti Vibroakusticheskikh Rezonansov Teplonositelya i TVS v Perspektivnykh Reaktorakh Povyshennoy Moshchnosti. Atomnaya Energiya. 2010;108;3:151—154. (in Russian).
11. Volkov V.Yu. i dr. Razrabotka Teplogidravlicheskoy CFD-modeli Reaktora VVER-1200. Komp'yuternye Tekhnologii: Resheniya Prikladnykh Zadach Teplomassoperenosa i Prochnosti: Materialy XII Mezhdunar. Nauch.- prakt. Konf. Nizhniy Novgorod, 2017. (in Russian).
12. Bugaeva V.A., Oleksyuk D.A., Kireeva D.R. Modelirovanie s Pomoshch'yu CFD-koda Polya Temperatury Teplonositelya v Golovkakh TVS AES-2006 i VVER-1000. Teplofizika — 2018: Tezisy Dokl. Nauch.-tekhn. Konf. Obninsk, 2018:147. (in Russian).
13. Proskuryakov K.N. Ispol'zovanie Vibroakusticheskikh Shumov dlya Diagnostiki Tekhnologicheskikh Protsessov v AES. M.: Izd-vo MEI, 1999. (in Russian).
14. Proskuryakov K.N., Fedorov A.I., Zaporozhets M.V., Volkov G.Yu. Issledovaniya Akusticheskikh Stoyachikh Voln v Pervom Konture AES s VVER-440 v Puskovykh Rezhimakh. Global'naya Yadernaya Bezopasnost'. 2016;2(19):59—69. (in Russian).
15. Slepov M.T. Razrabotka Metodov i Interpretatsiya Dannykh Primenitel'no k Sistemam Shumovoy Diagnostiki Reaktornykh Ustanovok Novovoronezhskoy AES: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. Obninsk, 1999.
16. Arkadov G.V., Pavelko V.I., Usanov A.I. Vibroshumovaya Diagnostika VVER. M.: Energoatomizdat, 2004. (in Russian).
17. Perevezentsev V.V. Eksperimental'nye Issledovaniya Dinamicheskikh Kharakteristik Puchkov TVELov TVS VVER-440. Nauka i Obrazovanie. 2011;9. [Elektron. Resurs] http://technomag.edu.ru/doc/166963.html (Data Obrashcheniya 07.02.2012). (in Russian).
18. Pozdeeva I.G., Mitrofanova O.V. Diagnostika Vikhrevoy Struktury Potokov Teplonositeley na Osnove Ispol'zovaniya Metoda Akusticheskikh Rezonansov. Teplofizika — 2018: Tezisy Dokl. Nauch.-tekhn. Konf. Obninsk, 2018:57—58. (in Russian).
19. Makarov V.V., Seleznev A.V., Afanas'ev A.V., Matvienko I.V. Eksperimental'nye Issledovaniya Prochnosti Teplovydelyayushchikh Sborok Reaktorov s Vodoy pod Davleniem. Tam zhe:112—114. (in Russian).
20. Dmitriev S.M. i dr. Zakonomernosti Formirovaniya Potoka Teplonositelya za Peremeshivayushchey Distantsiruyushchey Reshetkoy TVS-Kvadrat Reaktora PWR. Tam zhe:101. (in Russian)
21. Proskuryakov K.N. Teplogidravlicheskoe Vozbuzhdenie Kolebaniy Teplonositelya vo Vnutrikorpusnykh Ustroystvakh YAEU. M.: MEI, 1984. (in Russian).
22. Fomichev M.S. Eksperimental'naya Gidrodinamika YAEU. M.: Energoatomizdat, 1989. (in Russian).
23. Proskuryakov K.N., Zaporozhets M.V. Issledovanie Akusticheskikh Kolebaniy v Reaktornykh Ustanovkakh i Perspektivy Ikh Ispol'zovaniya dlya Obosnovaniya Ostatochnogo Resursa. Vestnik MEI. 2016;5:19—24. (in Russian).
24. ANP-10306NP. Comprehensive Vibration Assessment Program for U.S. EPR Reactor Internals. Techn. Rep. ARENA NP Inc., 2013.
25. Proskuryakov K.N., Fedorov A.I., Zaporozhets M.V. Prognozirovanie Usloviy Vozniknoveniya v Pervykh Konturakh AES s VVER Vibroakusticheskikh Rezonansov s Vneshnimi Periodicheskimi Nagruzkami. Teploenergetika. 2015;8:17—23. (in Russian).
---
For citation: Proskuryakov K.N., Anikeev A.V., Afshar I., Belova S.K., Pisareva D.A. Predicting Vibroacoustic Resonances in the Cores of NPPs Equipped with LWR-Type Power-Generating Reactors. Bulletin of MPEI. 2019;6:39—49. (in Russian). DOI: 10.24160/1993- 6982-2019-6-39-49.
Опубликован
2019-01-16
Раздел
Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации (05.14.03)