Optimization of design solutions of protective structures of erections of nuclear power stations

Full Text

Введение Объекты ядерной энергетики и прежде всего атомные станции (АС) относятся к наиболее сложным и потенциально опасным инженерным сооружениям. Поэтому задача по разработке оптимизированных проектных решений для обеспечения их ядерной и радиационной безопасности, в том числе при экстремальных воздействиях, является чрезвычайно актуальной. Особое место среди сооружений, подверженных воздействию интенсивных динамических нагрузок: от осколков технологического оборудования, при аварийных режимах; воздействий предметов, образующихся при природных явлениях, таких как ураган, смерч и т. д.; случайного удара падающих предметов, в частности летательных аппаратов и их частей, занимают сооружения энергетического назначения, к которым предъявляются особенно высокие требования в отношении надежности и безопасности при аварийных режимах и стихийных бедствиях. Системно изложены современные отечественные и международные достижения по рассматриваемой тематике, а также современные требования, методы по расчету и проектированию сооружений атомных станций, позволяющие обеспечить их безопасную эксплуатацию при соударении с летящими предметами. В общем объеме задач современного строительства важное место отводится разработке методов расчета сооружений при динамических воздействиях. В соответствии с рекомендациями международного агентства по атомной энергетике (МАГАТЭ)[15] установлены жесткие требования относительно вероятности тяжелого повреждения активной зоны ядерного реактора, которая не должна превышать 1×10-5 на реактор в год. Вероятность выхода радиоактивных веществ за пределы герметичной оболочки не должна превышать 1×10-7 1/год. Радиационное воздействие АС на население и окружающую среду не должно превышать 1 % дозы, получаемой от источников естественной радиации. Воздействия от падения самолета определяются из числа возможных наиболее неблагоприятных событий редкой повторяемости 1×10-7 1/год[16]. Расчетные параметры экстремальных нагрузок и воздействий природного происхождения, то есть температура, снег, ураган, смерч определяются повторяемостью один раз за 10 000 лет[17]. Оценка локальной прочности наружной железобетонной защитной оболочки из бетона различных типов при падении самолета В настоящее время в реакторных отделениях атомных станций реализуются двойные защитные оболочки. При этом функционально определяющим воздействием для установления технических параметров наружной защитной оболочки современных сооружений атомных станций являются нагрузки от падающего самолета. По экспериментально обоснованной методике [1] выполняется оценка прочности купола защитной оболочки, изготовленной из бетона марки B30, высокопрочного порошкового бетона и сталефибробетона, при падении военного самолета типа «Фантом», рекомендованного МАГАТЭ[18]. Площадь приложения нагрузки при наружной поверхности оболочки равна 14 м2. Максимальное значение силы соударение равно Pmax = 11×104 кН. Расчетные прочностные характеристики высокопрочного порошкового бетона и сталефибробетона, полученные по результатам испытаний [1], обобщены в табл. 1. Таблица 1 Расчетные характеристики различных типов бетона Расчетные показатели Материал Бетон обычный марки B30 Высокопрочный порошковый бетон Сталефибробетон Кубиковая прочность, МПа - 139,0 157,4 Призменная прочность на сжатие, МПа 17,0 130,6 149,7 Прочность на растяжение при изгибе, МПа 1,15 11,97 20,80 Прочность на осевое растяжение, МПа - 4,97 7,00 Начальный модуль деформации при сжатии, МПа 32 500 44 700 45 700 Среднее значение предельной деформации при сжатии 200×10-5 327×10-5 384×10-5 Table 1 Design characteristics of various types of concrete Design values Material Standard concrete of grade B30 High-strength powder concrete Steel fibre reinforced concrete Cube strength, MPa - 139.0 157.4 Prism strength, MPa 17.0 130.6 149.7 Tensile strength in bending, MPa 1.15 11.97 20.80 Axial tension strength, MPa - 4.97 7.00 Initial modulus of deformation, MPa 32 500 44 700 45 700 Average value of ultimate compression strain 200×10-5 327×10-5 384×10-5 Оценка прочности защитной оболочки из обычного бетона Исходные данные: - начальный модуль деформации бетона марки В30 - расчетные сопротивления бетона марки В30: - модуль упругости арматуры - n = ; - расчетные значения сопротивления арматуры класса А500: - радиус кривизны оболочки R = 26 м; - толщина оболочки: h = 0,6 м; - толщина защитного слоя - коэффициент армирования - площадь поперечного сечения конструкции единичной ширины - номинальный диаметр стержней продольной и поперечной арматуры соответственно: - и - шаг хомутов по меридиональным и по кольцевым направлениям; - - расчетное сопротивление поперечной арматуры; dx - диаметр сечения поперечной арматуры; - - площадь сечения поперечной арматуры. Далее последовательно определим: (1) (2) Установим несущую способность защитной оболочки: Модуль вектора внешней нагрузки Рраз, при которой конструкция по изложенной схеме полностью исчерпывает несущую способность, запишем в виде Следовательно, в данном случае при падении самолета на защитную оболочку произойдет пробивание. Максимальное значение внешней силы в 3,2 