Механические свойства и деформационное поведение материалов оболочек твэлов энергетических реакторов по результатам испытаний кольцевых образцов на растяжение тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Костюхина Анастасия Владимировна

• Костюхина Анастасия Владимировна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Костюхина Анастасия Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР РОССИЙСКИХ И ЗАРУБЕЖНЫХ МЕТОДОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛОВ

1.1 Механические испытания в осевом направлении

1.2 Механические испытания в тангенциальном направлении

1.2.1 Испытания под действием внутреннего давления

1.2.2 Испытания кольцевых образцов на растяжение

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

2.1 Особенности микроструктуры ферритно-мартенситной хромистой стали ЭК-181

2.2 Зависимость степени упрочнения стали ЭК-181 от условного предела текучести

2.3 Циркониевый сплав Э110

Выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ АНАЛИЗ

3.1 Результаты испытаний

3.1.1 Испытания трубчатых образцов

3.1.2 Испытания кольцевых образцов

3.1.3 Испытания распрямленных и отожженных кольцевых образцов

3.2 Анализ машинных диаграмм деформирования

3.3 Сравнительный анализ характеристик механических свойств

3.4 Истинные диаграммы деформирования

3.4.1 Определение коэффициентов зависимости напряжения течения стали ЭК-181 от скорости деформации и величины пластической деформации

3.4.2 Определение коэффициентов зависимости напряжения течения сплава Э110 от величины пластической деформации

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЗАВИСИМОСТИ НАКОПЛЕННОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАБОЧЕЙ ДЛИНЫ ОБРАЗЦА ОТ ЕГО РАЗМЕРОВ И ДИАМЕТРА ОПОР

4.1 Определение деформации, накопленной при распрямлении кольца

4.2 Определение рабочей длины кольцевых образцов

Выводы по главе

ГЛАВА 5. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ КОЛЬЦЕВЫХ ОБРАЗЦОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Выводы по главе

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЬЦЕВОГО ОБРАЗЦА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОПОРАХ

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Акт об использовании результатов работы

Приложение Б. Истинные диаграммы деформирования

Приложение В. Машинные диаграммы деформирования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механические свойства и деформационное поведение материалов оболочек твэлов энергетических реакторов по результатам испытаний кольцевых образцов на растяжение»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время остро стоит вопрос об удовлетворении возрастающих потребностей человечества в энергии. Растущий уровень хозяйственной деятельности, а также прирост населения приводит к многократному увеличению энергопотребления. По самым осторожным прогнозам, к середине XXI века производство электроэнергии увеличится вдвое. Сейчас около 80 % мирового производства электроэнергии обеспечивает традиционная энергетика, основанная на сжигании природных углеводородов - нефти, угля и газа [1]. Основной проблемой традиционной энергетики является ограниченность природных ресурсов, и, несмотря на то, что проблемы абсолютной нехватки сырья нет, существует тенденция к увеличению доли сложных и трудно извлекаемых запасов углеводородов. Так в России запасы газа базовых разрабатываемых месторождений выработаны на 65 - 75 %, а степень выработки запасов крупных активно осваиваемых месторождений нефти приближается к 60 %, и поэтому заметен переход добывающих отраслей в стадию активно падающей добычи [2]. Сокращение высокопродуктивных, залегающих на небольших глубинах запасов, приводит к росту расходов на добычу и соответственно к увеличению себестоимости выработанной энергии. Еще одной серьезной проблемой традиционной энергетики является выброс в атмосферу около 11,8 млрд. тонн углекислого газа в год. По прогнозам к 2050 г. эта цифра возрастет до 11 Гт, причем около 60 % этих выбросов не могут быть скомпенсированы естественной системой управления биосферы и будут накапливаться в атмосфере [3, 4].

Постепенное увеличение затрат на добычу энергоресурсов и экологический фактор вызывают прогрессирующий интерес к атомной энергетике, которая в свою очередь лишена этих недостатков. Работа только Российских АЭС способна предотвратить образование 210 млн. тонн СО2 в год [5]. Кроме того, огромная энергоемкость топлива и возможность его повторного использования после регенерации приводят к постепенному

переориентированию энергетического баланса промышленно развитых стран в сторону атомной энергетики. Несмотря на недоверие к мирному атому, возникшее после аварий ядерных реакторов АЭС Три-Майл-Айленд (США), Чернобыльской АЭС (СССР) и АЭС Фукусима-1 (Япония), руководство многих стран подтвердило необходимость развития атомной энергетики. Причем программы развития атомной энергетики заявляют, в том числе, и страны, обладающие богатыми природными запасами углеводородов (Саудовская Аравия, Арабские Эмираты и т.д.) [6]. По данным МАГАТЭ в мире запланировано построить 81 энергоблок общей мощностью 73191 МВт (сейчас в работе находятся 449 энергоблоков, мощностью 398887 МВт и еще 53 находятся в стадии строительства) [7, 8]. Также прогнозируется дальнейший рост спроса на электроэнергию, вырабатываемую АЭС. Так по прогнозу Института Энергетических Исследований РАН, к 2040 г. спрос на атомную энергию в мире вырастет на 72 % [1].

В России на настоящий момент эксплуатируется 36 энергоблоков общей мощностью 28355 МВт, на долю которых приходится 17,87 % энергетического баланса страны [8]. Наиболее распространены в российской атомной энергетике реакторы на тепловых нейтронах, которые обеспечивают 95 % всей вырабатываемой АЭС электроэнергии. Топливом для такого типа реакторов

235

является низкообогащенный уран (доля 235и - 5%), запасы которого ограничены и возможность использования которого без применения замкнутого топливного цикла сохранится приблизительно до конца этого столетия. Для повышения эффективности использования природного урана, в соответствии с государственной программой развития атомного энергопромышленного комплекса, в России ведутся разработки двухкомпонентной структуры атомной энергетики (на основе реакторов на тепловых нейтронах и реакторов на быстрых нейтронах) с замкнутым топливным циклом. Подобные технологии позволят снять ограничения в отношении топливного сырья для атомной энергетики на долгосрочную перспективу, одновременно решая задачу переработки ядерных отходов. В

настоящее время, на основе опыта успешной эксплуатации опытно -промышленного быстрого реактора с натриевым теплоносителем БН-600, построен и введен в эксплуатацию реактор БН-800 [9]. После ввода в эксплуатацию БН-800 стал вторым действующим энергетическим реактором на быстрых нейтронах в мире (с момента остановки реактора «Феникс» во Франции БН-600 был единственным). Основной задачей, решаемой при эксплуатации этого реактора, является отработка технологии топливного цикла на базе уран-плутониевого МОХ-топлива. На основе опыта его эксплуатации будет приниматься решение о строительстве более мощных реакторов БН-1200. Реактор БН-800 стал самым совершенным проектом быстрого реактора в мире, который по уровню безопасности соответствует категории «111+» [10]. Наряду с развитием технологий быстрых реакторов, ведутся разработки по улучшению технико-экономических показателей энергоблоков с реакторами на тепловых нейтронах типа ВВЭР. Осуществлен энергетический пуск инновационного энергоблока поколения «111+» Нововоронежской АЭС-2. Таким образом, Россия стала первой страной, построившей атомную станцию с «постфукусимскими» требованиями безопасности [6].

Для сохранения лидирующих позиций в области строительства и эксплуатации реакторов нового поколения необходимо развитие науки и технологий. Наиболее важными и актуальными работами на сегодняшний день являются исследования в области обеспечения ядерной и радиационной безопасности, а также оценки остаточного ресурса оборудования АЭС. Безопасность работы, успешность эксплуатации, а также многие технико-экономические показатели ядерных реакторов в значительной степени определяются характеристиками конструкционных материалов их активных зон, в частности характеристиками материалов оболочек ТВЭЛов (далее твэлов), работающих в чрезвычайно тяжелых условиях. Оболочка твэла является физическим барьером безопасности, препятствующим попаданию продуктов деления в первый контур. Это определяет основное требование к

оболочке - обеспечение герметичности в течение всего «жизненного цикла» твэла, включая транспортировку и хранение.

