К.З.ГАЛУСТОВ, главный научный сотрудник ОАО НИИЭС РАО ЕЭС, Учет ползучести бетона при расчете железобетонных конструкций современных АЭС

Современный развивающийся мир все больше становится зависимым от энергетики. Если раньше основными потребителями энергетических мощностей были страны с развитой экономикой, то в настоящее время дефицит электроэнергии стали испытывать и развивающиеся страны, так как в них переносятся наиболее энергоемкие производства из США и стран Западной Европы.

Многие регионы мира испытывают дефицит не только электрической энергии, тепла, но и пресной воды. В ЕС и США разработаны различные документы по энергетической безопасности и международные программы диверсификации, регулирующие развитие энергетики с учетом перспективы. Большинство стран мира подписали Киотский протокол, ограничивающий загрязнение окружающей среды, влияющее на изменение климата на планете.

В современном мире более 60% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС и ТЭЦ), использующих органическое топливо, сжигание которого приводит к загрязнению атмосферы и, как следствие, к потеплению климата.

Резкое повышение цен на органическое топливо (особенно на нефть и газ) привело к тому, что энергия, вырабатываемая на атомных электростанциях (АЭС), стала конкурентной, тем более что АЭС не являются источником загрязнения окружающей среды. Однако после аварии на Чернобыльской АЭС развитие атомной энергетики было остановлено. В ряде западных стран стали закрывать даже действующие АЭС, что привело к еще большему дефициту электроэнергии. Для преодоления проблемы развития АЭС были разработаны более строгие требований по их безопасности, создали новые безопасные типы ядерных реакторов, системы управления их эксплуатацией, а также технологии их строительства и типы конструкций.

Известно, что при строительстве АЭС в качестве строительного материала для основных сооружений используют железобетон, также влияющий на их безопасность.

Для ускорения развития атомной энергетики, сокращения сроков строительства объектов и повышения их безопасности автором совместно с академиком Е.П.Велиховым и др. учеными разработана концепция развития новых современных АЭС, которая защищена патентами и авторскими свидетельствами [2, 3,5].

Наша концепция предлагает размещать АЭС на берегу или шельфе морей, а также судоходных водоемов, так как при этом используется наплавной метод строительства АЭС и заводская технология возведения блок-мсдулей основных сооружений АЭС (например, блок-модули реакторных отделений - БМРО, машинного зала - БММЗ) и др.).

В современном мире работает 470 ядерных энергоблоков, 260 из которых находятся на берегу морей и океанов. Срок службы АЭС определяется ресурсом ядерных реакторных установок. По данным ряда организаций, к 2010 г. 114 прибрежных АЭС подлежат выводу из эксплуатации в связи с исчерпанием ресурса ядерных реакторов. Предлагаемая нами концепция развития новых типов АЭС решает и эту проблему, поскольку позволяет заменять БМРО после исчерпания их ресурса. Патент [2] решает и проблему нераспространения ядерного оружия, так как технология строительства наплавных АЭС позволяет перейти к принципу передачи БМРО стране- получателю энергии только в аренду.

Мощность одного энергоблока АЭС для развивающихся стран экономически целесообразно принять не более 100-300 МВт. В этом диапазоне мощностей можно использовать реакторы на быстрых нейтронах с теплоносителем свинец-висмут СВБР-75/100, которые ранее использовались на атомных подводных лодках и хорошо отработаны. Совокупный испытанный ресурс СВБР-75/100 - 80 реакторолет.

Расчеты показывают, что в XXI веке при дефиците электроэнергии и проблемах, связанных с необходимостью замены исчерпавших свой ресурс существующих реакторных установок, объем возможного рынка нового типа АЭС в мире составит более 1,0 триллиона дол. США.

Концепция [2, 5] предусматривает осуществлять строительство основных наиболее ответственных блок- модулей АЭС по наплавной технологии. Строительство БМРО и БММЗ предлагается вести на стапельной площадке у прибрежного завода-изготовителя (например, судостроительный завод типа СЕВМАШ и др.), практически в заводских условиях по поточной технологии, где обеспечиваются высокое качество строительных и монтажных работ, а также установка технологического оборудования.

На заводе-изготовителе, например при строительстве БМРО, производятся монтаж и предварительные испытания технологических систем, оборудования и конструкций, в том числе проверка их на герметичность и т.д., а также лицензирование всех значимых технологических устройств. После завершения строительства блок-мсдулю, размещенному на стапеле в шлюзовом бассейне завода, придается соответствующая плавучесть.

Для этой цели на судостроительном заводе изготавливаются специальные средства плавучести, которые с помощью специальных устройств объединяются с БМРО в единый плавучий комплекс (ПК), отвечающий всем судовым требованиям. ПК позволяет доставлять БМРО по открытой морской воде к площадке прибрежной АЭС. Технология строительства и замены БМРО на АЭС описана в патентах [2,5].

