Анализ безопасности АЭС при падении самолета Гинтаутас Дундулис и Еугениюс Ушпурас Литовский энергетический институт Международная конференция Научно-техническая поддержка при регулировании ядерной и радиационной безопасности 22 Марта, 2012 Киев, Украина

Содержание Введение; Модель конечных элементов; Результаты переходного анализа; Вероятностный анализ разрушения; Анализ тепловой деградации; Резюме и заключение.

3Введение Для оценки безопасности атомных электростанций важно оценить влияние внешних событий, вызванных летающими объектами. Авиакатастрофа или падение других летающих объектов около АЭС представляют очень большую угрозу для станции, включая реактор. Конструкция защитной оболочки защищает реактор от падения самолета, поэтому важно оценить прочность здания реактора в случае авиакатастрофы. Для новых АЭС проектируются двойная защитная оболочка, которая защищает реактор даже от падения больших самолетов. Структурный анализ влияния падения самолёта на защитную оболочку выполняется на: глобальном уровне полуглобальном уровне локальном уровне

4 Введение (1) Явления, вызванные падением самолёта (пожар и воздействие на целостность конструкции) Огненный шар Горящая жидкость на полу Взрыв Вторичные летящие предметы Дым Токсичные газы Проникновение Пробой отверстия Обтесывание Расщепление Глобальное воздействие на конструкцию Вибрации

5 Введение (2) Принимая во внимание опасность падения самолета на безопасность АЭС был выполнен структурный анализ целостности зданий Игналинской АЭС при воздействии динамических и тепловых нагрузок, а также вероятностный анализ для оценки глобального повреждения зданий Игналинской АЭС. Для анализа структурной целостности зданий Игналинской АЭС использован компьютерный код NEPTUNE. Для вероятностного анализа была разработана методология, в которой вероятностные методы были интегрированы с детерминистическим моделированием, основанном на нелинейном конечно-элементном динамическом анализе. Выполнен анализ тепловой деградация прочности конструкций здания Игналинской АЭС при воздействии тепловой нагрузки, вызванной горением авиационного топлива на крыше. Для анализа использован метод конечных элементов (компьютерные коды TEMP-STRESS и NEPTUNE).

6 Модель Конечных Элементов В компьютерном коде NEPTUNE для моделирования железобетона использован четырехузловой четырехсторонний плоский элемент, разработанный Белычко. Сечение перекрытий и схема слоистого плоского элемента с редуцированными слоями арматурных стержней Металлические каркасы, сделанные из разных металлических компонентов, включены в модели стен. Эти конструкции моделировались трехмерными балочными конечными элементами и они включены в стены в местах их расположения.

7 Модель Конечных Элементов (1) Модель Конечных Элементов (1) На основе компьютерного кода NEPTUNE определяется какой слой бетона работает на растяжение или на сжатие и выполняется расчет до предела прочности на растяжение и сжатие. Расчеты выполняются во всех слоях бетона и при этом определяется в каких слоях достигаются разрушения поверхность. Компьютерный код представляет информацию какие элементы разрушены. Установление поверхности разрушения (CFAILs)

8 Модель Конечных Элементов (2) Модель Конечных Элементов (2) В компьютерном коде TEMP_STRESS использован плоский балочный элемент. Поперечное сечение балочного элемента является гомогенным и толщина является постоянной во всем поперечном сечении. В балочном элементе, который представляют бетон, включены арматурные стержни. Арматурные стержни включены в элемент параллельно соответствующей нейтральной оси элемента. Расположение и нумерация точек интеграции балочного элемента

9 Модель Конечных Элементов (3) Модель Конечных Элементов (3) При проведении анализа использована часть типичного здания Игналинской АЭС. Внешние ограничения состоят из стен, перекрытий помещенный, не включенных в модели. Большинство внешних узлов модели здания Игналинской АЭС связано с этими внешними помещениями. Поскольку эти внешние ограничения, прежде всего, сопротивлялись бы деформацию здания реактора на сжатие-растяжение, то их стойкость будет очень большой. Поэтому внешние узлы здания закреплены жестко на перемещение. Изменение нагрузки из-за падения самолета установлено, используя функцию Риера. Нагрузка воздействия падения самолета на стены здания была принята как давление, воздействующее на площадь стены, равной площади лобовой части, двигателей и крыльев самолета.