В реакторах типа ВВЭР в качестве конструкционного материала оболочек твэлов используется циркониевый сплав Э110 (0,95 - 1,05 % ниобий, 0,0006 - 0,012 % железо, < 0,1 % кислород) [11]. В качестве штатного материала оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах используется аустенитная сталь ЧС-68. В настоящее время с целью увеличения средней глубины выгорания топлива в ТВС реакторов на быстрых нейтронах ведутся разработки новых перспективных сталей, которые смогут обеспечить надежную работу активной зоны реактора при более высоких повреждающих дозах и повышенных температурах. Несмотря на то, что оптимизация химического состава и структуры оболочек из стали ЧС-68 позволили повысить выгорание топлива до значения ~12,5 % [12], использование этого материала при больших выгораниях ограничивается склонностью к радиационному распуханию. Еще одной из используемых сталей аустенитного класса является сталь ЭК-164, более стойкая к распуханию, чем ЧС-68. Также в качестве возможных кандидатов для использования в АЗ рассматривается класс ферритно-мартенситных жаропрочных сталей, в частности ЧС-139, ЭК-181 и ЭП450 ДУО (дисперсионно-упрочненная наночастицами двойных оксидов титана и иттрия) [12 - 14]. Одними из основных параметров, принимаемых во внимание при выборе конструкционных материалов АЗ, являются механические свойства с учетом их изменения в процессе эксплуатации.

Для определения механических свойств материалов оболочек твэлов, проводят различные виды испытаний, в том числе стандартные - растяжение трубок в осевом направлении [15]. Этот подход широко используется при испытаниях необлученного материала. Однако является весьма трудоемким и трудно реализуемым для испытаний облученного материала в горячих камерах с использованием манипуляторов. Кроме того, такие испытания являются недостаточными при наличии анизотропии свойств материала оболочки, что

характерно для твэлов из сплавов циркония [16]. Для исследования механических свойств материалов оболочек в тангенциальном направлении проводят испытания трубчатых образцов при нагружении внутренним давлением [17, 18], а также испытания на растяжение кольцевых образцов на цилиндрических опорах [16, 18 - 21]. Способы испытания кольцевых образцов на растяжение являются самыми простыми с технологической точки зрения, позволяют набирать достаточную статистику вследствие малой длины образцов [22, 23], но обладают методическими погрешностями. В частности, существующие на данный момент процедуры получения механических характеристик по результатам испытаний кольцевых образцов, не учитывают пластические деформации, накопившиеся в образце в процессе его распрямления [24, 25]. Также сложности вызывает определение начальной рабочей длины образцов.

На данный момент в России процедуры определения механических характеристик при растяжении кольцевых образцов труб из стали и сплавов, применяемых для изготовления оболочек твэлов, описаны на уровне стандартов предприятий или маршрутных карт. При этом не существует экспериментально обоснованной методики, опубликованной в открытой печати и рассмотренной независимыми экспертами. Кроме того, существующие отечественные процедуры определения механических характеристик по испытаниям на растяжение кольцевых образцов содержат неточности, а порой и противоречия, что не позволяет корректно определять механические свойства исследуемых материалов.

За рубежом существуют опубликованные методы получения механических характеристик материалов оболочек твэлов в тангенциальном направлении. Они позволяют получать более корректные результаты, но отличаются высокой трудоемкостью изготовления оснастки и образцов для проведения испытаний [18, 26].

На основании вышесказанного были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Цель работы - разработка метода определения характеристик прочности и пластичности материалов оболочек твэлов при растяжении кольцевых образцов на цилиндрических опорах, позволяющего учесть влияние изгиба рабочей части образца, а также размеров образца и опор на получаемые механические характеристики.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведен обзор российских и зарубежных методов определения характеристик механических свойств материалов оболочек твэлов.

2. Проанализированы данные по механическим свойствам стали ЭК-181 и сплава Э110 и выделены особенности их деформационного упрочнения.

3. Проведены механические испытания трубчатых и кольцевых образцов стали ЭК-181, а также кольцевых и предварительно распрямленных кольцевых образцов сплава Э110 в диапазоне скоростей деформации от 3,5-10-5 до 1,8 с-1.

4. По результатам экспериментов определены механические свойства стали ЭК-181 и сплава Э110.

5. Предложен вид зависимости напряжения течения стали ЭК-181 от величины пластической деформации и скорости деформации, а также вид зависимости напряжения течения сплава Э110 от величины пластической деформации в тангенциальном направлении.

6. Установлена функциональная зависимость деформации, накопившейся в кольцевом образце в процессе распрямления, от размеров образцов и опор.

7. Получена зависимость рабочей длины кольцевого образца от его размеров и диаметра опор.

8. Сформулирован метод обработки результатов механических испытаний кольцевых образцов на растяжение.

9. Для подтверждения корректности предлагаемого метода проведено расчетное моделирование напряженно-деформированного состояния кольцевого образца при растяжении на цилиндрических опорах с помощью конечно-элементного программного комплекса ANSYS 14.0 на

суперкомпьютере «Сергей Королев» (Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева).

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработан метод определения характеристик прочности и пластичности материалов оболочек твэлов энергетических реакторов при испытании кольцевых образцов на растяжение, позволяющий учесть влияние распрямления образца на определяемые характеристики механических свойств.

2. Впервые получены функциональные зависимости величины пластической деформации, накопленной в кольцевом образце в процессе его распрямления, и рабочей длины кольцевого образца от его геометрических параметров, а также диаметра опор.

3. Определены вид и коэффициенты уравнения, описывающего зависимость напряжения течения стали ЭК-181 от величины и скорости пластической деформации.

4. На основе обобщения литературных данных экспериментальных исследований установлена зависимость, связывающая степень упрочнения стали ЭК-181 и величину условного предела текучести, что позволяет обосновать выбор оптимального режима термомеханической обработки для получения требуемого соотношения между прочностью и пластичностью.

5. Впервые описана зависимость напряжения течения текстурированного сплава Э110 (образцы из оболочек твэлов) от величины истинной пластической деформации в тангенциальном направлении.

6. Экспериментально определены механические свойства сплава Э110 в тангенциальном направлении на кольцевых образцах, изготовленных из фрагментов оболочек твэлов.

7. Экспериментально определены механические свойства стали ЭК-181 на кольцевых и трубчатых образцах.

Практическая ценность работы. Разработанный метод позволяет с большей точностью определять характеристики прочности и пластичности

материалов оболочек твэлов наиболее простым с технологической точки зрения способом. Использование образцов в виде колец небольшой высоты позволяет исследовать деформационное поведение и механические свойства облученных оболочек твэлов, получая при этом достаточную статистику, даже в условиях больших градиентов температуры и повреждающей дозы по высоте твэла. Полученные результаты можно использовать в процессе построения моделей деформирования материалов оболочек в различных условиях, необходимых при проектных обоснованиях безопасной работы твэлов.

Методы исследования: использовались методы математической статистики, лабораторный эксперимент и численное моделирование.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод определения характеристик прочности и пластичности материалов оболочек твэлов энергетических реакторов при испытании кольцевых образцов на растяжение.

2. Зависимость величины пластической деформации, накопленной в кольцевом образце в процессе его распрямления, от размеров образца и диаметра опор.

3. Зависимость рабочей длины кольцевого образца от его размеров и диаметра опор.

4. Вид и коэффициенты уравнения, описывающего зависимость напряжения течения стали ЭК-181 от величины и скорости пластической деформации.

5. Установленная функциональная связь степени упрочнения стали ЭК-181 и величины условного предела текучести.

6. Зависимость напряжения течения текстурированного сплава Э110 от величины истинной пластической деформации в тангенциальном направлении.

7. Экспериментальные данные о механических свойствах сплава Э110 в тангенциальном направлении на кольцевых образцах, изготовленных из фрагментов оболочек твэлов.

8. Экспериментальные данные о механических свойствах стали ЭК-181, полученные на кольцевых и трубчатых образцах.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, планировании и организации основных этапов работы. Диссертанту принадлежат: разработка программ механических испытаний, обработка результатов экспериментов, подготовка исходных данных для конечно-элементного моделирования, анализ и обобщение полученных результатов, разработка метода получения механических характеристик материалов оболочек твэлов реакторов на тепловых и быстрых нейтронах по результатам испытаний кольцевых образцов на растяжение. Все положения, выносимые на защиту, получены лично автором.

