РАСЧЕТНЫЙ КОД CONT ДЛЯ АНАЛИЗА БЕЗОПАСНОСТИ ЗАЩИТНЫХ ОБОЛОЧЕК АЭС

Защитная оболочка (ЗО), или контейнмент, АЭС является сложной пространственной конструкцией. Учет ее особенностей требует комплексного подхода к определению напряженно-деформированного состояния (НДС) ЗО при проектных и запроектных авариях. Большое влияние на характер распределения напряжений в стенке ЗО оказывают температурные напряжения, обусловленные колебанием температур внутри и снаружи контейнмента. В ИБРАЭ РАН разработаны методики, математические модели и программные модули, обеспечивающие выполнение расчетов НДС ЗО как в осесимметричной, так и в объемной постановке задачи с учетом наличия армированных слоев бетона и внутренней стальной облицовки, а также образования трещин в бетоне.

Разработанный в ИБРАЭ РАН и прошедший аттестацию в Ростехнадзоре программный комплекс (ПК) CONT предназначен для численного моделирования НДС защитных оболочек АЭС при статических эксплуатационных и аварийных нагрузках, в том числе и температурных, с возможностью поэтапного расчета и учета повторяемости геометрии отдельных фрагментов конструкций.

ПК CONT обеспечивает проведение линейно-упругих и нелинейных расчетов ЗО различных типов: железобетонных без предварительного напряжения, железобетонных предварительно-напряженных, стальных. Для каждого типа ЗО строится расчетная модель, которая учитывает особенности геометрических параметров оболочки, ее армирование, физико-механические характеристики используемых материалов, расположение напрягаемых арматурных канатов.

Основные результаты исследований

В рамках верификации ПК CONT проведены расчеты НДС моделей защитных оболочек, построенных в США в национальной лаборатории Sandia (железобетонной без преднапряжения в масштабе 1/6 и железобетонной предварительно напряженной в масштабе 1/4, которая является аналогом защитной оболочки одной из японских АЭС с реактором PWR). Для этого были разработаны осесимметричная и трехмерная конечно-элементная модели, а также методика расчета преднапряженной железобетонной ЗО, учитывающая действие нагрузки от натяжения арматурных канатов, от собственного веса конструкции и от внутреннего давления.

Результаты расчетов уровней давления, приводящих к появлению первой трещины в бетоне в зависимости от типа напряжений, показали хорошее соответствие данным натурных измерений и подтвердили применимость ПК CONT для решения практических задач по анализу напряженно-деформированного состояния ЗО при воздействии эксплуатационных и аварийных нагрузок.

В рамках проведения работ в интересах концерна «Росэнергоатом» в ИБРАЭ РАН изучена и обоснована возможность создания экспертной системы оценки фактического состояния защитной оболочки АЭС с ВВЭР-1000 на основе программы расчета НДС конструкции и данных датчиков контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). Определены основные факторы, влияющие на показания датчиков КИА, разработаны способы оценки их работоспособности при длительной эксплуатации.

Модели железобетонной предварительно напряженной защитной оболочки SANDIA в масштабе 1/4: реальная и трехмерная компьютерная, разработанная в рамках верификации кода CONT

Практическое применение ПК CONT

• обоснование снижения натяжения канатов системы преднапряжения ЗО с целью повышения их эксплуатационных качеств;
• разработка рекомендаций и внесение изменений в руководящие документы: РД ЭО-0129-98 «Требования к техническому обслуживанию и ремонту системы преднапряжениязащитных оболочек АЭС с ВВЭР-1000 и реакторными установками 320»;
• обоснование эксплуатационной безопасности ЗО 3-го энергоблока Калининской АЭС при отсутствии отдельных арматурных канатов СПЗО;
• расчет напряженно-деформированного состояния внутренней преднапряженной ЗО в различных режимах для АЭС «Куданкулам»;
• разработка рекомендаций по оптимизации объема работ при проведении КПР (I и 2 энергоблоки Калининской АЭС, 1—4 энергоблоки Балаковской АЭС, 1—4 блоки Ростовской АЭС, 5 блок Нововоронежской АЭС);
• в рамках проведения работ в интересах концерна «Росэнергоатом» в ИБРАЭ РАН изучена и обоснована возможность создания экспертной системы оценки фактического состояния защитной оболочки АЭС с ВВЭР-1000 на основе программы расчета НДС конструкции и данных датчиков контрольно-измерительной аппаратуры (КИА); определены основные факторы, влияющие на показания датчиков КИА, разработаны способы оценки их работоспособности при длительной эксплуатации.

