Vliv neutronového a gama ozařování na vlastnosti betonu a jeho mechanickou odezvu

Abstract

Tato práce se zabývá numerickým a experimentálním zkoumáním vlivu ozařování na vlastnosti betonu a jeho mechanickou odezvu. Ozařování neutrony způsobuje radiačně indukovanou volumetrickou expanzi kameniva, která spolu se smrštěním cementové malty vede k nerovnoměrnému rozložení napětí v betonové konstrukci a následně k lokální koncentraci napětí. Trhliny v betonu vznikají, když hodnoty napětí dosahují meze pevnosti. Výsledkem je výrazné zhoršení vlastností betonu (pevnost, modul pružnosti atd.), které ovlivňují jeho mechanickou odezvu. Z tohoto důvodu byla provedena numerická analýza (sdružená úloha poškození-dotvarování) betonového biologického stínění reaktoru VVER 440/213 pomocí metody konečných prvků, která kombinuje nejnovější teoretická a experimentální data. Výsledky ukazují, že stínící vlastnosti betonového biologického stínění mohou být sníženy důsledkem vzniku radiálních trhlin, nicméně železobetonová nosná stěna, která se nachází přímo za biologickým stíněním, může dodatečně zajistit potřebné stínění. Ozařování gama zářením rovněž způsobuje radiačně indukovanou radiolýzu vody, která může ovlivnit dotvarování betonové konstrukce, jelikož dotvarování, mimo jiné, závisí na množství a stavu vody v cementové pastě. Předložený experimentální výzkum však ukazuje nevýznamný účinek gama-záření na dotvarování betonu. Existující modely se tedy dají použít pro výpočet dotvarování betonu ozářeného gama zářením a současně jako první odhad pro beton ozářený neutrony. Dále byl zkoumán vliv gama záření na beton raného stáří s cílem prozkoumat možnosti alternativního návrhu betonových prvků, které se používají ve spojitosti s ukládáním radioaktivních odpadů. Výsledky ukazují snížení pevnosti vzorku po 356 dnech ozařovaní, avšak způsob ošetřování (přítomnost nebo nepřítomnost izolace) má mnohem větší účinek než gama-záření na měřené vlastnosti cementové malty. Doporučuje se tedy zajistit vysokou vlhkost a normální okolní teplotu během betonáže a ošetřování těchto betonových prvků pro snížení potenciálně negativních účinků gama-záření, jako je vysychání vyvolané ozářením. Dodatečné příklady tvorby a použití různých kódů a modelů (Rigid Body Spring Model, model hydratace, model mikrostruktury, obrazová analýza) pro související úlohy jsou uvedené v příloze.

This study presents numerical and experimental investigation of the effect of irradiation on concrete properties and structural performance. The neutron irradiation causes radiation-induced volumetric expansion of aggregates which together with cement mortar shrinkage leads to nonuniform strain distribution in concrete and consequently to the local stress concentration. Occurrence of cracks in concrete starts when the stresses reach the strength value. It results in significant reduction of concrete properties (strength, elastic modulus, etc.) which affects the structural performance of concrete. Due to this fact, the coupled damage-creep finite element analysis of the concrete biological shield of VVER 440/213 which combines the newest theoretical and experimental data was performed. The results show that shielding properties of the biological shield may be reduced due to the occurrence of the radial cracks, however, the concrete wall, which is situated right behind the biological shield, will backup the necessary shielding. Additionally, the gamma-ray irradiation causes radiation-induced water radiolysis, which can affect concrete creep, as it, besides others, depends on the amount and the state of water in the cement paste, however, the presented experimental investigation shows an insignificant effect of gamma-ray irradiation on cement mortar creep. Therefore, the creep of gamma-irradiated concrete structures as well as the first estimation of creep of neutron-irradiated structures can be predicted by the existing numerical models. The effect of gamma-ray irradiation on concrete starting from early-age was investigated in order to estimate possibilities of the alternative design in the field of radioactive waste disposal. The results show the reduction of strength after 356 days of irradiation, however, the effect of curing conditions (presence or absence of insulation) has a much larger effect than the gamma-radiation on the measured properties of mortar. Therefore, it can be recommended to provide high humidity and normal ambient temperature during casting and curing for reduction of the potentially negative effects of gamma radiation, such as the irradiation-induced drying. Additionally, examples of application of various approaches (Rigid Body Spring Model, hydration model, microstructure model, image processing) to the related tasks are presented in the Appendix.