Достоверность полученных результатов и выводов обоснована использованием стандартного сертифицированного испытательного оборудования (средства измерения внесены в ЕГРСИ и имеют свидетельства о поверке), подтверждается воспроизводимостью результатов испытаний, полученных на стандартных испытательных машинах в различных лабораториях (ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ», НИЯУ МИФИ и АО «ВНИИНМ»).

Внедрение. Результаты работы использованы в учебном процессе НИЯУ МИФИ и в АО «ВНИИНМ» (приложение А).

Выражаю искреннюю благодарность научному руководителю профессору Евгению Михайловичу Морозову за помощь в подготовке диссертации, Леониду Павловичу Лошманову за помощь, внимание и интерес к работе. Отдельно выражаю искреннюю благодарность Петру Владимировичу Федотову за ценные консультации, помощь и каждодневную поддержку в работе.

ГЛАВА 1. ОБЗОР РОССИЙСКИХ И ЗАРУБЕЖНЫХ МЕТОДОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛОВ

Исследование механических свойств конструкционных материалов АЗ энергетических реакторов является важной задачей с точки зрения обоснования безопасности работы АЭС. Наиболее ответственными конструкциями АЗ являются твэлы, работающие в чрезвычайно тяжелых условиях эксплуатации, и относящиеся к первому классу конструктивных элементов АЭС, влияющих на безопасность. Оболочка твэла должна обеспечивать требуемую механическую прочность конструкции, предотвращая попадание ядерного топлива и продуктов деления в контур теплоносителя. Роль физического барьера безопасности определяет высокие требования к механическим и физическим свойствам материалов оболочек. В настоящее время существует множество методов проведения испытаний для определения механических свойств материалов оболочек твэлов, которые можно разделить на две основные группы: механические испытания в осевом направлении и механические испытания в тангенциальном направлении.

1.1 Механические испытания в осевом направлении

Для получения механических характеристик оболочечных материалов в осевом направлении в России используют стандартные испытания трубок на растяжение. Процедуру проведения подобных испытаний при комнатной температуре устанавливает ГОСТ 10006-80 [15], при повышенных температурах - ГОСТ 19040-81 [27]. Для труб малого диаметра и с малой толщиной стенки ГОСТ предписывает проводить испытания на патрубках (отрезках труб полного сечения). Для закрепления образца изготавливается

специальная оснастка, включающая в себя захваты, а также конические или цилиндрические заглушки, обеспечивающие жесткость и устойчивость зажимаемого образца (рисунок 1.1). Обработку диаграмм деформирования, полученных в ходе испытания, проводят по ГОСТ 1497-84 [28].

Рисунок 1.1 - Схема образца и оснастки [15]

Данный вид испытаний хорошо освоен и применяется в случае определения механических характеристик необлученных труб. Однако он содержит и некоторые недостатки. Необходимость изготовления специальной оснастки увеличивает трудоемкость и стоимость испытаний. При используемом способе закрепления образца возможно его проскальзывание в захватах испытательной машины, что приводит к искажению диаграммы деформирования и, соответственно, к некорректному определению характеристик прочности и пластичности. Кроме того, без использования экстензометра невозможно гарантировать требуемое значение рабочей длины образца.

За рубежом существует процедура проведения механических испытаний образцов металлических труб в осевом направлении, установленная стандартами ASTM Е 8/Е8М-09 [29] и ЛБТМ Е 21-09 [30] для испытаний при

комнатной и повышенной температурах соответственно. Аналогично ГОСТ 10006-80 испытания проводятся на монолитных трубчатых секциях с использованием металлических заглушек, которые плотно вставляются в концы образца, обеспечивая зажим в испытательной установке. Рисунок 1.2 иллюстрирует формы заглушек, их положение в образце и положение образца в захватах испытательной машины в соответствии с требованием стандарта ЛБТМ Е 8/Е8М-09. Определение деформации образца во время испытаний осуществляется с помощью экстензометра, что предотвращает возможность некорректного определения механических характеристик вследствие проскальзывания образца, а также позволяет точно определять рабочую длину.

Рисунок 1.2 - Схема образец - нагружающее устройство [29]

Методы испытания трубчатых образцов на растяжение хорошо освоены и применяются для определения характеристик механических свойств необлученных оболочек твэлов в осевом направлении. Однако они сложно реализуемы при работе с облученными оболочками. Проведение подобных испытаний в горячих камерах с помощью манипуляторов весьма сложно с

технической точки зрения и требует значительных затрат. Необходимо отметить также, что для реализации таких схем нагружения требуются образцы значительной длины, например, для трубы 06,9*0,4 - около 150 мм, в зависимости от конструкции захватов, что затрудняет проведение полноценных со статистической точки зрения испытаний, в условиях больших градиентов температуры и повреждающей дозы по высоте твэла.

Еще одним вариантом получения характеристик механических свойств оболочечных материалов в осевом направлении является проведение испытаний с использованием сегментных образцов [26, 31]. На рисунке 1.3 показан внешний вид сегментного образца, применяемого в научном исследовательском центре Баску (СЕА, Франция). Образец с предварительно сформированной рабочей частью (сегментный образец) крепится в захватах испытательной машины с помощью соединения типа «палец-проушина». Ширина рабочей части выбирается таким образом, чтобы исключить возникновение значительных деформаций в области закрепления образца. Влияние эффекта трения на механические характеристики для такого способа соединения незначительно [32].

Рисунок 1.3 - Сегментный образец [26]

Такая схема нагружения позволяет использовать небольшие образцы (50 - 60 мм), исключая возможность их проскальзывания, но содержит ряд технологических сложностей, связанных с необходимостью предварительной обработки образца.

1.2 Механические испытания в тангенциальном направлении

Испытания на растяжение в осевом направлении являются недостаточными при наличии анизотропии свойств материала оболочки. Для получения механических свойств материалов оболочек твэлов в тангенциальном направлении в сложившейся международной практике используется два способа: испытания трубок под действием внутреннего давления и испытания кольцевых образцов на растяжение.

1.2.1 Испытания под действием внутреннего давления

На рисунке 1.4 представлена схема нагружения трубок внутренним давлением, разработанная компанией Studsvik Nuclear AB (Швеция) для циркониевых сплавов (а), а также ее модификация, разработанная в JAEA (б) [18, 33, 34]. В процессе испытания имитируется нагрузка, действующая на оболочку вследствие механического воздействия топлива, а также давления заполняющего газа. Нагружение образцов (в том числе отрезков облученных оболочек твэлов) осуществляется посредством полимерных таблеток, помещенных во фрагмент оболочки твэла и сжимаемых вдоль оси образца. В процессе нагружения непрерывно фиксируется усилие, приложенное к поршням, перемещение траверсы и изменение наружного диаметра оболочки [35]. При проведении испытаний используются образцы длиной около 20 мм. В модифицированной методике нагружение внутренним давлением сопровождается осевым растяжением образца (рисунок 1.4, б). Испытания осуществляются при температурах 25-340 °С. Применение метода при более

высоких температурах ограничено свойствами полимерных таблеток, изготовленных из политетрафторэтилена (Teflon), имеющего невысокую температуру плавления.

Для расширения границ применимости данного метода авторами [36] предложено в качестве материала таблеток использовать алюминий (при испытаниях от 350 до 600 °С) и медь (при испытаниях от 600 до 900 °С). При этом авторы отмечают влияние коэффициентов трения и механических свойств заполняющих таблеток на расчетное значение давления и, как следствие, на получаемые характеристики прочности. Наибольшее влияние оказывает трение в области таблетка-образец.

а

б

(а) Studsvik Nuclear AB [18], (б) JAEA [34] Рисунок 1.4 - Схема нагружения образца при испытаниях внутренним

давлением

Для стальных оболочек твэлов быстрых реакторов существует методика испытаний трубчатых образцов внутренним давлением твердого заполнителя, разработанная в АО «ИРМ» [17]. Нагружение образца осуществляется

посредством цилиндрического элемента, выполненного из пластичного металла (заполнителя) (рисунок 1.5). В качестве материала заполнителя может быть использован алюминий, свинец, индий или пластичные сплавы. Требуемая для проведения испытаний высота образца составляет 15 мм.