10 Модель Конечных Элементов (4) Конечно-элементная модель здания Игналинской АЭС

11 Результаты Переходного Анализа Падение самолета на конструкцию здания - переходная динамическая проблема. Влияние скорости деформации для бетона, арматурных стержней и стали имеет значительное воздействие на отклик материалов при динамических нагрузках. Поэтому в новую версию NEPTUNE, которая была развита в Aргонской национальной лаборатории (США), введена зависимость от скорости деформаций. Эффект скорости деформации арматурных стержней и прочности бетона на растяжения и сжатия был запрограммирован, используя динамические факторы увеличения (DIF). Использована уравнение DIF для предела текучести и прочности для стали арматурных стержней: Уравнение DIF для предела прочности бетона на сжатие: Уравнение DIF для предела прочности бетона на растяжение:

12 Результаты Переходного Анализа (1) Перемещения (м) стен здания

13 Результаты Переходного Анализа (2) Номера элементов и узлов модели

14 Результаты Переходного Анализа (3) Зависимость перемещения и скорости от времени узла 8382, расположенного в площади воздействия

15 Результаты Переходного Анализа (4) Зависимость нормальных напряжений и напряжений сдвига от времени элемента 7435, расположенного в площади воздействия

16 Результаты Переходного Анализа (5) Зависимость нормальных напряжений от времени в слоях бетона элемента 7435, расположенного в площади воздействия

17 Результаты Переходного Анализа (6) Индекс разрушения бетона элемента 7435, расположенного в площади воздействия

18 Результаты Переходного Анализа (7) Зависимость осевых напряжений от времени в арматурных стержнях элемента 7435, расположенного в площади воздействия

19 Вероятностный Анализ Разрушения Для того, чтобы убедится в надежности и безопасности реакторных систем при воздействии внешних нагрузок, очень важно оценить неопределенности, связанные с этими нагрузками, механическими свойствами, геометрическими и другими параметрами. Была разработана методология, основанная на вероятностном подходе, интегрированном с детерминистическими расчетами. Прочностные свойства материалов, геометрические параметры и нагрузки являются неопределенными параметрами. Эти случайные переменные включены в анализ, чтобы более реалистически оценить поведение конструкции. Чтобы смоделировать различные динамические эффекты, неопределенность и оценить вероятность отказа, выполнен анализ надежности, используя детерминистическое моделирование, случайные переменные и вероятностные методы. Для вероятностного анализа использован компьютерный код ProFES (вероятностная конечно-элементная система). ProFES – это вероятностная система конечно- элементного анализа, позволяющая провести вероятностный конечно-элементный анализ в 3-ех мерной графической среде. В этом исследовании ProFES соединен с детерминистическим конечно -элементным компьютерным кодом NEPTUNE.

20 Вероятностный Анализ Разрушения (1) Было выполнено большое количество детерминистических расчетов, используя различные значения случайных переменных, которые были определены ProFES. Все детерминистические результаты были переведены в компьютерный код ProFES с помощью которого были выполнены вероятностные исследования разрушения здания.

21 Вероятностный Анализ Разрушения (2) В вероятностном анализе, неопределенности в числовых значениях (выражениях) смоделированы как случайные переменные. Следующие механические свойства материалов и геометрические параметры, важные для прочности конструкций, использованы как случайные переменные: 1. Механические свойства материалов: Бетон – модель упругости, точки напряжения кривой деформация - напряжение стен влияния и опор; арматурные стержни – точки напряжения кривой деформация - напряжение стен влияния и опор 2. Геометрические данные: Бетонная стена – толщина стен влияния и опор; арматурные стержни – площадь стержней стен влияния и опор. В этом анализе принято, что механические свойства материалов и геометрические параметры распределены по логарифмическому нормальному распределению. Пиковые точки кривой нагружения использованы как случайные переменные распределены по нормальному распределению

22 Вероятностный Анализ Разрушения (3) Метод моделирования Монте-Карло использован для определения вероятности разрушения стены ударения и внутренних соседних стен в случаи падения самолета. Целью детерминистического анализа структурной целостности является в том, оценка влияния падения самолета на конструкции здания Игналинской АЭС, т.е.: Структурная целостность стены ударения здания; Структурная целостность стен здания соседних стене ударения.

