Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ вопроса и задачи исследования 14
1 1. Требования к моделированию твэлов на крупномасштабные стендам 14
1.2 Анализ состояния вопроса но конструкциям и і с\ пологи ям из г отовчення эдектрообогреваемыч имитаторов твэлов 17
1.2.1. Имитаторы твэлов прямого нагрева..., 17
1.2.1. Имитаторы твэчов косвенною нагрева 19
1.3 Выводы к главе I , , 31
ГЛАВА 2. Разрабоiка ими га 1оров косвенного нагрева для исследования аварийных режимов на сiендах псб ввэр-ккю и псв ріїмк 40
2.Обоснование выбора базовой конструкции и течію киии илошвления имиїаіорл ті» іа косвенного нагрева , 40
2 2 В in бор материалов эчементои конструкции имитатора твэла „42
2 3 Разработка конструкции и теч но юг им і із г ото в ієн и я имитатора твэ і л косвенного нагрева , 45
2 4 Экспериментальное определение допустимой плотности тепловою потока имитатора твэ іа косвенною наїрева с промежуточной оболочкой „ 48
2 5 Разработка имитаторов твэчов косвенної о нагрева для исследования аваринныч режимов на стенде ПСВ ВВЭР-1000 53
2 5 1. Разработка имитатора твэла косвенною нагрева с мощностью, соответствующей мощности твэча на уровне остаточного тепловыделения 53
2.5.2. Разработка имитатора твзла косвенною нагрева реактора ВВЭР-1000 с неравномерным профилем тепловыделения с мощностью, соответствующей номинальной дчя твэла ВВЭР-1000 .,. , 56
2 6 Разработка имитаторов твэлов косвенно! о нагрева для исследования аваринныч
режимов на стенде ПСВ РБМК 68
2 7. Выводы к і лаве 2 79
Глава 3. Разработка прямого нагрева 81
3.1. Исходные данные и течпические требования к разработке 81
3.2 Разработка конструкции и техно юти илотовчепия имитаюров твэлов 83
3 3 Илотовдение опытных имитаторов твэ юв 88
3 4 Выводы к главе 3 94
ГЛАВА 4. Исследование 95
4.1 Определение теплофнзнчесьих характеристик имитаторов твэлов косвенного нагрева в стационарных условиях , 95
4.2. Определение характеристик имитаторов твэлов косвенною наїрева в динамических условиях , ПО
4.3. Выводы к главе 4 117
Выводы 118
Лиіература
- Анализ состояния вопроса но конструкциям и і с\ пологи ям из г отовчення эдектрообогреваемыч имитаторов твэлов
- Разработка конструкции и теч но юг им і із г ото в ієн и я имитатора твэ і л косвенного нагрева
- Разработка имитатора твэла косвенною нагрева с мощностью, соответствующей мощности твэча на уровне остаточного тепловыделения
- Разработка конструкции и техно юти илотовчепия имитаюров твэлов
Введение к работе
Современный лан развитии атомно» знеріегики как в России, так и за р бежом \арактериз ется ужесточением требований по обеспечению безопасно» эксплуатации АЭС с одновременным совершенствованием конструкций ТВС с целью повышения конкурентоспособности атомной зперт етики.
В ситу специфики функционирования АЭС и ядерною реактора, как наибо іее важною состав іяющею этемента, решение огромною перечня научно-те\нически\ задач непосредственно в натурных условиях в подавляющем бозыпинстве случаев невозможно Полому с самою начала развития атомной інеріеіикн эксперименталЕ ные исследования тетпофизическнх процессов, протекающих в активной зоне, проводят па специальных стендах с испопьзованием моделей [ВС, в которых тепловьтделение обеспечивается имитаторам» тюдов за счет пропускания электрическою тока Конструктивно имитаторы твэчов разделяются на 2 типа имитаторы твэтов прямою нагрева и косвенною наїрева В имитаторах твэлов прямою нагрева тепловая энергия выделяется при прохождении этектрнческого тока по трубке с наружным диметром равным диаметру тюла В имитаторах косвенною наїрева э іекіронліренаемьііі проводник отделен от нарулчіюй тр)бы (обочочки) слоем электроизо ІЯ1ЩОПНОЮ материала, и поэтому при их исполыовании не требуеіся допошительнои эчектроизоштии частей экспериментального стенда Имитаторы твэюв с э іектрообогревом исполняются в основном для задач, связанных с безопасной эксп ратанией A3 ядерною реактора. Эги задачи можно разделить на исследования аварий с потерей теплоносителя и кризиса теплоотдачи. В модели "ІВС, сформированной из имитаторов твэлов, для ирлвнчьною воспроизведения температурных режимов при проведении исследований ДОЕЖНЫ соб податься следующие параметры высота активно» зоны, диаметр имитаторов твэ тов, проходные сечения Число имитаторов твэлов при этом в модели меш.інается в соответствии с коэффициентом масштабирования [1]. Надежность (достоверность) роіультатов молот быть наиболее полно обеспечена проведением экспериментальных исследовании на крупномасштабных стендах, которые подразделяю і ся на 2 типа- фратментные п ннтефальные Первые моделируют компоненты циркуляционного контура АЭС (наибоїее часто A3), вторые - циркуляционный кошур АЭС с основными унамн и предназначены дія иссчедования поведения контура в переходных и аварийных режимах
Объектом исследования явчяются имитаторы твэлов для исследования аварийных режимов и кризиса теплоотдачи на электрообофеваемых стендах.