\_6

1 - корпус, 2 - оправка, 3 - плунжер, 4 - образец, 5 - оправка, 6 - пластичный заполнитель.

Рисунок 1.5 - Устройство для испытания трубчатых образцов АО «ИРМ» [37]

Перечисленные методы испытаний оболочек под действием внутреннего давления позволяют однозначно судить о пластичности материала, однако определение характеристик прочности затрудняется влиянием эффекта трения между образцом, поршнями и наполнителем, что приводит к искажению НДС [34]. Среди достоинств таких методов можно отметить применимость для исследования пластичности облученного материала, сравнительно небольшой размер образцов и соответствие схемы нагружения реально возникающим в некоторых случаях нагрузкам. Однако такой подход требует учета большого количества методических особенностей. Для надежной интерпретации

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Костюхина Анастасия Владимировна, 2020 год

// л /

" У

/У

//

1— -II -1

—1

1 1

* >

У = х

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Относительное равномерное удлинение на распрямленных образцах, %

9

8

7

6

Рисунок 5.9 - Относительное равномерное удлинение на кольцевых и предварительно распрямленных образцах сплава Э110

38

а

н 36

а

в

ы 34

р

з

а 32

р

е л 30

с

о 28

п

е

и н х26 а

е ц

н и ь л 24

л о

длу к 22

е

о 20

н

ь

л 18

е

т

и 16

с

о

н т 14

О

12

< 1 1 х

т

1— и 41 г

ь= И у -< >-

У = 1,0 0х 1

1 1

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 Относительное удлинение после разрыва на трубках, %

Рисунок 5.10 - Относительное удлинение после разрыва кольцевых и трубчатых образцов стали ЭК-181

80

а

н 76

а

в 72

ы

р 68

з

а

р 64

е

л с 60

о

п % 56

е

и н х, а 52

е ц

н л 48

и л

л д о к 44

у

е 40

о

н ь 36

л

е т 32

и

с 28

о

н т 24

О 20

т /1 1 1 / /

< II 1,3 55Х / /

/ /

/ / ✓

► / / ✓

✓ ✓ /

1—7 ►— -1 / г

ь —1 / /

/ г

/ ✓

- / /

/ ✓ /

/ г

/ ✓ У = х

✓

20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 Относительное удлинение после разрыва на распрямленных образцах, %

Рисунок 5.11 - Относительное удлинение после разрыва кольцевых и предварительно распрямленных образцов сплава Э110

Выводы по главе 5

1. Проведенные исследования позволили сформулировать методику определения механических свойств материалов оболочек твэлов в тангенциальном направлении по результатам испытаний кольцевых образцов на растяжение.

2. Результаты испытаний кольцевых образцов, полученные с использованием предложенной методики, практически совпадают с результатами испытаний других типов образцов. Расхождения между характеристиками не превышают 3 %, что значительно меньше разброса экспериментальных данных.

3. Расхождения в значениях относительного удлинения после разрыва кольцевых и предварительно распрямленных образцов сплава Э110 вызваны некорректностью определения этой величины по результатам испытаний предварительно распрямленных образцов. В то время как результаты, полученные на кольцевых образцах по предложенному методу, практически совпадают с литературными данными.

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЬЦЕВОГО ОБРАЗЦА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОПОРАХ

Для исследования НДС кольцевого образца при растяжении на цилиндрических опорах было проведено расчетное моделирование с помощью конечно-элементного программного комплекса ANSYS 14.0 на супер компьютере «Сергей Королев» (Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева).

Для расчетов были заданы геометрические характеристики и свойства образца и опор [54, 91, 92]. При задании обобщенной диаграммы деформирования использовались кривые упрочнения, полученные на кольцевых образцах. Для этого были взяты точки, полученные непосредственным измерением текущей площади поперечного сечения кольцевого образца, и точки, полученные с машинных диаграмм деформирования по предложенной методике. Моделирование было выполнено с помощью трехмерного (объемного) восьми узлового твердотельного элемента, имеющего три степени свободы в каждом узле, SOLID 185. Этот элемент поддерживает контактное взаимодействие, большие перемещения, большие деформации, а также все необходимые, для подобного рода моделирования, свойства материалов. С целью повышения точности расчета было учтено влияние эффекта Баушингера [93]. Для уменьшения размерности задачи и для увеличения скорости счета, было вычислено НДС левой верхней четверти кольца с захватом (см. рисунок 3.7), с соответствующими граничными условиями. Расчеты были проведены при разбиении четверти кольца на 7200 элементов. При таком разбиении решение сходится, и дальнейшее увеличение дискретизации задачи не имеет смысла.

На рисунках 6.1, 6.2 показаны полученные в результате моделирования расчетные диаграммы деформирования в координатах перемещение захвата (А/) - сила (P).

Л1, мм

_- эксперимент,---- расчет

Рисунок 6.1 - Диаграмма деформирования (образцы 06,9x6,1 мм)

_- эксперимент, - расчет

Рисунок 6.2 - Диаграмма деформирования (образцы 09,3x8,1 мм)

Результаты расчетов совпадают с экспериментальными данными. Это позволяет утверждать, что диаграмма деформирования, полученная на кольцевых образцах, является истинной диаграммой деформирования.

Кроме того, в результате расчетов НДС получены зависимости осредненных по площади сечения образца, образованного плоскостью Х07, интенсивностей напряжений и деформаций от перемещения захвата, а также

зависимость логарифмической деформации и напряжения течения от перемещения захвата (рисунки 6.3 - 6.6).

0,6 0,5

. 0,4

Ч

0)

х 0,3 о

° 0,2 0,1

• 1 / *

.1 1 !

/ > /

•1 / • л

______ у'

0,5

1 1,5

Л!, мм

2,5

логарифмическая деформация,___- осредненная интенсивность

деформаций, • - эксперимент Рисунок 6.3 - Деформация (образцы 06,9x6,1 мм)

0

2

0,6 0,5 0,4

ч

0)

х 0,3 о

0,2 0,1 0

0,5

1,5 Л!, мм

2,5

логарифмическая деформация,___- осредненная интенсивность

деформаций, • - эксперимент Рисунок 6.4 - Деформация (образцы 09,3x8,1 мм)

0

1

2

3

1400 1200 1000 « 800 О) 600

400 200 0

•у* ■ Г

в" "" **

✓ / /

/ / / /

/ / /

0 0,5

1

1,5 2

Л!, мм

2,5

3

напряжение течения,___- осредненная интенсивность напряжении,

• - эксперимент Рисунок 6.5 - Напряжение (образцы 06,9x6,1 мм)

Л!, мм

- напряжение течения,___- осредненная интенсивность напряжении,

• - эксперимент Рисунок 6.6 - Напряжение (образцы 09,3x8,1 мм)

Учитывая неравномерность НДС образца, необходимо пояснить что подразумевается под терминами сила, напряжение течения, логарифмическая деформация, а также интенсивность напряжении и деформации при интерпретации результатов расчетов. Под термином сила (Р) подразумевается удвоенная сумма проекции на ось У всех узловых усилий в поперечном

сечении кольцевого образца, образованном плоскостью Х07 (см. рисунок 3.7). Напряжение течения представляет собой отношение силы (Р) к удвоенному значению текущей площади поперечного сечения кольцевого образца, образованного плоскостью Х07. Логарифмическая деформация вычисляется как логарифм отношения начальной площади поперечного сечения кольцевого образца, образованного плоскостью Х07, к ее текущему значению. Осредненная по сечению интенсивность напряжений - отношение суммы интенсивностей напряжений (по Мизесу [94]) в узлах, умноженных на соответствующие им площади, к площади поперечного сечения. Осредненная по сечению интенсивность пластических деформаций - отношение суммы интенсивностей пластических деформаций (по Мизесу [94]) в узлах, умноженных на соответствующие им площади, к площади поперечного сечения.

