В работе определена предельная несущая способность преднапряжённой оболочки реактора атомной электростанции.

Цель настоящей работы – определение предельной несущей способности внутренней преднапряженной защитной оболочки (контайнмента) здания реактора атомной электростанции (АЭС) под действием аварийных нагрузок выше проектных с учетом нелинейной работы конструкции. Расчет проведен для действия внутренних нагрузок – сочетания нагрузок при аварии с потерей теплоносителя.

Защитная оболочка является элементом здания реактора, представляющего собой сооружение цилиндрической формы со сферическим куполом. Назначение рассматриваемой внутренней оболочки – не допустить выброс радиоактивных материалов во внешнюю среду в случае максимальной проектной аварии, ограничить выбросы в случае запроектных аварий.

Система преднапряжения защитной оболочки (СПЗО) предназначена для обжатия внутренней оболочки здания реактора с целью компенсации растягивающих усилий, возникающих при действии внутреннего избыточного давления в случае аварии. Таким образом, обеспечивается прочность и трещиностойкость железобетонных сечений оболочки при малых процентах армирования железобетона.

Наиболее неблагоприятное сочетание воздействий в особом режиме, включающем проектную аварию, определяется сопоставлением вариантов воздействия температуры и избыточного давления в течение аварии и послеаварийный период. На сегодняшний день наилучшим подходом для надежного определения поведения контайнмента под действием таких нагрузок является нелинейный расчёт методом конечных элементов с помощью современных программных комплексов. Существует ограниченный класс программного обеспечения, который имеет функции, необходимые для моделирования контайнмента, в том числе:

• построение кусочно-линейной кривой “напряжение-деформация” для каждого типа стали;
• моделирование неупругого поведения бетона с разупрочнением.

Конечно-элементная модель контайнмента

Для проведения расчёта в работе создана конечно-элементная (КЭ) модель в программной системе ANSYS. КЭ модель, используемая для расчетов предельной несущей способности контайнмента, имеет следующие характеристики:

• изотропные элементы оболочки (shell elements), моделирующие железобетонное сечение являются многослойными, выделены слои для бетона, арматуры и облицовки;
• учтены нелинейные свойства всех материалов.

Для моделирования преднапряженных пучков использованы основанные на теории балок Тимошенко элементы (beam188) – двухузловые элементы с 6 степенями свободы в каждом узле.

Моделирование бетона, армирования и облицовки проведено с использованием многослойных элементов (shell181) – четырёхузловых оболочечных элементов с 6 степенями свободы в каждом узле. Слои расположены в следующем порядке от внутренней поверхности: облицовка, бетон, арматура, бетон, арматура, бетон.

В модели использован нелинейный материал бетона с критерием прочности Друкера-Прагера, позволяющий учесть отличие пределов прочности бетона при одноосном растяжении и сжатии. Данная модель материала (Drucker-Prager Concrete) однозначно определяется, исходя из диаграммы напряжение-деформация для бетона, а также обеспечивает лучшую сходимость по сравнению с моделями Extended Drucker-Prager, Willam-Warnke и Microplane.

Моделирование пластического поведения материала бетона проведено с помощью модели линейного разупрочнения, обеспечивающей лучшую сходимость по сравнению с моделями экспоненциального и кусочно-линейного разупрочнения бетона. Параметры модели соответствуют экспериментальным диаграммам “относительные напряжения – пластические деформации”.

Для арматуры, облицовки и канатов преднапряжения использованы нелинейные модели материала стали – модели упругого-пластического поведения с билинейным изотропным упрочнением (bilinear isotropic hardening). Параметры данной модели однозначно определяются из экспериментальных диаграмм напряжение-деформация для сталей. Модель обеспечивает лучшую сходимость по сравнению с многолинейной моделью.

В расчете учтены следующие нагрузки:

• преднапряжение пучков путём задания фиктивной температуры;
• внутреннее избыточное давление;
• аварийная температурная нагрузка в элементах оболочки и канатов преднапряжения.

Результаты расчета

В результате расчёта получены значения предельных нагрузок внутренней преднапряженной защитной оболочки здания реактора АЭС под действием аварийных нагрузок выше проектных с учетом нелинейной работы конструкции.

Проведена верификация приближенной аналитической оценкой моментов потери герметичности и несущей способности различными элементами контайнмента.

На основании результатов расчёта сделан вывод о том, что потеря герметичности и несущей способности оболочки с учётом преднапряжения пучков, внутреннего избыточного давления и аварийных температурных нагрузок наступает при давлениях, значительно превышающих проектное избыточное давление.