Выше отмечалось, что для обеспечения безопасности АЭС реакторное отделение размещается в защитной оболочке (30). Обычно 30 изготавливаются из предварительно напряженного железобетона. Для обоснования безопасности железобетонных сооружений, оценки их длительной трещиностойкости и герметичности необходимо правильно учитывать влияние ползучести бетона впредварительно напряженных железобетонных защитных оболочках. Для решения проблемы повреждения и безопасности 30 АЭС можно использовать работы В.М.Бондаренко и А.В.Боровских [1]-

Для обоснования проектных решений современных АЭС в НИСе ГИДРОПРОЕКТа были проведены различные теоретические и экспериментальные исследования. Они показали, что вследствие ползучести бетона во времени в 30 АЭС наблюдается перераспределение напряжений между бетоном, арматурой и герметичной металлической облицовкой. Был разработан метод расчета [3], позволяющий при проектировании 30 АЭС прогнозировать перераспределение напряжений и прогнозировать длительную трещиностойкость 30.

В стадии эксплуатации, когда у внутренней поверхности 30 отсутствует аварийное давление, напряженное состояние из трехосного состояния переходит в двухосное. Анализ проектов показал, что начальное напряженное состояние в теле бетона у большинства 30 имеет следующее значение:


В стадии эксплуатации 30 максимальные радиальные напряжения настолько малы, что задача может решаться в постановке двухосного напряженного состояния по всему сечению.

Ожидалось, что перераспределение напряжений вследствие ползучести бетона будет происходить не только мееду бетоном и арматурой, но также и по толщине бетонного сечения [7]. Исследования показали, что различие ординат в эпюрах напряжений в бетоне на внутренней и наружной поверхностях отличаются незначительно (не более 2%). Имеет место центральное сжатие по каждому из направлений. Влияние купола и днища 30 сказывается на ограниченной зоне их сопряжения с цилиндрической частью оболочки.

Из расчетной схемы 30 следует, что диагонально расположенная предварительно напряженная арматура за счет предварительной вытяжки создает на железобетонном теле 30 давления gQ(t) и gz{t), которые могут быть выражены через начальное усилие N, действующее в пучках:



Показано, что функция релаксации напряжений в бетоне и арматуре зависит от начального напряженного состояния, вычисляемых коэффициентов и параметров, характеризующих деформативные свойства бетона.

Для уточнения полученных решений в качестве примера расчета была рассмотрена защитная оболочка 5-го блока Ново-Воронежской АЭС, так как на этом блоке НИС ГИДРОПРОЕКТа проводил специальные натурные исследования. Они позволили получить фактическое изменение напряжений в бетоне и арматуре, которые показали, что при принятом фактическом проценте армирования косвенной арматурой (0,0085) в 30 вследствие ползучести бетона (за рассматриваемый промежуток времени) напряжения в кольцевой арматуре увеличились в 2,32 раза. Расчетное ожидаемое увеличение напряжений по предлагаемой теории равно 2,16 раза, а по наследственной теории старения — 1,8 раза.

Разработанная теория расчета позволяет прогнозировать длительную трещиностойкость железобетонной защитной оболочки.

Прогнозы показывают, что установка не предусмотренного расчетом количества косвенной арматуры в теле 30 при аварийной ситуации в реакторном отделении (когда давление в 30 достигнет 4,6 атм) может привести к образованию трещин и нарушению герметичности в оболочке.

Исследования показали, что по истечении 5 лет эксплуатации в защитной оболочке 5-го блока Ново- Воронежской АЭС сформировалось такое напряженное состояние, которое не требует повторного натяжения пучков, предусмотренного проектом. Возможность образования трещин в ранее нагруженной железобетонной конструкции (после ее разгрузки) прогнозировалась ранее и подтверждалась рядом других экспериментов на сжатых железобетонных колонах. В монографии [3] приводятся опытные данные длительного испытания центрально сжатых образцов и натурных железобетонных колон,проведенного МНИИТЭП. Сравнение расчетных (теоретических) значений функций изменения напряжений в арматуре с экспериментальными показывает, что погрешность расчетов не превышает 3%.

В заключение необходимо еще раз подчеркнуть, что проектирование ответственных железобетонных сооружений (типа АЭС, железобетонных реакторов и др.), эксплуатация которых существенно влияет на безопасность окружающей среды, следует осуществлять с учетом ползучести бетона, так как перераспределение напряжений между бетоном и арматурой вследствие ползучести бетона может привести к образованию трещин и нарушить герметичность защитной оболочки.

Бетон и железобетон, 2007 №3