Из приведенных на рисунках 6.3 - 6.6 данных видно, что после распрямления кольца (при перемещении захвата более 1,5 мм для колец 06,9x6,1 мм и 1,75 мм для колец 09,3x8,1 мм), значение логарифмической деформации практически совпадает с осредненной по сечению интенсивностью деформации. Напряжение течения, которое, по сути, является осредненным по сечению значением ау, совпадает с осредненной по сечению интенсивностью напряжений. Небольшое расхождение напряжений в области больших пластических деформаций (при перемещении захвата более 2 мм для колец 06,9x0,4 мм и 2,25 мм для колец 09,3x0,6 мм) обусловлено локализацией деформации в области шейки и, следовательно, трехосным напряженным состоянием. Таким образом, можно сделать вывод, что, несмотря на неоднородность НДС в пределах рабочей длины кольцевого образца, определение характеристик механических свойств по машинной диаграмме корректно за исключением области, предшествующей окончательному распрямлению кольца.

Выводы по главе 6

Расчетное моделирование кольцевых образцов стали ЭК-181 позволило сделать следующие выводы:

1. Соответствие расчетных и экспериментальных диаграмм деформирования подтверждает корректность заложенных в расчет кривых упрочнения, полученных на кольцевых образцах. Таким образом подтверждается, что полученные кривые упрочнения являются истинными диаграммами деформирования.

2. Совпадение расчетных значений осредненной интенсивности деформации со значениями логарифмической деформации, а также совпадение значений осредненной интенсивности напряжений со значениями напряжения течения в совокупности с первым выводом подтверждает возможность определения характеристик прочности и пластичности материалов по машинной диаграмме деформирования кольцевого образца на цилиндрических опорах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Обзор доступной автору литературы показал отсутствие универсальной отечественной методики определения характеристик механических свойств материалов оболочек твэлов по результатам испытаний кольцевых образцов на растяжение. Анализ методик проведения и обработки данных таких испытаний, приведенных в стандартах отдельных предприятий, позволил выявить ряд систематических погрешностей, приводящих к ошибкам в оценке характеристик механических свойств.

2. Установлено, что систематическая погрешность определения характеристик механических свойств по результатам испытаний кольцевых образцов в существующих стандартах вызвана неучетом остаточной деформации, вызванной распрямлением кольца, некорректным способом определения рабочей длины образца, а также ошибочным предположением, что линейный участок диаграммы деформирования является участком упругого нагружения, в то время как линейный участок диаграммы испытаний кольцевых образцов связан не только с упругим деформированием, но и с пластической деформацией, связанной с распрямлением кольца.

3. Исследования показали, что обработка результатов механических испытаний кольцевых образцов по стандартному методу, предписанному ГОСТ 1497-84 и используемому в существующих в настоящее время стандартах, приводит к заметной переоценке условного предела текучести (в среднем на 13 % для стали ЭК-181 и 9 % для сплава Э110) и заметной недооценке относительного равномерного удлинения (более 50 %) и остаточного удлинения после разрыва.

4. По результатам проведенных механических испытаний получены зависимости напряжения течения стали ЭК-181 от величины пластической деформации и скорости деформации при комнатной температуре, а также описана зависимость напряжения течения сплава Э110 от величины истинной

пластическои деформации в тангенциальном направлении при комнатнои температуре.

5. На основе обобщения литературных данных экспериментальных исследовании установлена зависимость степени упрочнения стали ЭК-181 от величины условного предела текучести.

6. С использованием полученных истинных диаграмм деформирования установлена зависимость рабочеи длины кольцевого образца от его размеров, а также размеров опор. Показано, что погрешность определения рабочеи длины по предложеннои зависимости не превышает 16,5 %.

7. Установлена зависимость остаточнои деформации, накопленнои вследствие распрямления кольца, от размеров образца и опор, и предложено уравнение, описывающее эту зависимость. При этом выявлено, что приближение диаметра опор к внутреннему диаметру кольцевого образца приводит к уменьшению накопленнои пластическои деформации. Погрешность определения накопленнои деформации по предложенному уравнению не превышает 14 % (относительных). Практически для всех наборов данных, величина этои пластическои деформации превышает допуск при определении предела текучести 0,2 %, что свидетельствует о невозможности корректного определения условного предела текучести с допуском 0,2 % по диаграмме деформирования кольцевого образца стандартным способом.

8. Полученные результаты позволили сформулировать метод определения характеристик прочности и пластичности по результатам испытании кольцевых образцов материалов оболочек твэлов на растяжение. Отклонения значении характеристик механических своиств, полученных на кольцевых образцах по предлагаемому методу, от значении, полученных на образцах другого типа, не превышают 3 %, что значительно меньше разброса экспериментальных данных. Значения относительного удлинения после разрыва сплава Э110, полученные по предложенному методу на кольцевых образцах, хорошо согласуются с данными других исследователей

9. Проведенное расчетное моделирование подтверждает корректность заложенных в расчет кривых упрочнения, полученных на кольцевых образцах. Таким образом, подтверждено, что полученные кривые упрочнения являются истинными диаграммами деформирования. Удовлетворительное согласование расчетных значений осредненной интенсивности деформации со значениями логарифмической деформации, а также совпадение значений осредненной интенсивности напряжений со значениями напряжения течения в совокупности с выводом о корректности кривых упрочнения подтверждает возможность определения характеристик прочности и пластичности материалов по машинной диаграмме деформирования кольцевого образца на цилиндрических опорах.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЭС - атомная электростанция;

МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии; ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор; БН - энергетический реактор на быстрых нейтронах с натриевым

теплоносителем;

MOX- - (англ. Mixed-oxide fuel) ядерное топливо, содержащее несколько топливо

видов оксидов делящихся материалов; АЗ - активная зона ядерного реактора;

ЕГРСИ - единый государственный реестр средств измерений; ТВЭЛ - твэл, тепловыделяющий элемент; ТВС - тепловыделяющая сборка;

РУ - реакторная установка;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

ТТО - традиционная термическая обработка;

ТМО - термомеханическая обработка;

УЗО - ультразвуковая обработка;

МНК - метод наименьших квадратов;

КЭ - конечный элемент;

МКЭ - метод конечных элементов;

ФЦП - федеральная целевая программа;

ASTM - (англ. American Society for Testing and Materials) американское

общество по испытанию материалов; CEA - (фр. Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives)

комиссариат по атомной и альтернативным видам энергии; JAEA - (англ. Japan Atomic Energy Agency) японское агентство по атомной энергии;

PWR - (англ. Pressurized water reactor) реактор с водой под давлением;

KAERI - (англ. Korea Atomic Energy Reserch Institute) корейский

исследовательский институт атомной энергии; PSU - (англ. Pennsylvania State University) университет штата

Пенсильвания;

ANL - (англ. Argonne National Laboratory) Аргоннская национальная

лаборатория;

НТРО - низкотемпературное радиационное охрупчивание;

ГПУ - гексагональная плотная упаковка;

ОЦК - объемно-центрированная кубическая решетка.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прогноз развития энергетики мира и России до 2040 года / под ред. A.A. Макарова, Л.М. Григорьева, T.A. Митровой; ИНЭИ РAН-AЦ при Правительстве РФ. - 2G14. - 173 с.

2. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г, №1715-р.

3. CO2 emissions from fuel combustion. IBA Publication. [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://webstore.iea.org/co2-emissions-from-fuel-combustion-2G19-highlights.

4. Тупаева, A.Q Традиционная энергетика и проблемы развития в современных условиях. / A.Q Тупаева // Вестник Казанского техн. ун-та. -2G13. - Т. 16. - № 6. - С. 269-2V1.

5. Преимущества атомной энергетики. Госкорпорация «Росатом». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rosatom.ru/about-nuclear-industry/preimushchestva-atomnoy-energetiki/index.php?sphrase_id=98112

6. Госкорпорация «Росатом». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rosatom.ru/journalist/interview/kirienko-rf-stala-pervoy-kto-realno-postroil-aes-po-postfukusimskim-trebovaniyam/

V. International Atomic Energy Agency. Nuclear Power Reactors in the World, Reference Data Series No. 2, 2G19 edition. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/RDS_2-39_web.pdf

8. International Atomic Energy Agency. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https : //www.iaea.org/pris/

9. Сараев, О.М. Опыт эксплуатации и перспективы дальнейшего развития быстрых натриевых реакторов / О.М. Сараев, Н.Н Ошканов, A.B. Зродников [и др]. // Aтомная энергия. - 2G1G. - Т. 108. - Вып. 4. - С. 191-197.

