В реакторах ВВЭР одной из возможных причин повреждения твэла является потеря устойчивости оболочки, связанная с ползучестью се материала под действием давления теплоносителя на оболочку извне. В условиях воздействия высокой температуры и ионизирующих излучений определение изменения формы оболочки затруднено и проводится после прекращения или прерывания эксперимента, что весьма сложно и трудоемко.
Акустический метод позволяет измерять параметры оболочки, характеризующие ее формоизменение, непосредственно в ходе высокотемпературного радиационного эксперимента. В основе таких измерений лежит зависимость нагибной жесткости оболочки, обладающей овальностью, от направления нагиба. Следовательно, значения резонансных частот нагибных колебаний будут зависеть от плоскости колебаний и мерой овальности может служить, например, разность между их наибольшими и наименьшими значениями. Измеряя ее, можно судить о степени формоизменения оболочки.
Рассмотрим вынужденные изгибные колебания цилиндрической тонкостенной оболочки, жестко закрепленной на одном конце. Если оболочка имеет сечение в форме правильного кругового кольца, то в силу цилиндрической симметрии оболочки значения резонансных частот не зависят от ориентации плоскости, в которой возбуждаются колебания. Если сечение деформировано и имеет, например, форму эллипса, то при вынужденных колебаниях можно наблюдать два резонансных пика, соотношение между максимальными амплитудами которых зависят от ориентации плоскости колебаний: колебания разлагаются на две составляющие, лежащие в плоскостях наибольшей и наименьшей изгибной жесткости оболочки.
Рис. 5.18. Измерительное устройство для исследования формоизменения оболочек под действием внешнего давления:
Обратная задача — нахождение профиля по значениям резонансных частот — относится к классу некорректных задач, решения которых неустойчивы по отношению к малым изменениям входных данных, определяемым погрешностями измерений. Для решения таких задач необходимо привлекать дополнительные сведения, например о предполагаемом распределении температуры вдоль оболочки.
Измерительный узел установки для исследования формоизменения оболочек твэлов при воздействии внешнего давления до 18 МПа и температуры до 700 К показан на рис, 5.18. Массивное основание с припаянной к нему неисследуемой оболочкой установлено на опорной плите со стойками. Исследуемая оболочка герметизирована на верхнем конце вваренной в нее втулкой и заключена в герметичную капсулу, представляющую собой отрезок трубы из нержавеющей стали диаметром 20 мм с толщиной стенки 2 мм. Внутренний объем капсулы, заполняемый гелием, около 50 см, так что установка безопасна в работе при давлениях до десятков мегапаскалей. Длина исследуемых отрезков оболочек составляла 150 мм. При деформировании образцов рассмотренного типа герметизация их торцов приводит к деформации, различной для разных участков, поэтому необходима предварительная градуировка измерительной системы. Для этого в одинаковых температурных режимах одновременно определяли профиль деформации по длине и расщепление резонансных частот. В процессе высокотемпературной деформации под действием внешнего давления нагрев периодически прерывали, капсулу разгерметизировали, исследуемую оболочку извлекали и измеряли изменения геометрических размеров оптическим методом. Оценка предельной чувствительности установки к абсолютным деформациям, согласно проведенным исследованиям, составила 7 мкм, что соответствует эллипсности 1,5-КН. В [59] с помощью данной методики исследованы оболочки твэлов из сплава Zr+1 %Nb при температуре 500 С и давлении 16 МПа.