23 Вероятностный Анализ Разрушения (4) В данном сообщении представлены только результаты анализа структурной целостности стены ударения. Представлены результаты следующих предельных состояний (Limit state) : Предельное состояние 1 – Бетонный элемент в стене ударения достигает предельную прочность на растяжение и в бетоне начинают открываться трещины. Эта стена ударения является внешней стеной СЛА и сквозные трещины в этой стене не могут образоваться. Предельное состояние 2 – Деформация 4 % соединения арматурных стержней будет достигнута в элементе стены ударения и стержни могут быть разрушены.

24 Вероятностный Анализ Разрушения (5) Метод поверхностного отклика (ПО) был использован для установления зависимости вероятности от нагрузки для анализа вероятности разрушении здания Игналинской АЭС в случаи падения самолета. Метод моделирования Монте-Карло (МКМ) был использован для определения вероятности разрушения стены ударения, используя зависимость вероятности, установленную методом ПО как функциюнагрузка (L)-вероятность (Р), т.е. для предельного состояния 1: P(y > 379), где y = f(X, L). Полученное уравнение использовано как внутренняя функция отклика в анализе методом МКМ. Проведено 1,000,000 расчетов используя МКМ. В этом анализе использовались номинальные значения свойств материалов и геометрических параметров, а также нормальное распределение (10%) нагрузки. Используя этот метод были вычислены вероятности предельных состояний.

25 Вероятностный Анализ Разрушения (6) Рассчитана вероятность развития трещины в бетоне при растяжении в стене ударения. Вероятность разрушения стены до нагрузки 10 МН очень мала (~0), стена будет разрушена (~1) при нагрузке приблизительно равном 80 МН (максимальная сила, используемая в детерминистическом анализе структурной целостности здания Игналинской АЭС в случае падения самолета, приблизительно равна 58 МС).

26 Вероятностный Анализ Разрушения (7 ) Вероятность разрушения арматурных стержней стены ударения рассчитана для двух значений предела деформации: 0.04 ( консервативная деформация разрушения соединения) и 0.14 (деформация разрушения соединения стержней в Российских нор. док.). При предельных значениях деформации: вероятность разрушения стержней до нагрузки 20 МН очень мала (~0), стержни будет разрушены (~1) при нагрузке приблизительно равном 370 МН вероятность разрушения стержней до нагрузки 110 МН очень мала (~0), стержни будет разрушены при нагрузке приблизительно равном 580 МН.

27 Анализ Тепловой Деградации Тепловая нагрузка влияет на свойства строительных материалов, используемых в АЭС. Структурная целостность зданий может быть потеряна не только из-за динамической нагрузки, но также и от тепловой нагрузки вызванной горением авиационного топлива при падения самолета. Поэтому оценка тепловой деградации конструкций здания АЭС также должна быть выполнена. Тепловая деградация структурной прочности здания Игналинской АЭС из-за тепловой нагрузки, вызванной горением авиационного топлива на крыше, была выполнена, используя компьютерные коды TEMP-STRESS и NEPTUNE: TEMP-STRESS использован для определения температурного распределения через бетонную крышу; NEPTUNE был применен для последующего трехмерного анализа напряжений, используя температурное распределение через крышу, полученное используя TEMP-STRESS.

28 Анализ Тепловой Деградации (1) Температурная нагрузка на крыше определена, решая соответствующую тепловую проблему, которая зависит от расстояния от местоположения огня и объема топлива. В тепловом анализе было принято следующие упрощения: разрушений строительных конструкций из-за падения самолета не происходит, температура на поверхности строительных структур составляет С, продолжительность пожара не превышает 2.5 часов.

29 Анализ Тепловой Деградации (2) Результаты анализа температурного распределения показаны на рисунке. Изменение температуры через толщину стены представлены для разных времен анализа. Анализ был выполнен в течении 2.5 часов.