10. Информационное агентство «Оружие России». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.arms-expo.ru/news/novye razrabotki/boris vasilev tolko_rossiya_sposobna_vnedryat_reaktory_dlya_aes_budushchego/

11. Никулина, А.В. Цирконий-ниобиевые сплавы для элементов активных зон реакторов с водой под давлением / А.В. Никулина // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2003. - № 8. - С. 7-13.

12. Глушкова, Н.В. Изменение характеристик тонкой структуры стали ЧС-68 при нейтронном облучении / Н.В. Глушкова, В.А. Цыгвинцев, А.В Козлов [и др.] // В сб.: Аннотации докладов одиннадцатого Междунар. уральского семинара «Радиационная физика металлов и сплавов». - 2015. - С. 36-37.

13. Панченко, В.Л. Особенности структурно-фазовых превращений в ферритно-мартенситных сталях при высокотемпературном нейтронном облучении/ В.Л. Панченко, М.В. Леонтьева-Смирнова, А.А Никитина [и др.] // В сб.: Аннотации докладов одиннадцатого Междунар. уральского семинара «Радиационная физика металлов и сплавов». - 2015. - С. 53-54.

14. Козлов, А.В. Связь энергии миграции вакансий в аустенитных сталях с их стойкостью к радиационному распуханию / А.В. Козлов, И.А. Портных, О.И. Асипцов [и др.] // В сб.: Аннотации докладов одиннадцатого Междунар. уральского семинара «Радиационная физика металлов и сплавов». - 2015. -С. 41 - 42.

15. ГОСТ 10006-80. Трубы металлические. Метод испытаний на растяжение. - М.: Стандартинформ, 2006. - 12 с.

16. Кобылянский Г.П., Новоселов А.Е. Радиационная стойкость циркония и сплавов на его основе: справочные материалы по реакторному материаловедению / Под ред. Цыканова В.А. - Димитровград.: ГНЦ РФ НИИАР. - 1996. - 176 с.

17. МК_10.57/03. Испытание тонкостенных трубчатых образцов внутренним давлением твердого заполнителя. Методика выполнения измерений. - ОАО ИРМ, 2010. - 20 с.

18. Grigoriev, V. Advanced techniques for mechanical testing of irradiated cladding materials / V. Grigoriev, R. Jacobsson, D. Schrire. International Atomic Energy Agency. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/ Public/33/018/33018365.pdf

19. ОИ 001.325-2006. Методика выполнения испытаний для определения характеристик механических свойств при растяжении образцов труб в поперечном направлении из сплавов циркония. - АО ВНИИНМ, 2006. - 30 с.

20. СТП 086-288-99. Оболочки облученных и необлученных твэлов. Методика выполнения измерений характеристик механических свойств при растяжении кольцевых образцов из тонкостенных труб из стали и сплавов. -ГНЦ РФ НИИАР, 1999. - 18 с.

21. МК_10.13/03. Определение характеристик механических свойств при растяжении образцов продукции из конструкционных материалов. - ОАО ИРМ, 2009. - 26 с.

22. Мосин, А.М. Изменение физико-механических свойств оболочек твэлов из сталей ЭК164 и ЧС68 после эксплуатации в реакторе БН-600 в течение четырех микрокомпаний / А.М. Мосин, М.В. Евсеев, И.А. Портных [и др.] // Материалы и ядерная энергетика. - 2011. - № 1. - С.224-230.

23. Евсеев, М.В. Разупрочнение и охрупчивание стали ЭК164 при высокодозном нейтронном облучении / М.В. Евсеев, И.А. Портных, А.В. Козлов [и др.] // В сб.: Аннотации докладов десятого Междунар. уральского семинара «Радиационная физика металлов и сплавов» - 2013. -С. 45-47.

24. Лошманов, Л.П. Образец для исследований деформационного поведения материала оболочки твэла реактора типа ВВЭР в тангенциальном направлении / Л.П. Лошманов, П.В. Федотов, А.В. Салатов [и др.] // В сб.: Аннотации докладов Научной сессии МИФИ-2007. -М.: МИФИ, 2007. - Т. 8. - С. 141-143.

25. Гурович, Б.А. Фазовые превращения в облученном сплаве 42ХНМ после отжигов при повышенных температурах, а также после быстрого отжига, имитирующего условия максимальной проектной аварии [электронный ресурс]

/ Б.А. Гурович, А.С. Фролов, Д.А. Мальцев и др. // ГНЦ НИИАР. - 2019. -Режим доступа: http://www.niiar.ru/sites/default/files/safety20/10 2019- 42hnm-gurovich niiar.pdf

26. Le Saux, M. A model to describe the anisotropic viscoplastic mechanical behavior of fresh and irradiated Zircaloy-4 fuel claddings under RIA loading conditions / M. Le Saux, J. Besson, S. Carassou et al. // Journal of nuclear materials. - 2008. - Vol. 378. - P. 60-69.

27. ГОСТ 19040-81. Трубы металлические. Метод испытания на растяжение при повышенных температурах. - М.: Издательство стандартов, 2002. - 12 с.

28. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. - М.: Стандартинформ, 2005. - 24 с.

29. ASTM E 8/E8M-09 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials.

30. ASTM E 21-09 Standard Test Methods for Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials.

31. Kim, S.K. Mechanical property evaluation of high burn-up nuclear fuel cladding using the ring tensile test / S.K. Kim, J.G. Bang, D.H. Kim et al. // Metals and materials international. - 2009. - Vol. 15. - № 4. - P. 547-553.

32. Kiraly, M. Evaluation of axial and tangential ultimate tensile strength of zirconium cladding tubes / M. Kiraly, D. M. Antok, L. Horvath et al. // Nuclear engineering and technology. - 2018. - Vol. 50. - P. 425-431.

33. Shinozaki, T. Improved-EDC tests on the Zircaloy-4 cladding tube with an outer surface pre-crack / T. Shinozaki, Y. Udagawa, T. Mihara et al. // Journal of nuclear science and technology. - 2015. - Vol. 53. - № 9. - P. 1426-1434.

34. Desquines, J. The issue of stress state during mechanical tests to assess cladding performance during a reactivity-initiated accident (RIA) / J. Desquines, D.A. Koss, A.T. Motta et al. // Journal of nuclear materials. - 2011. - P. 250-267.

35. GRIGORIEV, V. Experimental evaluation of critical strain energy density for irradiated cladding under simulated RIA conditions / V. Grigoriev, R. Jakobsson, D. Schiref. Proc. of the ENS Topfuel 2001, Stockholm, Sweden (2001).

36. Le Saux, M. High temperature expansion due to compression test for the determination of a cladding material failure criterion under RIA loading conditions / M. Le Saux, C. Poussard, X. Averty et al. // American nuclear society, San Francisco, CA, United States, 2007. P. 526-535.

37. Брюшкова, С.В. Устройство для испытаний трубчатых образцов / С.В. Брюшкова, И.Н. Ковалев, А.В. Козлов и др. // Свид. на полезную модель № 26129. - Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации. - 2000.

38. Goncharov, A.A. Verification of the CLASSS-fem-module included in structure of the RAPTA-5 program on the results of VVER cladding high-speed testing by an internal pressure pulse / A.A. Goncharov, O.A. Nechaeva, A.V. Salatov et al. // 6 International Conference on WWER Fuel Performance, Modelling and Experimental Support. 19-23 September 2005, Albena, Bulgaria. P.521-528.

39. Yvon, P. Development of new techniques to assess the mechanical behavior of Zircaloy-4 during an RIA / P. Yvon, C.S. Catherine, C. Duguay et al. // IAEA-TECD0C-1320. Fuel behavior under transient and LOCA conditions. Proceedings of a technical committee meeting held in Halden, Norway. - 2002. - P. 111-122.

40. Nagase, F. Optimized ring tensile test method and hydrogen effect on mechanical properties of Zircaloy cladding in hoop direction / F. Nagase, T. Sugiyama, T. Fuketa // Journal of nuclear science and technology. - 2012. - Vol. 46 - № 6. - P. 545-552.

