Estimation of the effective length of microcracks occurring in the water-steam pipeline at cyclic operation mode of NPP steam generator

During operation of water-water reactors including KLT-40 type reactors widely used nowadays on icebreakers and floating power units (FPU), the issue of the duration of safe operation of steam generators is acute. The problem is connected with the formation of microcracks in the steam generator water and steam piping during normal operation at power, through which radioactive nitrogen 16N7 enters the steam piping, the content of which in the steam is just a sign of leakage failure of the steam generator second circuit water and steam piping. This effect, further named "leaks", was considered earlier in a number of works of the authors under conditions of cyclic operation of the steam generator water-steam mode. In the present work the main attention is paid to mathematical and physical analysis of the mechanisms causing the formation of microcracks in the steam pipeline of a steam generator arising in the steam pipeline region in which water and steam pressures are balanced, and their effective length is estimated. Calculations of temperature distribution along the steam-pipe thickness in the steam-water transition region at periodic "slamming" of this region with water are carried out. It is shown that depending on the time period of steam-water oscillations, the radial temperature distribution along the tube thickness shows a significant difference in the distribution at a constant temperature on the outer surface of the tube, and the maximum temperature difference is observed in the area of the inner surface of the tube. The distribution of mechanical stresses arising in the tube metal is characterized by a linear dependence of stresses on temperature, the maximum value of which corresponds to the maximum temperature difference characteristic of the area of the inner surface of the tube. This allows us to state that the formation of cracks starts exactly from the area of the inner surface of the tube of the steam generator in the specified transitional area of the tube.

1. Иванов Е.А., Пырков И.В., Хамьянов Л.П. Модель накопления радионуклидов в котловой воде парогенераторов АЭС с ВВЭР-440 и -1000. Атомная энергия. 1994;77(1):58–63. Режим доступа: https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/4940 (дата обращения: 16.09.2023).

2. Иванов Е.А., Пырков И.В., Хамьянов Л.П. Методика диагностики протечки теплоносителя первого контура в котловую воду парогенераторов АЭС с ВВЭР-440 и -1000. Атомная энергия. 1994;77(1):51–58. Режим доступа: https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/4939 (дата обращения: 16.09.2023).

3. Елохин А.П., Федорченко С.Н. Способ оценки протечки радиоактивного азота 16N7 в парогенераторах, используемых на ядерных реакторах типа КЛТ-40. Патент РФ №2754755, бюл. № 25 от 07.09.2021. Приоритет от 31.12.2020. Режим доступа: https://patents.google.com/patent/RU2754755C1/ru (дата обращения: 16.09.2023).

4. Елохин А.П., Федорченко С.Н. Расчетно-измерительный метод оценки протечки радиоактивного азота 16N7 в парогенераторах, используемых на ядерных реакторах типа КЛТ-40. Глобальная ядерная безопасность. 2021;4(41):16–30. https://doi.org/10.26583/gns-2021-04-02

5. Elokhin A.P., Fedorchenko S.N. Determination of the leakage area of radioactive nitrogen 16N in steam generators in reactors of KLT-40 type. Physics of Atomic Nuclei. 2022;85(2):S42–S49. ISSN 1063-7788. https://doi.org/10.1134/S106377882214006X

6. Elokhin A.P., Fedorchenko S.N. Calculation and instrumentation method of assessment of radioactive nitrogen 16N7 leaks in steam generators applied at KLT-40 type nuclear reactors. AIP (American Institute of Physics) Conference Proceedings (published online 09 March 2023). 2023. Vol. 2700. Р. 050017-050017-15. https://doi.org/10.1063/5.0125107

7. Тихонов А.Н, Самарский А.А. Уравнения математической физики. Москва: Наука, 1966. 724 с. Режим доступа: https://studizba.com/files/show/djvu/3304-1-umf-tihonov.html (дата обращения: 16.09.2023).

8. Арсенин В.Я. Математическая физика. Основные уравнения и специальные функции. Москва: Наука, 1966. 367 с. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01005948961 (дата обращения: 16.09.2023).

9. Зайцев В.Ф., Полянин А.Д. Справочник по линейным обыкновенным дифференциальным уравнениям. Москва: Факториал, 1997. 303 с. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01001763480 (дата обращения: 16.09.2023).

10. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами. М. Абрамовиц, Д. Липман, А. Мак Ниш и др.; под ред. М. Абрамовица и И. Стиган; пер. с англ. под ред. В.А. Диткина и Л.Н. Кармазиной. Москва: Наука, 1979. 832 с. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01007759009 (дата обращения: 16.09.2023).

11. Прудников, А.П., Брычков Ю.А. Маричев О.И. Интегралы и ряды. Специальные функции. Москва: Наука, 1983. 750 с. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01001177065 (дата обращения: 16.09.2023).

12. Проскуряков К.Н., Беликов С.О., Адаменков А.К., Костин А.В. Прогнозирование возникновения акустических резонансов в системе генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР. Глобальная ядерная безопасность. 2012;2-3(4):70–75. Режим доступа: https://viti-mephi.ru/sites/default/files/pages/docs/gyb_2-34.pdf (дата обращения: 16.09.2023).

13. Исакович М.А. Общая акустика. Москва: Наука, 1973. 495 с. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01007129077 (дата обращения: 16.09.2023).

14. Лепендин Л.Ф. Акустика. Москва: Высшая школа. 1978, 448 с. Режим доступа: https://books.totalarch.com/node/5238 (дата обращения: 16.09.2023).

15. Елохин А.П., Ксенофонтов А.И., Исса Алалем, Федорченко С.Н. Метод экспресс-оценки средней энергии спектра -излучения радионуклидов в условиях радиационных аварий в помещениях спецкорпуса АЭС. Глобальная ядерная безопасность. 2018;2(27):7–15. Режим доступа: https://viti-mephi.ru/sites/default/files/pages/docs/gyb.2018.2.pdf (дата обращения: 16.09.2023).

16. Елохин А.П. Методы и средства систем радиационного контроля окружающей среды. Монография. Москва: НИЯУ МИФИ, 2014. 520 с. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01007901898 (дата обращения: 16.09.2923).