Расчет термомеханических напряжений и деформаций в реакторном ампульном устройстве с литиевой керамикой под нейтронным облучением
DOI:
https://doi.org/10.26577/RCPh.2023.v86.i3.05Ключевые слова:
моделирование, литиевая керамика, засыпка из пебблов, деформация, облучениеАннотация
Реакторные эксперименты остаются одним из немногих доступных способов оценки работоспособности перспективных функциональных материалов термоядерных установок в условиях одновременного воздействия нейтронного и гамма-излучений, газовой среды и тепловых нагрузок. Испытания в условиях нейтронного облучения вместе с применением численного моделирования (метода конечных элементов) могут привести к полному пониманию сложного механического поведения упакованных слоев из шариков, связав макроскопический отклик засыпки с микроскопическими взаимодействиями в отдельном шарике.
Целью настоящей работы является описание процедуры и результатов моделирования термомеханических напряжений и деформаций, возникающих в засыпке из керамических шариков и в корпусе облучательного устройства, в котором размещаются исследуемые образцы керамики во время облучения на реакторе ВВР-К (Алматы, Казахстан).
Результаты расчетов показывают, что шарики керамики, плотно засыпанные в капсулу облучательного устройства ВВР-К так, что не имеют возможности перемещаться внутри засыпки, при нагреве до 1073 К будут претерпевать термомеханические нагрузки от 10 до 80 МПа, что превышает предел прочности в 60 МПа керамики Li4SiO4. Доля шариков, нагрузка на которые превысит предел прочности, составит от 5 до 10 % от общего их количества. При этом капсула будет смещаться на 1-2 мм вниз, и расширяться на 200 мкм радиально под воздействием теплового удлинения стальных вакуумных трубок, соединяющих капсулу с монтажным фланцем. Прочность трубок не нарушится.
При некотором значении внешнего давления шарики будут резко перемещаться ("выпрыгивать") в пустую область над засыпкой, снижая давление на оставшиеся шарики. Описать такое поведение в рамках данной модели не представляется возможным. Приведенные расчеты имеют значения для случая уплотненных засыпок литиевой керамики под нейтронным облучением.
Возможным способом избежать потенциального разрушения шариков керамики является снижение толщины стенки капсулы в 2-3раза, что приведет к увеличению пластичности стенок капсулы, снижению давления стенки на засыпку и снижению температуры разогрева капсулы и керамики.
Библиографические ссылки
Y. Someya, K. Tobita, et al., Fusion Engineering and Design 98–99, 1872–1875 (2015).
G. Federici, R. Kemp, et al. Fusion Engineering and Design, 89, 882–889 (2014).
L. Boccaccini, L. Giancarli, et al. Journal of Nuclear Materials, 329–333, 148–155 (2004).
F. Cismondi, S. Kecskés, et al., Fusion Engineering and Design, 84, 607–612 (2009).
F. Hernández, F. Cismondi, B. Kiss, Fusion Engineering and Design, 87, 1111–1117 (2012).
R. Bhattacharyay Fusion Engineering and Design, 89, 1107–1112 (2014).
Q. Cao, F. Zhao, et al., Plasma Science and Technology, 17, 607–611 (2015).
M. Enoeda, H. Tanigawa, et al. Fusion Engineering and Design, 89, 1131–1136 (2014).
D.W. Lee, H.G. Jin, et al., Fusion Engineering and Design, 98–99, 1821–1824 (2015).
A.A. Shaimerdenov, et al., Bulletin of NNC RK, 1, 104-111 (2020). (in Russ.).
COMSOL Multiphysics Simulation Software / Software developers website [Electronic resource]. Access mode: https://www.comsol.com/comsol-multiphysics (Accessed 05/11/2023).
A.M. Akhanov, M.T. Aitkulov, et al., Applied Radiation and Isotopes, 190, 110472 (2022).
S. Pupeschi, M. Moscardini, et al., Fusion Engineering and Design, 134, 11–21 (2018).
S. Pupeschi, R. Knitter, M. Kamlah Fusion Engineering and Design, 116, 73–80 (2017).
Chu Cha-Yang, Bär Kai, et al., Journal of American Ceramic Society, 72 (9),1643-1648 (1989).
