УДК 621.039.53
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАЗЦОВ-СВИДЕТЕЛЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ КОРПУСОВ ВОДО-ВОДЯНЫХ РЕАКТОРОВ
Дячёк О.А.
Научный руководитель – к.т.н., доцент, Герасимова А.Г.
Корпус ядерного реактора является одной из основных преград для выхода продуктов деления во внешнюю среду. Ввиду этого сохранение целостности корпуса считается одной из важных задач в любых штатных и нештатных режимах работы АЭС.
Целью работы является изучение разрушающих методов контроля корпусов реакторов ВВЭР посредством образцов-свидетелей.
Характеристики охрупчивания материала снижаются из-за продолжительного воздействия рабочих температур (тепловое охрупчивание) и нейтронного облучения (радиационное охрупчивание). Радиационный ресурс материала корпуса во многом определяет эксплуатационный ресурс всей АЭС.
В настоящее время есть 3 способа получить информацию об облученных материалах корпуса реактора:
В исследовательских реакторах образцы подвергаются предварительному ускоренному облучению. Определяются механические свойства, изучается фазовое структурное состояние материалов.
Стандартные образцы-свидетели облучаются непосредственно в реакторах АЭС.
Исследуют материалы выводимых из эксплуатации корпусов реакторов. [1]
В связи с тем, что предсказать радиационное охрупчивание материалов при продолжительном воздействии невозможно осуществляются программы контроля по образцам-свидетелям.
Образцы-свидетели используются для мониторинга: изменений механических характеристик металла (временное сопротивление, относительное сжатие и удлинение, предел текучести), характеристик сопротивления хрупкому разрушению (критическое раскрытие трещин или вязкость разрушения, критическая температура хрупкости), характеристик локальной и сплошной коррозии (коррозия под напряжением, язвенная коррозия, межкристаллитная).
В реактор загружают шесть наборов облучаемых образцов-свидетелей. Они помещаются у внутренней стенки шахты реактора. Набор содержит из пять цилиндрических контейнерных сборок. В первых трех наборах контейнеры размещаются в два яруса. Для определения текущего состояния металла используются образцы верхнего яруса. Для прогнозных оценок используются образцы нижнего яруса.[4]
Рисунок 1 – Месторасположение образцов-свидетелей в реакторах типа ВВЭР
Помимо образцов-свидетелей загружают в реактор 6 наборов «температурных» образцов, которые размещаются на внутренней поверхности опорной обечайки блока защитных труб. «Температурные» образцы используются для оценки изменений свойств металла, связанных с эффектом старения при продолжительном воздействии температур и нейтронного облучения.
Рисунок 2 – Месторасположение температурных образцов-свидетелей в корпусе ВВЭР
Контейнеры с образцами располагаются на внутренней стенке корпуса реактора в районе активной зоны. Контейнеры фиксируются в специальных держателях, что дает возможность вынимать и вкладывать дополнительно новые образцы. [4]
На рисунке 3 приведена фотография контейнерной сборки до установки на корпус реактора.
Рисунок 3 – Контейнерная сборка до установки на корпус реактора
На рисунке 4 приведена фотография размещения двух контейнеров на стенке корпуса реактора. [2]
Рисунок 4 –Размещение двух контейнеров на стенке корпуса реактора
При каждой выгрузке топлива извлекают минимум:
6 образцов для определения механических характеристик (3 при комнатной температуре и 3 при расчетной);
15 образцов для нахождения критической температуры хрупкости;
15 образцов для нахождения критического раскрытия трещины или вязкости разрушения;
15 образцов для изучения характеристик коррозии.
Требования к выгрузке образцов-свидетелей
Облучаемые образцы-свидетели:
первое извлечение– через 5 лет после начала работы реакторной установки;
второе извлечение – через 9 лет после начала работы реакторной установки;
третье извлечение – через 17 лет после начала работы реакторной установки.
Сроки выгрузки остальных наборов образцов-свидетелей устанавливаются по результатам исследования первых наборов образцов.
