Hvordan beregnes belastningen på kjernekraftverksstrukturer ved påkjørsel fra fly?

I henhold til internasjonale reguleringer og retningslinjer fra Det internasjonale atomenergibyrået (IAEA) [1, 2], utføres beregningen av styrken på kjernekraftverksstrukturer for belastninger som oppstår ved påkjørsel fra et fallende fly på 20 tonn med en hastighet på 200 m/s. Slike belastninger er typiske ved krasj med militære fly, som for eksempel F-4 Phantom II jagerfly, som vist i [4-6]. De første fullskala testene av en forsterket betongbarriere under påkjørsel fra et fly ble gjennomført i 1988 ved det eksperimentelle testområdet til US National Laboratory Sandia (Sandia National Labs), under et kontrakt med Institute of Structural Mechanics Muto (Japan), altså lenge før tiltakene mot nukleær terrorisme ble vedtatt av FN i 2007 [5, 6]. Det er verdt å merke seg at det første utkastet til den internasjonale konvensjonen for undertrykkelse av handlinger av nukleær terrorisme ble fremsatt av Russland til FN-medlemsstatene allerede i 1998.

Når et fly treffer bevegelige strukturer, kan belastningsfunksjonen imidlertid være sterkt avhengig av bevegelsen til kontaktgrensen mellom flyet og hindringen. Slike tilfeller krever spesiell oppmerksomhet og justeringer av den beregnede belastningen ved påkjørsel mot en stiv vegg. Dette ble påpekt i [5] basert på studier [9, 10]. I [5, 6, 11] er det vist at, i samsvar med russiske standarder [1], er belastningen vanligvis den ytre grensen av belastningen beregnet ved bruk av Rieras metode (Fig. 11.1 [5, 6]). Styrkekomponenten av belastningen ved påkjørsel fra et militært fly har samme størrelse som den inerte komponenten (se Fig. 11.1). Dermed må begge komponentene tas med i betraktningen.

Studier om påvirkningen av fly på strukturer i kjernekraftverk er utført ved hjelp av ulike metoder, inkludert fullskala [12, 14] og skalamodellforsøk [18, 19], samt numerisk modellering ved hjelp av forskjellige metoder [13, 20, 21]. En fullskala test [12], utført ved Sandia National Laboratories (USA) under et kontrakt med Muto Institute of Structural Mechanics (Japan), krever spesiell oppmerksomhet. Imidlertid er tykkelsen på betongbarrieren i dette tilfellet (3,66 m) betydelig høyere enn tykkelsen på reaktorkapslingen i den sylindriske delen (omtrent 1,3 m) og dome-området (omtrent 1,1 m) [22]. I fullskala testen er forholdet mellom barrierenes masse og flyets masse K = 24,7. En slik barriere er nærmere en stiv vegg enn en barriere som er karakteristisk for kjernekraftverksstrukturer.

I denne studien ble fokuset rettet mot den innledende fasen av påkjøringsprosessen, som tilsvarer deformasjonen av nesekompartementet som inneholder OE. Dette tilsvarer et område på 3 meter fra flyets nese. Effekten av den radio-transparente nesekeglen ble ikke vurdert. Gjennom analyse av oppsettsskjemaene og massens fordeling langs flyets lengde [12, 13], ble det funnet at den aktuelle seksjonen har en masse på 615 kg. Deretter, med hensyn til tykkelsen på reaktorkapslingen [22], ble den delen av barrieren som dekkes av tverrsnittet til påkjøreren (Fig. 11.2), beregnet til å være omtrent 2950 kg, hvilket gir et forhold mellom barriereens masse og påkjørerens masse K = 4,8.

I denne studien ble tre tilnærminger benyttet for å løse problemet, som vil bli nærmere diskutert. I formuleringen av de numeriske eksperimentene med direkte tildeling av porøsitet ble det brukt finite element-modeller av høyt porøse påkjørere for å analysere belastningen på en stiv vegg [11]. Påkjørerne var svært porøse aluminiumlegeringsstenger (Fig. 11.4 [23]), som er den mekaniske ekvivalenten av OE. Massene til hindringene ble bestemt ut fra forholdet mellom prøvens volum og det ombordværende utstyret i nesen på F-4 Phantom II.

Hvordan superkavitende prosesser påvirker bevegelsen til strikere i vann

I den hydroballistiske prøvestandens vannseksjon undersøkes flere prosesser knyttet til bevegelsen av superkavitende strikere. En superkavitator er et legeme som kan oppnå en hastighet som er tilstrekkelig høy til å forårsake dannelse av en kavitasjonssone rundt seg i vannet. Dette fører til en betydelig reduksjon av friksjon og gjør det mulig for objekter å bevege seg med høy hastighet under vann. I dette miljøet studeres blant annet hvordan enkeltstrikere, eller grupper av strikere, samhandler når de beveger seg i vannet og hvordan kavitasjonshull dannes og kollapser.

Superkavitatorenes bevegelse i vannet er sterkt preget av dynamikken i dannelsen og kollapsen av kavitasjonshullene. Disse hulrommene gir opphav til flere interessante effekter, for eksempel kan en gruppe superkavitatorer som beveger seg nær hverandre skape turbulens som påvirker den individuelle bevegelsen. I tilfelle av to eller flere superkavitatorer som passerer nær hverandre, vil deres respektive sjokkbølger kunne interferere med hverandre, noe som kan føre til en rotasjonsbevegelse av kroppene rundt sitt tyngdepunkt.