41. Nagase, F. Microstructure and mechanical property changes in fuel cladding during RIA-type temperature transients / F. Nagase, T. Sugiyama, T. Fuketa // Nuclear fuel behavior during reactivity initiated accidents. Workshop proceedings. Paris, France. - 2009. - P. 99-111.

42. Link, T.M. Failure of Zircaloy cladding under transverse plane-strain deformation / T.M. Link, D.A. Koss, A.T. Motta // Nuclear engineering and design. - 1998. - Vol. 186. - P. 379-394.

43. Arsene, S. A new approach to measuring transverse properties of structural tubing by a ring test / S. Arsene, J. Bai // Journal of testing and evaluation. - 1996. -Vol. 24. - № 6. - P. 386-391.

44. Arsene, S. A new approach to measuring transverse properties of structural tubing by a ring test - experimental investigation / S. Arsene, J. Bai // Journal of testing and evaluation. - 1998. - Vol. 26. - P. 26-30.

45. Josefsson, B. Modified ring tensile testing and a new method for fracture toughness testing of irradiated cladding / B. Josefsson, V. Grigoriev // Studsvik material AB. - S-611 82. - 1996. - 10 p.

46. Cohen, A.B. Modified ring stretch tensile testing of Zr-1Nb cladding. /

A.B. Cohen, S. Majumdar, W.E. Ruther et al // Summary of paper for 25th Water Reactor Safety Information Meeting, NRC office of Nuclear Regulatory Research, Bethesda, Maryland, October 20-22, 1997.

47. СТП 086-373-99. Методика выполнения измерений при растяжении кольцевых образцов тонкостенных труб из циркониевых сплавов. - ГНЦ РФ НИИАР, 1999. - 24 с.

48. ОИ 95.01.49-76. Механические испытания на растяжение кольцевых образцов из циркония и его сплавов. Технологическая инструкция. - 1976. -9 с.

49. Неклюдов, И.М. Особенности определения характеристик пластичности кольцевых образцов из циркониевых сплавов в поперечном направлении / И.М. Неклюдов, Л.С. Ожигов, В.И. Савченко и др. // Проблемы прочности. 2001. - № 2. - С. 137-141.

50. Прохоров, В.И. Экспериментальное определение рабочей длины кольцевых образцов из оболочек твэлов при поперечном растяжении. /

B.И. Прохоров, А.Г. Финько, Р.И. Минеев // Препринт НИИАР П-23(317), 1977. - 24 с.

51. ОСТ 95 992-83. Оболочки облученных и необлученных ТВЭЛОВ. Методы испытаний материалов, 1983. - 10 с.

52. Солонин, М.И. Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь / М.И. Солонин, А.Г. Иолтуховский, М.В. Леонтьева-Смирнова [и др.]. Патент RU 2211878, 2003.

53. Полехина, Н.А. Влияние температуры отпуска на фазовые превращения в ферритно-мартенситной 12%-ной хромистой стали ЭК-181 / Н.А. Полехина, И.Ю. Литовченко, А.Н. Тюменцев [и др.] // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. - 2014. - Т. 37. - вып. 1. - С. 34-40.

54. Леонтьева-Смирнова, М.В. Микроструктура и механические свойства малоактивируемой ферритно-мартенситной стали ЭК-181 (КШЕЕК-ЕК-181). / М.В. Леонтьева-Смирнова, А.Н. Агафонов, Г.Н. Ермолаев [и др.] // Перспективные материалы. - 2006. - № 6. - С.40-52.

55. Тюменцев, А.Н. Особенности микроструктуры ферритно-мартенситной (12% Сг) стали ЭК-181 после термообработок по разным режимам / А.Н. Тюменцев, В.М. Чернов, М.В. Леонтьева-Смирнова [и др.] // Журнал технической физики. - 2012. - Т. 82. - вып. 1. - С. 52-58.

56. Литовченко, И.Ю. Влияние режимов термообработки на микроструктуру и механические свойства жаропрочной ферритно-мартенситной 12%-ной хромистой стали ЭК-181 / И.Ю. Литовченко, Н.А. Полехина, А.Н. Тюменцев, [и др.] // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. - 2014. - Т. 37. - вып. 1. - С. 41-46.

57. Леонтьева-Смирнова, М.В. Структурные особенности жаропрочных 12%-ных хромистых сталей с быстрым спадом активности. / М.В. Леонтьева-Смирнова, А.Г. Иолтуховский, В.М. Чернов [и др.] // ВАНТ. Сер. Материаловедение и новые материалы. - 2004. - Т. 63 - вып. 2.- С. 142-155.

58. Панин, А.В. Повышение прочностных характеристик конструкционной стали ЭК-181 на основе многоуровневого подхода физической мезомеханики / А.В. Панин, М.В. Леонтьева-Смирнова, В.М. Чернов [и др.] // Физическая мезомеханика. - 2007. - Т. 10. - №4. - С. 73-86.

59. Панин, А.В. Влияние ультразвуковой обработки на эволюцию микроструктуры ферритно-мартенситной стали в процессе механического нагружения. I. Зона однородной деформации / А.В. Панин, О.Б. Перевалова, Е.А. Синякова // Физика и химия обработки материалов. - 2011. - №4. - С. 8391.

60. Панин, А.В. Влияние облучения ионными пучками 7г+ на структуру и механические свойства стали ЭК-181 / А.В. Панин, Н.А. Ветова, Е.А. Синякова // В сб.: Труды XVIII Международной научно-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск.: Изд-во Томского политех. ун-та, 2012. - Т. 3. - С. 337-338.

61. Панин, А.В. Формирование нанокристаллической структуры в поверхностных слоях стали ЭК-181 в процессе ультразвуковой обработки / А.В. Панин, Е.А. Мельникова, О.Б. Превалова // Физическая мезомеханика. -2009. - Т. 12. - № 2. - С. 83 - 93.

62. Леонтьева-Смирнова, М.В. Определение предела текучести стали ЭК-181 при испытаниях на растяжение кольцевых образцов / М.В. Леонтьева-Смирнова, И.Н. Измалков, А.В. Костюхина [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2016. - Т. 82. - № 10. - С. 56-61.

63. ГОСТ 25.503-97. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. Минск -1999. - 27 с.

64. Фридман, Я.Б. Механические свойства металлов / Я.Б. Фридман // Издание 2-е дополненное и переработанное. Государственное издательство оборонной промышленности. - 1952. - 557 с.

65. Дрейпер, Н. Прикладной регрессионный анализ. В 2 томах. Т.1. / Н. Дрейпер, Г. Смит. - Пер. с англ. Ю.П. Адлера, В.Г. Горского. - М.: Финансы и статистика, 1986. - 369 с.

66. Измалков, И.Н. Механические свойства сплава Э110 при температурах до 1273 К / И.Н. Измалков, Л.П. Лошманов, А.В. Костюхина // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - 2013. - № 2. - С. 64-70.

67. Третьяков, А.В. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании: Карманный справочник / А.В. Третьяков, Г.К. Трофимов, М.К. Курьянова. - М.: Машиностроение, 1971. - 64 с.

68. Зайков, М.А. Режимы деформации и усилия при горячей прокатке / М.А. Зайков. - Свердловск: Металлургиздат, 1960. - 302 с.

69. Полухин, П.И. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник / П.И. Полухин, Г.Я. Гун, А.М. Галкин. - М.: Металлургия, 1983. - 488 с.

70. Никулина, А.В. Цирконий-ниобиевые сплавы для элементов активных зон реакторов с водой под давлением. / А.В. Никулина // Металловедение и термическая обработка металлов - 2003. - № 8. - С. 7-13.

71. Алымов, М.И. Механизмы пластической деформации текстурированного сплава Zr-1%Nb в интервале температур 77-550 К / М.И. Алымов, Г.Н. Ермолаев, П.Ф. Прасолов // В сб. научных трудов МИФИ: Прочность материалов и элементов конструкций атомных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - С. 86-91.

72. Перлович, Ю.А. Изменение структуры и текстуры в объёме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности / Ю.А. Перлович, М.М. Грехов, М.Г. Исаенкова [и др.] // ВАНТ -2004. - № 3. - С. 59-65.

