Predicting Vibroacoustic Resonances in the Cores of NPPs Equipped with LWR-Type Power-Generating Reactors

Authors

  • 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]

DOI:

https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-6-39-49

Keywords:

vibration, acoustics, thermal hydraulics, quality factor, model

Abstract

It has been shown that measures aimed at reducing the fretting wear of fuel assemblies and fuel rods, i.e., measures reducing the impact of cyclic loads and vibration on these components, should be taken to increase the fuel campaign and improve the fuel cycle. It has been revealed that these loads and vibration are excited mainly as a consequence of unsteady hydrodynamic processes in the coolant and imbalanced operation of the circulation pumps. It is shown that for substantiating the possibility of increasing the fuel campaign, it is necessary to identify the conditions under which the vibration level exceeds the permissible values, to identify the factors causing this exceeding, and to prevent or limit their influence. To solve these problems, the data from technical diagnostics systems consisting of miscellaneous measurement channels are used.

The importance of developing CFD codes for studying the reactor’s thermal-hydraulic model and, in particular, for constructing the temperature distribution fields over the cross section at the core outlet is pointed out.

It has been stated, as a recognized conclusion, that it is impossible to study the vibration characteristics of fuel assemblies (FAs) in the operating reactor, and that attempts to model a number of most important processes that determine the totality of hydrodynamic loads at experimental facilities are not met with success. It is pointed out that there are a number of insufficiently studied phenomena and processes in the NPP equipment components that affect the vibration state of fuel assemblies and fuel rods, but in the existing system codes they are either considered in a very simplified manner or are not taken into account at all.

It is shown that the developed methods and algorithms for quantitatively estimating the natural frequencies, q-factor and acoustic vibration bandwidths are suitable for VVER-type reactors.

The conclusion stating that to prevent amplification of the fuel rod and fuel assembly vibrations under the effect of acoustic waves, it is necessary and sufficient to take measures for shifting their frequencies to beyond the bandwidth has been substantiated.

Author Biographies

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

Dr.Sci.  (Techn.),  Professor  of  Nuclear  Power  Plants  Dept.,  NRU  MPEI,  e-mail: ProskuriakovKN@mpei.ru

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

Ph.D. (Techn.), Acting Head of Nuclear Power Plants Dept., NRU MPEI

Ибрагим [Ibragim] Афшар [Afshar]

Ph.D.-student of Nuclear Power Plants Dept., NRU MPEI

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

Master's Degree in 14.04.01 «Nuclear Power and Thermophysics»

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

Leading Engineer of JSC «Atomenergoproekt»

References

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.

Published

2019-01-16

Issue

Section

Nuclear Power Plants, Including Design, Operation and Decommissioning (05.14.03)