Температурные образцы-свидетели:
выгружаются из блока защитных труб в период останова реактора. [3]
Определение критической температуры хрупкости металла
После выгрузки образцов-свидетелей необходимо найти критическую температуру хрупкости металла. Она характеризуется энергией, которую необходимо затратить для разрушения (в качестве меры берется ударная вязкость) и видом излома образцов (мерой является величина поперечного расширения образца в зоне излома или процент вязкой составляющей в изломе)
Если в режиме эксплуатации выполняется условие , то сопротивление к хрупкому разрушению считается обеспеченным. K – допустимое значение коэффициента интенсивности напряжений.
Индексi принимается различным в зависимости от случая, принимаемого в расчетах:
i =1, если условия эксплуатации нормальные;
i =2, если нормальные условия эксплуатации нарушены;
i =3, если ситуация аварийная.
Критическая температура хрупкости материала определяется по следующей формуле:
,
где – в начальном состоянии;
- сдвиг из-за температурного старения;
- сдвиг из-за циклической повреждаемости;
- сдвиг из-за влияния потока нейтронов.
Температурный интервал выбирают при проведении испытаний. В температурный интервал должны входить следующие точки: , ,Испытания проводятся в интервале температур , если примерное значение предварительно известно. Если примерное значение неизвестно, то рекомендуют определять значение ударной вязкости при 20 и анализируя полученный результат определить интервал следующих температурных испытаний. При полностью вязком изломе и низких значениях ударной вязкости – испытания проводят при повышенных температурах; в случае если излом полностью вязкий и значения ударной вязкости высокие, то последующее испытания необходимо проводить при пониженных температурах. Если излом вязко-хрупкий необходимо увеличить температурную область испытаний и в зоне положительных, и в зоне отрицательных температур. [3]
Проведение испытаний при пониженных температурах. С помощью жидкого азота или смеси жидкого азота (или сухого льда) с этиловым спиртом или ацетоном осуществляют охлаждение образцов-свидетелей. Температура кипения жидкого азота –196 , температура замерзания этилового спирта составляет –100 , а для ацетона –90 . Охлаждение образцов-свидетелей парами жидкого азота осуществляется в температурном интервале от -90 до -196 . С помощью термопары, помещенной в криостат с партией испытуемых образцов и зачеканенной в контрольном образце, устанавливается температура образца. С помощью термометра выполняется градуировка термопары контрольного образца. Погрешность термометра не должна превышать . Образцы необходимо немного переохладить для того, чтобы убедиться в стабилизации температуры. Зависимость значений температуры переохлаждения образцов-свидетелей от температуры испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Зависимость температуры переохлаждения образцов-свидетелей от температуры испытания
Температура испытания, | Переохлаждение, |
<-60 | 4 - 6 |
-60 … -40 | 3 – 4 |
-40 … +10 | 2 - 3 |
Через 3-5 с после вынимания из криостата образец-свидетель размещают на опорах копра и испытывают.
Проведение испытаний при повышенных температурах.
В печь помещают партию с контрольным образцом и нагревают до необходимой температуры. Образцы необходимо немного перегреть для того, чтобы убедиться в стабилизации температуры. С помощью термопары, зачеканеной в контрольном образце устанавливается температура образца. Зависимость значений температуры перегрева образцов-свидетелей от температуры испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Зависимость температуры перегрева образцов-свидетелей от температуры испытания
Температура испытания, | Перегрев, |
+30 … +200 | 3 - 5 |
+200 … +400 | 5 - 10 |
+400 … +500 | 10 - 15 |
Через 3-5 с после вынимания из печи образец-свидетель размещают на опорах копра и испытывают. [5]
Обработка результатов.
Ударная вязкостьопределяется по формуле:
где – работа разрушения образца;
- начальная площадь поперечного сечения в зоне надреза, м2
Вязкая составляющая в изломе определяется по формуле:
где .
