1. Основы расчета на прочность

Расчет на прочность  важнейший этап конструирования ядерного реактора. На основе расчета выбираются основные размеры конструкции, ее геометрические формы, определяются допустимое число циклов нагружения и ресурс эксплуатации.

Прочностной расчет выполняется обычно в два этапа. На первом этапе выбираются форма и основные "размеры конструкции, например толщина стенок трубы, форма и толщина днища, патрубка и т. п. После выбора основных размеров' производится повероч­ный расчет, в котором действующие напряжения сопоставляются с допустимыми напряжениями, выбранными в зависимости от типа конструкции, характера нагружения, вида действующих напряжений, режима работы. В процессе поверочного расчета оценивается также возможность возникновения остаточных изменений формы и размеров конструкции. По результатам поверочного расчета уточняется геометрическая форма конструкции, определяются допустимое число циклов нагружения и ресурс эксплуатации.

Прочностные расчеты тесным образом связаны с нейтронно-физическим и теплогидравлическим расчетами, которые позволяют судить об изменении во времени механических характеристик материалов под действием облучения и температуры.

На выбор формы конструкции решающее влияние оказывают действующие нагрузки, определяемые функциями конструкции в реакторе, и технологичность ее изготовления. Установить действующие нагрузки в условиях нормальной эксплуатации и в условиях возможных их нарушений  важная задача конструирования.

Основными расчетными нагрузками элементов ядерных реакторов являются, внутреннее или наружное давление теплоносителя и окружающей среды, собственная масса изделия и его содержимого; инерционные силы, особенно существенные для транспортных установок и энергетических реакторов, расположенных в зонах высокой сейсмической активности; реакции опор и трубопроводов; дополнительные нагрузки, например, от установленных на изделиях агрегатов, теплоизоляции трубопроводов; температурные воздействия.

Один из наиболее важных видов нагрузки  температурные воздействия, приводящие к термическим напряжениям. Градиенты температуры неизбежно сопутствуют процессам теплообмена.

Они имеют место как при стационарном режиме, так и при изменении мощности, работе системы A3 и в других переходных процессах в реакторе. Следствием градиентов температур являются термические напряжения, пропорциональные разности температур по толщине элемента конструкции. Термические напряжения могут возникнуть и в однородно нагретых элементах, если стеснена свобода термических удлинений, например, из-за различия коэффициентов линейного расширения материалов. Термические напряжения могут существенно превышать напряжения от других видов нагрузок.

Необходим учет нагрузок, вызванных вибрацией или ударами. Первые обусловлены главным образом гидродинамическим воздействием движущегося с большой скоростью теплоносителя на элементы конструкции, например твэлы, органы регулирования, сборки. Удары возникают обычно как следствие аварийных ситуаций, например разрывы трубопровода или канала реактора.

Совокупность условий нагружения элемента конструкции называют расчетным случаем.

Условия нагружения в процессе кампании реактора различны. Поэтому априори неясно, на каком этапе работы в элементе кон­струкции достигаются максимальные напряжения. В связи с этим прочностные расчеты проводятся для разных расчетных случаев во все периоды эксплуатации.

Основные расчетные случаи  это нормальные условия эксплуатации (затяг шпилек, пуск, стационарный режим, работа системы A3, изменение мощности реактора, остановка), нарушение нормальных условий эксплуатации и аварийные ситуации. Необходимость анализа двух последних расчетных случаев, их состав определяется проектирующей реакторы организацией.

Рассматривая последовательность расчетных случаев, можно получить зависимость напряжений в элементах конструкции от времени. Эта зависимость, имеющая характерный переход напряжения через максимум и минимум, характеризует цикл изменения напряжений, на основе которого оценивается работоспособность конструкции. Реакторы различного назначения имеют существенно разные циклы нагружения. Так, современные энергетические реакторы на тепловых нейтронах и перспективные реакторы на быстрых нейтронах рассчитаны на работу главным образом в ста­ционарном режиме с относительно редкими остановками. Для транспортных реакторов, напротив, наиболее характерен эксплуатационный режим изменения мощности: перехода с одного уровня мощности на другой. При изменении мощности или остановке реактора происходит резкая смена условий нагружения: температура теплоносителя при остановке уменьшается до начальной, изменяется давление теплоносителя. Следовательно, режим нагружения элементов реакторов может быть как стационарным, так и циклическим с различной величиной размаха напряжений (разности максимального и минимального значений напряжения в цикле) и разным числом циклов.