Kmitání komponent jaderného palivového souboru s rázovými účinky

Ing. Štěpán DYK

Doctoral thesis

Impact Vibrations of Components of Nuclear Fuel Assembly

Abstract:

Disertační práce je zaměřena na matematické modelování kmitajících mechanických soustav s rázy v aplikaci na kmitání komponent palivového souboru TVSA-T jaderného reaktoru VVER 1000/320. Je zde formulována metodika modelování příčně rázově interagujících poddajných těles nosníkového typu v přímé aplikaci na kmitání vodicích trubek a palivových proutků souborů TVSA-T. Model vodicí trubky vložené do distanční mřížky s radiální vůlí je vytvořen metodou konečných prvků pro jednorozměrná kontinua a respektuje potenciální kontaktní síly mezi trubkou a buňkami distančních mřížek včetně třecích sil v kontaktních bodech. Model umožňuje analýzu maximálních laterálních dynamických deformací vodicí trubky v průběhu kmitání vyvolaného tlakovými pulsacemi chladiva od hlavních cirkulačních čerpadel. Laterální deformace jsou jedním z významných aspektů při analýze pádu klastrů, jež mají za úkol brzdit štěpnou reakci. Dále je zde provedena analýza stability vodicích trubek v palivovém souboru TVSA-T vzhledem k axiální síle a k tuhosti buněk distančních mřížek na konzervativním i nekonzervativním modelu. Model palivového proutku je rovněž vytvořený metodou konečných prvků pro jednorozměrná kontinua, přičemž se jedná o systém sestávající ze dvou subsystémů; pokrytí palivového proutku a sloupce palivových tablet. Tyto dva subsystémy mohou v důsledku radiálních vůlí rázově interagovat. Pokrytí palivového proutku je navíc v potenciální vnější rázové interakci s buňkami distančních mřížek, mezi něž je vloženo s předpětím. Ve všech kontaktních bodech jsou uváženy normálové a třecí síly, respektující všechny tři možné fáze kontaktu -- separátní pohyb, prokluz i ulpívání. Podrobně jsou analyzovány rázové síly, skluzové rychlosti, výkon a práce třecích sil a další významné charakteristiky. U palivových proutků je posuzován tzv. otěr pokrytí palivového proutku jako důležitý parametr indikující úbytek hmoty v kontaktním bodě vlivem vibrací palivového souboru vyvolaných tlakovými pulsacemi chladiva. Zjednodušený model palivového proutku je podroben bifurkační analýze vzhledem k významným konstrukčním a provozním parametrům. Je analyzován vliv příčně proudícího chladiva na kmitání palivového proutku. Všechny výše uvedené matematické modely i všechny výpočtové modely zpracované v systému MATLAB jsou koncipovány tak, aby bylo možné analyzovat chování libovolného palivového proutku, resp. vodicí trubky, v libovolném palivovém souboru TVSA-T reaktoru VVER-1000/320. Jakožto budicí síly jsou uvažovány polyharmonické funkce, jež jsou výstupem z globálního modelu reaktoru a z linearizovaného modelu palivového souboru. U vybraného palivového proutku lze analyzovat jeho chování v libovolném stavu kampaně reaktoru. Metodika použitá při modelování palivových proutků, resp. vodicích trubek, může být použita pro širší třídu úloh kmitání poddajných jednorozměrných kontinuí s vnitřní i vnější rázovou interakcí.

Abstract:

The thesis is focused on mathematical modelling of vibro-impact systems, particularly on the modelling of the TVSA-T fuel assembly components vibration in WWER-1000/320 reactor. A methodology of the modelling of impact-interacting flexible one-dimensional bodies is formulated and the direct application of the method on guide thimbles and fuel rods vibration is performed. The model of guide thimble inserted into the spacer grids with radial clearances is formulated using finite element method for 1D Euler-Bernoulli continua. The potential contact forces between the thimble and spacer grid cells are respected, including friction forces. The model allows the analysis of maximum lateral dynamical deformations of the guide thimble during the vibration caused by pressure pulsations of coolant induced by main circulation pumps. Further, the stability analysis of guide thimbles in TVSA-T fuel assembly is performed with respect to axial pressure loading and spacer grid cells stiffness; both conservative and nonconservative analyses are performed. The model of the fuel rod is also based on finite element method for 1D continua and it consists of two subsystems; fuel rod cladding and fuel pellets stack. These subsystems can potentially impact-interact and the cladding can possibly impact-interact with the spacer grid cells. In all the contact points, normal and friction forces are considered and all three possible states are respected -- separation, slip and stick. Impact forces, sliding velocities, work and power of friction forces and other important characteristics are analysed in detail. The fretting wear of the cladding is analysed, as it is an important parameter that indicates mass decrease in the contact point caused by fuel assembly vibration due to the pressure pulsations of the coolant. Bifurcation analysis with respect to important constructional and operational parameters is performed using simplified model of the fuel rod. The influence of the coolant cross-flow on the vibration of fuel rod is analysed. All the models mentioned above and all the computational models implemented in MATLAB are composed in the way that they allow to analyse any fuel rod of any TVSA-T fuel assembly in the VVER-1000/320 reactor. Polyharmonic kinematical excitation is obtained as an output of the global model of the reactor and the linearized model of the fuel assembly. The methodology created for modelling of nuclear fuel rods or guide thimbles can be used for wide class of the impact-vibrating 1D systems where the inner or outer impact interactions can possibly occur.

Keywords

Rázové kmitání, nelineární dynamika, tření, otěr, palivový soubor, palivový proutek, vodicí trubka

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 6. 2017

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Applied Mechanics