Når det gjelder materialene som brukes i konstruksjonen av superkavitatorene, spiller disse en viktig rolle i hvordan strikere reagerer på de enorme kreftene som utsettes på dem under akselerasjonen i en ballistisk installasjon. Dette er grunnen til at materialvalget, i tillegg til designet av kasteanordningen, er avgjørende for å oppnå ønskede balistiske egenskaper. For å beregne de nødvendige kreftene og hastighetene under akselerasjon, benyttes spesialisert programvare som simulerer hvordan ulike ladninger og materialer påvirker strikernes hastighet og stabilitet i løpet av akselerasjonen.

I tillegg til de direkte balistiske undersøkelsene som omhandler kasteprosessen, er det også viktig å forstå hvordan strikere beveger seg i luften før de treffer vannet. Under disse fasene er det viktig å minimere effekten av sjokkbølger som kan forstyrre bevegelsen. Når strikere, som for eksempel koniske legemer, beveger seg gjennom luften ved høye hastigheter, skaper de sjokkbølger som kan forstyrre andre nærliggende objekter i bevegelsen. Dette kan føre til rotasjon av strikeren eller til en endring i bevegelsesbanen, noe som kan påvirke hvor presist de treffer målet. Slike fenomener blir vanligvis undersøkt ved hjelp av vindtunneler og numeriske simuleringer som tar for seg strømningene rundt disse objektene under ulike forhold.

Vanninngangen, eller fasen der strikeren går fra luft til vann, er kritisk. I denne fasen er det avgjørende at strikeren ikke mister sin stabilitet, og at den ikke endrer sin bevegelsesretning uønsket. For å sikre at dette skjer på en kontrollert måte, har forskerne utviklet metoder for å forhindre at sjokkbølgene som oppstår under luftbevegelsen påvirker strikernes bane i vannet. Det er i denne fasen at interaksjonene mellom strikere som beveger seg i grupper får stor betydning, da de kan forstyrre hverandre og dermed endre kursene deres.

Den matematiske modelleringen av superkavitatorenes bevegelse gjør det mulig å forutsi og justere mange av de variablene som påvirker deres prestasjoner under vann. For eksempel kan det ved hjelp av matematiske modeller simuleres hvordan kavitasjonshullene dannes og utvikler seg basert på strikernes hastighet, form og størrelse. Disse simuleringene gjør det mulig å forutsi hva som vil skje når superkavitatorer interagerer med undervannsbarrierer, og hvordan forskjellige materialer og former på strikeren kan påvirke deres evne til å bevare sin stabilitet og kontroll i vannet.

Kombinert med eksperimentelle data gir denne avanserte forskningen innsikt i hvordan superkavitatorer kan brukes i praktiske applikasjoner, for eksempel i militære våpen eller i utforskning av undervannsteknologi. Det er også viktig å merke seg at når det utføres eksperimenter med superkavitatorer, er det ikke bare strikernes individuelle bevegelser som undersøkes, men også hvordan grupper av slike objekter kan samhandle når de beveger seg i vannet. Dette kan gi en forståelse for hvordan flere enheter kan fungere effektivt sammen under høye hastigheter i et væskemiljø.

Endringene i de fysiske egenskapene til strikeren under akselerasjon, sammen med dens interaksjon med både luft og vann, gjør at prosessen med å designe og eksperimentere med superkavitatorer blir svært kompleks. Eksperimentelle baser og spesialisert programvare gjør det mulig å teste disse teoriene på en måte som gir presise og pålitelige data, og videre utvikling på dette området kan føre til nye teknologiske fremskritt som vil revolusjonere bruken av høyhastighetsprosjektiler under vann.

Hvordan sammensetning og porøsitet påvirker sintringen av lavtemperaturkeramikk

Strukturen til den sintrerte kompositten vurderes med hensyn til krympingen av den porøse pulverkroppen – en makroskopisk prosess med volumetrisk deformasjon – strømning i den faste fasen. Dersom den forhåndsberegnede minimale porøsiteten i mikrolagene (eller i et lag av mikrolag) oppnås under sintringen, stopper den symmetriske volumetriske strømningen av porene på grunn av dannelsen av et rammeverk av en hvilken som helst fraksjon av den refraktære komponenten. Volumetrisk krymping i ulike mesovolumer bestemmes av forskjellen mellom porøsiteten i det opprinnelige kompaktene og den minimale relative porevolumenen. Krympingen i planet til laget stopper så snart porøsitetsreduksjonen stanser i en hvilken som helst sone i periodisitetselementet, noe som betyr at krympingen langs lagets tykkelse vil øke. På dette stadiet begynner formen på porene i sonen hvor rammeverket ennå ikke er dannet å strekke seg i planet til mikrolaget.

Resultatene viser at muligheten for å danne et refraktært rammeverk ved hjelp av en fraksjon av de refraktære komponentene i blandingen har stor innvirkning på dannelsen av strukturen til sintrert lavtemperaturkeramikk. Den resulterende prognosen for strukturen til et sintrert legeme av sammensetningen (a) er preget av fravær av porer. Når partikkelstørrelsesfordelingene for de refraktære komponentene, hovedsakelig bestående av store og mellomstore fraksjoner, oppfyller betingelsen for å oppnå en tett pakking av blandingen, gir sammensetningene av de opprinnelige kompaktene den største muligheten for å oppnå keramikk med lav porøsitet. Basert på resultatene fra denne sintringsfasen fastsettes en ny struktur og distribusjon av komponentene i mediet.

Den utviklede modelleringen gir også mulighet for å vurdere verdier og naturen av de resterende spenningene i materialet under forberedelsen av det opprinnelige kompakten av den sintrerte prøven og den termiske nedbrytningen av bindemidlet. Den unike egenskapen ved den integrerte tilnærmingen er muligheten for å bruke et bredt spekter av dispergerte elementer med forskjellige magnetiske, termodynamiske og mekaniske egenskaper som refraktære komponenter.