30 Анализ Тепловой Деградации (3) Используя NEPTUNE были смоделированы линейные температурные распределения через толщину перекрытия крыши. Принято линейное распределение температуры сквозь перекрытие с 30 0 С на внутренней поверхности до С на внешней поверхности перекрытия. Такое температурное распределение является консервативным и отражает тепловые условия, когда время приближается к бесконечности. Принятая тепловая нагрузка в NEPTUNE значительно больше, чем тепловая нагрузка в течении 2.5 часов, полученная при анализе используя TEMP- STRESS; таким образом, результаты NEPTUNE для состояния напряжений также будет значительно выше и, таким образом, консервативными.

31 Анализ Тепловой Деградации (4) Результаты напряжений здания Игналинской АЭС из-за тепловой нагрузки в течении 2.5 часов представлены на рисунке. Максимальные напряжения получены в арматурных стержнях в перекрытии и составляют 392 MPa. Эти напряжения находятся в слое арматуры вблизи внешней поверхности крыши и соответствуют пределу текучести стали стержней. Максимальное нормальное напряжение в бетоне MPa (растяжение) в узле точки интегрирования 5 и MPa (сжатие) в узле точки интегрирования 1.

32 Анализ Тепловой Деградации (5) Местоположение номеров элементов и узлов, в которых получены результаты напряжений в зависимости от времени.

33 Анализ Тепловой Деградации (6) Изменение нормальных напряжений в осях X и Y в элементе 8623 бетона в слое 1 (внешняя поверхность перекрытия крыши) и слое 5 (внутренней поверхности перекрытия крыши) представлены на рисунке. Максимальные нормальные напряжения получены в слое 5 бетона перекрытия и составляют МПа на растяжение. Максимальные осевые напряжения получены в 1 и 2 слоях арматурных стержней и составляют 392 МПа. Эти слоя расположены на внешней поверхности перекрытия. Максимальные напряжения в 3 слое арматурных стержней составляет 36.7 МПа. Этот слой расположен на внутренней поверхности перекрытия.

34 Резюме и Заключение Выполнен переходный анализ падения пассажирского самолета на конструкцию здания Игналинской АЭС, используя конечно-элементный и вероятностные методы. Используя метод конечных элементов также был выполнен анализ тепловой деградации структурной прочности здания АЭС из- за тепловой нагрузки, вызванный горением авиационного топлива на крыше. В исследовании использована нагрузка от воздействия падающего самолета которая принята как постоянное давление, воздействующее на площадь ударяемой стены. Площадь ударяемой стены соответствует площади лобовой части, двигателя и крыльев самолета. В анализе использованы скорости деформации арматурных стержней и бетона. Также в моделях использованы механические характеристики материалов, полученные из экспериментальных исследований образцов, взятых из стен здания Игналинской АЭС.

35 Резюме и Заключение (1) В случае падения самолета наиболее поврежденной областью здания будет область, прилегающая к центральной точке воздействия падения самолета. Установлено, что поверхность разрушения на растяжение достигается в двух слоях стены ударения, т.е. в бетоне начинают открываться трещины. Поверхность разрушения на сжатие не достигнута ни в одном из слоев бетонных стен. Максимальное осевое напряжение в арматурных стержнях составляет 150 MPa. Предел прочности арматурных стержней по результатам экспериментальных исследований составляет 850 MPa. Надо отметить, что внутренние стены здания, перпендикулярны наружной стене ударения, являются дополнительными опорами стены ударения. По результатам вероятностного анализа, в котором оценены неопределенности, можно делать вывод, что в случае падения самолета, летящего на приземляющейся скорости, может быть повреждена стена ударения здания Игналинской АЭС. Однако, степень повреждения будет ограничена трещинами сквозь стены, но арматурные стержни не будет повреждены. Таким образом, никакого сквозного повреждения стены ударения из- за падения самолета не произойдет. Результатам теплового анализа деградации прочности материалов крыши здания в случае пожара показали, что структурная прочность бетона и стали арматурных стержней ухудшаются незначительно. Поэтому, структурная деградация бетона и арматурных стержней крыши здания Игналинской АЭС будет незначительной.

Спасибо за внимание!