Комплекс работ по обоснованию эксплуатационной пригодности защитной оболочки энергоблоков №3 и 4 Ростовской АЭС

Для своевременного ввода в эксплуатацию энергоблоков № 3 и 4 Ростовской АЭС был выполнен комплекс работ по обоснованию эксплуатационной пригодности защитной оболочки, включая:

• выполнение работ по мониторингу защитной оболочки в период ее возведения, преднапряжения и приемо-сдаточных испытаний;
• выполнение работ по натурным наблюдениям защитной оболочки в период преднапряжения и приемо-сдаточных испытаний;
• адаптация экспертной системы оценки напряжённо-деформированного состояния защитных оболочек блоков АЭС с ВВЭР к энергоблокам № 3 и 4 Ростовской АЭС.

Впервые в практике строительства АЭС ИБРАЭ РАН совместно с Волгодонским инженерно-техническим институтом — филиалом НИЯУ МИФИ были выполнены работы по мониторингу защитной оболочки энергоблоков №3 и 4 Ростовской АЭС, включая:

• формирование базы данных о техническом состоянии защитной оболочки;
• разработка и согласование программы обследования и Рабочей программы контроля строительных конструкций защитной оболочки по состоянию на текущий период строительства;
• проведение и анализ визуально-измерительного и инструментального контроля элементов строительных конструкций защитной оболочки энергоблоков №3 и №4 Ростовской АЭС;
• разработка информационной системы мониторинга защитной оболочки АЭС;
• выполнение и анализ работ по мониторингу защитной оболочки;
• подготовка исходной информации для разработки Технического паспорта защитной оболочки энергоблоков №3 и 4 Ростовской АЭС.

ИБРАЭ РАН было сделано предложение по изменению технологии натяжения армоканатов системы преднапряжения защитной оболочки энергоблоков №3 и 4 Ростовской АЭС.

Усовершенствованная технология натяжения армоканатов позволила обеспечить проектный уровень преднапряжения защитной оболочки.  Получен патент на изобретение «Способ натяжения арматурных канатов» RUS 2548267 22.01.2014.

Результаты работ по мониторингу и натурным наблюдениям защитной оболочки энергоблоков № 3 и 4 Ростовской АЭС в период ее возведения, преднапряжения и приемо-сдаточных испытаний показали, что техническое состояние, установленное на основе результатов обследования, контроля строительных конструкций защитной оболочки и расчетов напряженно-деформированного состояния, удовлетворяет требованиям проектной и нормативной документации.

Преднапряжение защитной оболочки энергоблока № 3 Ростовской АЭС		Патент на изобретение «Способ натяжения арматурных канатов» RUS 2548267 22.01.2014

Расчетный анализ напряженно-деформированного состояния защитных оболочек АЭС с РУ ВВЭР-1000

По заказу АО «Концерн Росэнергоатом» в ИБРАЭ РАН разработана экспертная система оценки напряженно-деформированного состояния защитных оболочек АЭС. Её цель — анализ и обоснование работоспособности сооружения на протяжении всего срока эксплуатации.

Экспертная система построена на базе программного комплекса CONT. В качестве исходных данных система получает информацию с датчиков силы НВ005 и преобразователей силы измерительных ПСИ-01, установленных под анкерами арматурных канатов, а также датчиков контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), установленных в тело защитной оболочки во время строительства.

Экспертная система внедрена специалистами ИБРАЭ РАН на энергоблоках № 1, 2, 3 и 4 Ростовской АЭС.

В 2019 году с использованием программного комплекса CONT по заказу филиалов АО «Концерн Росэнергоатом» Калининская АЭС, Нововоронежская АЭС, Ростовская АЭС выполнен расчетный анализ напряженно-деформированного состояния защитных оболочек АЭС с РУ ВВЭР-1000 при испытаниях расчетным давлением с целью определения максимальной величины испытательного давления без снижения эксплуатационной надежности защитных оболочек. Установлено, что при поддержании достаточного уровня обжатия ЗО системой преднапряжения защитные оболочки рассмотренных АЭС выдержат однократное аварийное воздействие, на которое они проектировались. Также сделан вывод, что нагружение защитной оболочки расчетным давлением, необратимо снижающим ее физические свойства в эксплуатационных режимах, является неоправданным.