раза превышает несущую способность защитной оболочки. Выполним проверку прочности защитной оболочки при h = 1,2 м, то есть увеличив толщину в 2 раза. Толщина наружной защитной оболочки h = 1,2 м соответствует проекту АС с ВВЭР-1200. Определим те расчетные параметры, которые претерпевают изменения: Вычислим несущую способность защитной оболочки: Модуль вектора внешней нагрузки Рраз, при которой конструкция по изложенной схеме полностью исчерпывает несущую способность: Следовательно, в данном случае при падении самолета прочность защитной оболочки на пробивание обеспечена. Несущая способность защитной оболочки в 1,59 раза превышает максимальное значение внешней силы соударения. Оценка прочности защитной оболочки из высокопрочного порошкового бетона Исходные данные [1]: - начальный модуль деформации бетона - расчетные сопротивления бетона марки В30: - модуль упругости арматуры - - расчетные значения сопротивления арматуры класса А500: - радиус кривизны оболочки R = 26 м; - толщина оболочки: h = 0,6 м; - толщина защитного слоя - коэффициент армирования - площадь поперечного сечения конструкции единичной ширины - номинальный диаметр стержней продольной и поперечной арматуры соответственно: - и - шаг хомутов по меридиональным и по кольцевым направлениям; - - расчетное сопротивление поперечной арматуры; dx = 25 мм - диаметр сечения поперечной арматуры; - - площадь сечения поперечной арматуры. Определим несущую способность защитной оболочки: Модуль вектора внешней нагрузки Рраз, при которой конструкция по изложенной схеме полностью исчерпывает несущую способность, определим по формуле Следовательно, в данном случае при падении самолета на защитную оболочку прочность конструкции на пробивание с большим запасом обеспечена: в 2,68 раза. Оценка прочности защитной оболочки из сталефибробетона Исходные данные [1; 2]: - начальный модуль деформации бетона - расчетные сопротивления сталефибробетона: - модуль упругости арматуры - n = - расчетные значения арматуры класса А500: - радиус кривизны оболочки R = 26 м; - толщина оболочки: h = 0,6 м; - толщина защитного слоя - коэффициент армирования - площадь поперечного сечения конструкции единичной ширины - номинальный диаметр стержней продольной и поперечной арматуры соответственно: - и - шаг хомутов по меридиональным и по кольцевым направлениям; - - расчетное сопротивление поперечной арматуры; - диаметр сечения поперечной арматуры; - - площадь сечения поперечной арматуры. Далее последовательно определяется Установим несущую способность защитной оболочки: Модуль вектора внешней нагрузки Рраз, при которой конструкция по изложенной схеме полностью исчерпывает несущую способность: Следовательно, в данном случае при падении самолета на защитную оболочку прочность конструкции на пробивание с большим запасом обеспечена: в 3,97 раза. В табл. 2 обобщены результаты расчетов прочности защитной оболочки из различных материалов при падении самолета типа «Фантом». Таблица 2 Обобщение результатов расчетов локальной прочности купольной части защитной оболочки из различных материалов при падении самолета типа «Фантом» Толщина стенки оболочки, h, м Материал Максимальное значение силы соударение, 105 кН Несущая способность, P1max, 105 кН 0,6 Бетон марки B30 1,1 0,34359 1,2 Бетон марки B30 1,1 1,75338 0,6 Высокопрочный порошковый бетон 1,1 2,951332 0,6 Сталефибробетон 1,1 4,36464 Table 2 Summary of the results of calculations of the local strength of the dome part of the protective shell made of various materials during the fall of a “Phantom” aircraft Shell plate thickness, h, м Material Maximum value of projectile force, 105 KN Capacity, P1max, 105 KN 0.6 Concrete of grade B30 1.1 0.34359 1.2 Concrete of grade B30 1.1 1.75338 0.6 High-strength powder concrete 1.1 2.951332 0.6 Steel fibre reinforced concrete 1.1 4.36464 Представленные в табл. 2 результаты расчетов показывают, что прочность оболочки, изготовленной из бетона марки B30 с толщиной h = 0,6 м, является недостаточной. Во всех других рассматриваемых случаях условие прочности оболочки выполняется с большим запасом. При этом, как показывают результаты расчетов, при идентичных исходных данных в случае замены обычного бетона класса B30 на высокопрочный порошковый бетон прочность защитной оболочки возрастает в Представленные в табл. 2 результаты расчетов подтверждают, что при идентичных исходных данных в случае замены обычного бетона класса B30 на сталефибробетон прочность защитной оболочки возрастает в Заключение Представленные результаты расчетов подтверждают широкие возможности совершенствования конструктивных решений защитных оболочек путем реализации инновационных материалов, позволяющих существенно экономить материальные ресурсы при одновременном повышении надежности и безопасности сооружений в атомной энергетике.

About the authors

Akop E. Sargsyan

JSC “Atomenergoproekt”

Author for correspondence.
Email: akop_sargsyan@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4158-452X

Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of the International Academy of Informatization of the United Nations, chief technical expert, JSC “Atomenergoproekt”

7 Bakuninskaya St, bldg 1, Moscow, 105005, Russian Federation

References

Supplementary files