73. Zuev, L.B. Phase Composition, Structure, and Plastic Deformation Localization in Zr1%Nb alloys / L.B. Zuev, S.Y. Zavodchikov, T.M. Poletika et al. // Journal of ASTM International. - 2006. - Vol. 3. - Issue 1- P. 264-274.

74. Shishov, V.N. Influence of Neutron Irradiation on Dislocation Structure and Phase Composition of Zr-Base Alloys / Shishov V.N., Nikulina A.V., Markelov V.A. // Zirconium in the Nuclear Industry: 11th International Symposium ASTM STP

1295 E. R. Bradley and G.P. Sabol editors. American Society of Testing and Materials. West Conshohocken, PA. 1996. - P. 603-622.

75. Шишов, В.Н. Закономерности и механизмы формирования микроструктуры сплавов Zr-Nb-(Fe-Sn-O) и ее эволюции при нейтронном облучении / В.Н Шишов // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, 2012. - 252 с.

76. ТУ95.166-98. Сплавы циркония в слитках - 1998.

77. Панкратов, В.Б. Исследование механических свойств и пластической анизотропии сплавов Н-1 и Н-2,5 в диапазоне температур 293-1300 К /

B.Б. Панкратов, В.П. Конопленко, П.Ф. Прасолов // Сб. науч. трудов. Пластичность, прочность и сопротивление разрушению материалов и элементов ядерных энергетических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -

C. 101-107.

78. Пирогов, Е.Н. Механизм сверхпластичности циркониевого сплава Н-1 / Е.Н. Пирогов, Ю.А. Перлович, М.Г. Исаенкова [и др.] // Атомная энергия. -1987. - № 2. - С. 142-144.

79. Нечаева, О.А. Универсальная модель пластического деформирования циркониевых сплавов в условиях проектных аварий реакторов ВВЭР / О.А. Нечаева, П.В. Федотов, Л.П. Лошманов [и др.] // В сб.: труды 4-й Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». - 2005.

80. Федотов, П.В. Деформационное упрочнение сплава Э110 / П.В. Федотов, Л.П. Лошманов, А.В. Костюхина // Металлы. - 2012. - № 5. - С. 88-93.

81. Федотов, П.В. Изотропность деформационного упрочнения сплава Э110 при статическом и высокоскоростном магнитно-импульсном нагружении / П.В. Федотов, Л.П. Лошманов, А.В. Костюхина [и др.] // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - 2012. - № 3. - С. 164-170.

82. Федотов, П.В. Пластическое течение сплава Э110 в а-области / П.В. Федотов, Л.П. Лошманов, А.В. Костюхина // Ядерная физика и инжиниринг. - 2012. - Т. 3. - № 6. - С. 507-513.

83. Федотов, П.В. Деформирование сплава Э110 в а-области / П.В. Федотов, Л.П. Лошманов, А.В. Костюхина // Деформация и разрушение материалов. -2013. - № 2. - С. 29-35.

84. Лошманов, Л.П. Учет влияния концентрации кислорода в циркониевых сплавах при описании их деформационного поведения аналитическими функциями / Л.П. Лошманов, П.В. Федотов // В сб.: Аннотации докладов Научной сессии МИФИ-2004. - М.: МИФИ, 2004. - Т.8. - С. 142-143.

85. ГОСТ 28840-90. Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. - М.: Издательство стандартов, 2003. - 8 с.

86. Фридман, Я.Б. Механические свойства металлов. В 2-х частях / Я.Б. Фридман. Издание 3-е переработанное и дополненное. - М.: Машиностроение. 1974. Часть 2. - 368 с.

87. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в 3-х томах. Под ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. Т. 1. - М.: Машиностроение, 1968. - 323 с.

88. Костюхина, А.В. Зависимость напряжения течения стали ЭК-181 от скорости деформации и величины пластической деформации/ А.В. Костюхина, М.В .Леонтьева-Смирнова, И.Н. Измалков [и др.] // Металлы. - 2017. - №4. -С. 43-45.

89. ГОСТ Р ИСО 16269-6-2005. Статистические методы. Статистическое представление данных. Определение статистических толерантных интервалов. - М.: Стандартинформ, 2006. - 28 с.

90. Длин, А.М. Математическая статистика в технике / А.М. Длин. - М.: Советская наука, 1958. - 466 с.

91. Третьяков, А.В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. 2-е изд. / А.В. Третьяков, В.И. Зизин. - М.: Металлургия, 1973. - 224 с.

92. Крагельский, И.В. Коэффициенты трения. Справочное пособие / И.В. Крагельский, И.Э. Виноградова. - М.: Машгиз, 1962. - 220 с.

93. Котов, А.Г. САПР изделий из композиционных материалов. Моделирование процессов деформирования и разрушения в среде ANSYS: учеб. пособие / А.Г. Котов. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. -351 с.

94. Морозов, Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения. / Е.М. Морозов, А.Ю. Муйземнек, А.С. Шадский. - М.: ЛЕНАНД, 2010. - 456 с.

Приложение А Акт об использовании результатов работы

фШШМ

- J имени А А Ьочвара

ПРЕДПРИЯТИЕ ГОСКОРПОРАЦИИ «РОСАТОМ» Акционерное общество «Высокотехноло!ический научно-

нсслсдова те.зьскнн циститу! неорганических материалов имени академика A.A. Ьочвара» (АО «ВНИИНМ»)

ул. Рогова, л. 5а. Москва, 123098 телефон: [phone] факс: [phone] e-mail: [e-mail] http-jVwvvw bochvarni

АКТ

об использования результатов диссертационной работы Костюхиной Анастасии Владимировны «Механические свойства и деформационное повеление материалов оболочек твэлов энергетических реакторов по результатам испытаний кольцевых образцов на растяжение»

Результаты диссертационной работы Костюхиной A.B. в части определения рабочей длины кольцевых образцов, а также оценки накопленной в процессе их распрямления пластической деформации, использованы в АО «ВНИИНМ» для обоснования необходимости исследований по уточнению существующих методик испытаний кольцевых образцов.

Предложенный Костюхиной A.B. расчетно-эксперимснтальный метод определения характеристик прочное™ и пластичности по результатам испытаний кольцевых образцов материалов оболочек твэлов на растяжение планируется использовать при разработке уточненной методики испытаний.

Заместитель

1енсрального директора -директор отделения

М.В. Скупов

Приложение Б Истинные диаграммы деформирования

1200

с? 1100

§ 1000 I

1% 800 z 0)

^ 700 ™ 600 500

0,001 0,01 0,1 1 Истинная деформация, отн. ед.

Рисунок Б.1 - Истинная диаграмма деформирования трубчатых образцов 06,9x6,1 мм (партия 1) стали ЭК-181 при растяжении со скоростью 8,3 10-4 с-1

• >

.1

1

1

1000

500

0,001

0,01 0,1

Истинная деформация, отн. ед.

Рисунок Б.2 - Истинная диаграмма деформирования трубчатых образцов

-3 -1

06,9x6,1 мм (партия 2) стали ЭК-181 при растяжении со скоростью 8,7-10- с

| 1000

I 900

ф

х

Ф

|- 800 ф

^ 700

к о.

ш 600

500

0,001 0,01 0,1 Истинная деформация, отн. ед.

Рисунок Б.3 - Истинная диаграмма деформирования трубчатых образцов 06,9x6,1 мм (партия 2) стали ЭК-181 при растяжении со скоростью 1,0-10-1 с-1

Рисунок Б.4 - Истинная диаграмма деформирования трубчатых образцов 06,9x5,9 мм стали ЭК-181 при растяжении со скоростью 8,9-10-5 с-1

1200 ,2 1100

к 1000

X Ф

900

800 700 600

500 0,001

9

1

1 ••

0,01 0,1 1 Истинная деформация, отн. ед.

Рисунок Б.5 - Истинная диаграмма деформирования трубчатых образцов 06,9x5,9 мм стали ЭК-181 при растяжении со скоростью 7,8-10-4 с-1

Рисунок Б.6 - Истинная диаграмма деформирования трубчатых образцов

-5 1

06,9x5,9 мм стали ЭК-181 при растяжении со скоростью 9,6-10- с-