Также в ИБРАЭ РАН разрабатываются методики расчета напряженно-деформированного состояния защитных оболочек АЭС при динамическом (сейсмическом) воздействии на основе нормативных подходов и численного метода суперэлементов. Разработана специальная полномасштабная модель реакторного отделения, которая позволяет рассчитывать и учитывать при динамическом анализе необходимое количество форм колебаний конструкции и их вклада в сейсмическую нагрузку. Создана конечно-элементная модель здания реакторного отделения, включая защитную оболочку, обстройку и модель грунтового основания.

Модель реакторного отделения АЭС с грунтовым основанием для моделирования сейсмического воздействия 

Возможности продления срока службы защитных оболочек АЭС с ВВЭР-1000

В настоящее время в мире находится в эксплуатации более 450 ядерных реакторных установок с водяным теплоносителем. В России наиболее распространены РУ типа ВВЭР.

Проектный срок службы защитных оболочек АЭС первого поколения (5-й энергоблок Нововоронежской АЭС, 1-й и 2-й энергоблок Калининской АЭС для реакторов ВВЭР-1000) завершается, поэтому актуальной является разработка методик продления ресурса этих ЗО.

Анализ НДС защитных оболочек АЭС, выполненный применительно ко 2-му энергоблоку Калининской АЭС с использованием программного комплекса CONT, показал, что в течение всего периода эксплуатации имеют место значительные деформации ползучести бетона, которые приводят к появлению внутренних напряжений в стенке ЗО и обусловлены как влиянием сезонных и суточных колебаний температур окружающей среды, так и неоднородностью физико-механических характеристик уложенного в тело оболочки бетона.

Для выполнения расчетов НДС защитной оболочки АЭС была разработана ее трехмерная модель, учитывающая основные конструктивные элементы ЗО: внутреннюю герметизирующую облицовку, стержневую арматуру и напрягаемые арматурные канаты.

Трехмерная модель защитной оболочки 1-го блока Волгодонской АЭС

Распределение окружных напряжений в бетоне защитной оболочки АЭС ВВЭР-1000 от действия преднапряжения и неравномерного поля температуры

Анализ защитных оболочек АЭС нового поколения

Одним из основных элементов обеспечения повышенной надежности российских АЭС нового поколения (АЭС-2006) является двойная защитная оболочка, состоящая из герметичной предварительно напряженной ЗО и наружной ненапряженной железобетонной оболочки.

В ИБРАЭ РАН с использованием кода CONT проведен комплексный анализ поведения защитной оболочки АЭС 2006 при воздействии различных факторов, имеющих место в штатных и аварийных режимах работы АЭС. Трехмерная модель ЗО, включающая все ее основные конструктивные элементы, содержит 1262080 объемных 8-ми узловых конечных элементов, моделирующих бетон, и 320224 стержневых элементов, моделирующих меридиональную и окружную арматуру вблизи внутренней и наружной поверхности оболочки.  Расчеты НДС ЗО были выполнены для случая воздействия комбинации нагрузок (влияния собственного веса конструкции, преднапряжения, внутреннего давления и температурных градиентов) в начальный момент аварии. В результате расчетов были определены зоны наибольшей концентрации напряжений ЗО АЭС-2006 при аварийных нагрузках, для которых необходимо вести повышенный контроль НДС в течение всего жизненного цикла, включая период возведения, преднапряжения, приемо-сдаточных испытаний и длительной эксплуатации.

Модель защитной оболочки АЭС-2006 с удаленным для наглядности фрагментом	Распределение кольцевых напряжений в бетоне от воздействия суммарной нагрузки в защитной оболочке АЭС-2006 в момент начала аварии

Партнеры ИБРАЭ РАН по разработке и применению ПК CONT: 

• ОАО «Концерн Росэнергоатом»;
• ФГУ НИЦ «Курчатовский институт».

© лаборатория механики строительных конструкций