В роли принимается температура, для которой должны быть выполнены условия:
1) присредневзвешенное значение KCV должно быть не менее значений, приведенных в таблице 3. Минимальные значения KCV - не менее 70% значений, приведенных таблице 4;
2) при средневзвешенное значение KCV должно быть не менее значений, приведенных таблице 4. Минимальные значения KCV - не менее 70% значений, приведенных таблице 4, минимальное значение вязкой составляющей в изломе B - не менее 50%.
Таблица 3 – Зависимость от предела текучести
Предел текучести материала при 20 , МПа(кгс/мм) | Ударная вязкость KCV, Дж/см2 (кгс∙м/см2) |
До 304 (31) включая | 29 (3,0) |
304 (31) - 402 (41) включая | 39 (4,0) |
402 (41) - 549 (56) включая | 49 (5,0) |
549 (56) - 687 (70) включая | 59 (6,0) |
Таблица 4 – Зависимость от предела текучести
Предел текучести материала при 20 , МПа(кгс/мм) | Ударная вязкость KCV, Дж/см2 (кгс∙м/см2) |
До 304 (31) включая | 44 (3,0) |
304 (31) - 402 (41) включая | 59 (4,0) |
402 (41) - 549 (56) включая | 74 (5,0) |
549 (56) - 687 (70) включая | 89 (6,0) |
Если одно из 2 условий не выполняются на одном из испытуемых образцов, то можно провести испытания еще на трех образцах. Оценивание соответствия результатов вышеприведенным условиям производят по показаниям 5 образцов. Образец-свидетель с неудовлетворительными показателями, полученными при первом испытании исключают.
Если по крайней мере на одном образце-свидетеле при вспомогательных испытаниях получились неудовлетворительные результаты, тогда за критическую температуру необходимо принять соседнюю температуру (более высокую). Для неё результаты испытания должны соответствовать вышеприведенным условиям. [5]
Преимущества и недостатки испытаний на образцах-свидетелях.
Основные преимущества:
Относительная равномерность облучения образцов-свидетелей.
Возможность получения опытных данных с флюенсами, которые существенно превышают проектные значения для корпуса реактора.
Второе преимущество дало возможность обосновать продление срока службы корпусов ВВЭР-440/213 в России и за рубежом без компенсирующих мероприятий.
Основные недостатки:
Образцы, облученные в одном контейнере могут иметь расхождение по флюенсу нейтронов в несколько раз. Это связано с установкой образцов в местах с высоким градиентом плотности потока быстрых нейтронов.
Высокий коэффициент опережения для ВВЭР-440 при облучении образцов по сравнению с внутренней поверхностью стенки корпуса реактора. В ВВЭР-1000 учли этот недостаток.
Разброс получаемых из-за неудачного места извлечения образцов основного металла. Из-за этого невозможно оценить термическое старение и как следствие это приводит к сверхконсервативным оценкам радиационного охрупчивания металла корпуса реактора ВВЭР-1000 [2]
Вывод.
Реализация программы образцов-свидетелей позволяет на основе комплекса материаловедческих исследований убедительно обосновать возможность продления срока службы корпуса, а также разрабатывать новые модели радиационного охрупчивания с учетом фактора времени и реальные механизмы повреждения при облучении.
Литература
Герасимова А. Г., Контроль и диагностика тепломеханического оборудования ТЭС и АЭС : учеб. пособие / А. Г. Герасимова. – Минск : Выш. шк., 2011. – 272 с.
Николаев Ю.А., Использование образцов-свидетелей для определения термического охрупчивания материалов корпусов реакторов ВВЭР-1000 / Ю.А. Николаев // Статья НИЦ Курчатовский институт [Электронный ресурс]: http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/kms2012/documents/kms2012-046.pdf (дата доступа 21.10.2020).
ПНАЭ Г-008-89 Правила устройств и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных электрических станций.
Чернов А.А., Исследование состояния металла корпуса водо-водяных реакторов на образцах-свидетелях // Актуальные проблемы энергетики – 2016 – с. 339-347.
Гольцев В.Ю., Методы механических испытаний и механические свойства материалов / В.Ю. Гольцев [Электронный ресурс]: https://studfile.net/preview/412137/page:16/ (дата доступа 21.10.2020).