Актуальность работы
Исследования аварииньїх и переходных реж ичов АЭС, определенно запасов до кризиса теплоотдачи РУ проводят па І іектрообофеваемі.іх стендах с использованием имитаторов твэчов прямою и косвенною нагрева Требованием нормативных документов, имеющих как российский так и международный сгатус, явіиеіся необходимость использования крупномасштабных интегральных стендов для обоснования безонасносш АЭС. Дчя соответствия современным мировым тенденциям исследований безопасности наиболее перспективной в обозримом будущем знеріетической реакторной установки ВВЭР-1000 и, продолжающейся активно эксплуатироваться, не имеющей мировых аналоїов, реакторной установки РБМК, в ФГУП ЭИИЦ введен крупномасштабный интегральный стенд безонасносш ПСБ Ш1ЭР-1000 и строится крупномасштабный интефальныи стенд безопасности ПСБ РБМК Проірамма исследовании на этих стендах предію.іаіаег [2], 3].
-но іучение по ІНОЦЄНШ.ІХ опытных данных д ш верификации системных теїпої идрлвдических кодов применительно к аварийным переходным режимам АЭС,
-.экспериментальное обоснование новых систем безопасности;
-проверка и отработка иротивоаварийных процедур. При исследовании аварийных режимов АЭС на стендах основной задачей яв іяется исследование температурных режимов твэлов.
Ірсбопания, предъявшемые к имитаторам тішон илом случае следующие
- имитатор твэла ДОДАСИ иметь близкие к твэлу теплофизическне свойства;
- плотность теплового потока должна быть равна или выше плотности тепловою потока соответствующей номинальной д ія твэла исследуемой РУ;
- дтя фиксации температурных режичов ичитатор твэла дочжен быть оснащен термопарами Іакис требования моїут быть обеспечены в имитаторах твэлов косвенного нагрева. В настоящее время не существует имитаторов твэлов косвенного нагрева в полной мере удов [створяющих вышеперечисленным требованиям
Основная трудность возникающая при изготовлении имитаторов твэюв прямою наїрсва - обеспечение треб емой точности профи ія тепловыделения по всей его .шине. В настоящее время профиль тепловыделения полномасштабных имитаторов твэюв прямою нагрева выпотняется с помощью ступенчатою приближения. Применяемый способ ікмуіення сг иенчатою но дшне профнтя теп ювыделения сосгоит в соединении между собой сваркой отдельных стхпенеи, отличающихся толщиной стенки оболочки. В местах стыковки ступеней при этом возникают значительные отклонения от заданною профиля имитатора твэла.
Таким образом, задача совершенствования известных и создания новых конструкции имитаторон твэюв, позвоіяюших с требуемой точностью обеспечивать моделирование аварийных режимов на этектрообогреваечых стендах явчяется актуальной наушо-техническои задачей
lle.ti.io работы яв шется разработка имиїаторов твэ юн д ш исследования аварийных режимов на этектрообогрсваемых стендах безопасности и исследование их теплофизических характеристик при этих режимах. В соответствии с целью ставятся следующие задачи: - разработка конструкций имитаторов твэчов косвенної о иаірена с п ютностыо теплової о потока, сооїиеісгвуюпіеіі номинальной ЛЕЯ ТВЭ :ОВ РУ ВВЭР-ШОО И ІМЛІ К-1000,
- рафлботкд конструкции имитатора твэ іа прямою наїрева с профилем теп ювьілелення, моде шр юшнм с требуемой точностью профи ЕЬ теп ювыделения тнэта,;
- исследование тепчофизичеекпх характеристик рафабенаиных конструкций имиїаторов полов косвенного нагрева в стационарных и динамических условиях работы.
Научная повита исследований:
1, Впервые раїрабоїана конструкция и технология іпютон ІЄІІИЯ имитатора твэта косвенною наїрева с промежуточной оболочкой, позволяющая достичь предельно ВЕЛСОКИХ плотностей теплового поіока дія имитаторов твэлов, выиолпеишлх.
2 Впершие разработаны термометрированпые имитаторы гвз юн косвенною нагрева с равномерным и неравномерным профи іем тенчовыделения с плотностью тентовою потока, соответствующей поминальной для тюлов РУ ВВЭР-1000 и РБМК-1000 3. Впервые разработан полномасштабный имитатор твэла прямою наїрева с заданной точностью моделирующий профиль тепдовьіделения твэла
4 Впервые вьию шено расчетно-эксперименталыюе определение теп юфизических харакіерисгнк рафаботаншлх. имитаторов твэюв и стационарных и динамических условиях работы
Практическая значимость
Результаты выполнения диссертационной работы имеют следующую практическую ценность
1. Разработанные термометрированпые имитаторы ТЮЛОІІ косвенною нагрева пепо іьзовалпсь при проведении экспериментальных исследований на полномасштабном стенде ЭНИЦ ПСВ ВВЭР-IOOO. Потучены уникальные экспериментальные данные по температурным режимам ТВС ВВЭР-1000 при рапичиых аварийных режимах, которые используются для верификации как российских теплоїидраплических кодов 1РАИ, КОРСАР, БАГИРА, так и западных кодов ATLET, CATHARE, RELAP.
2. Разработанные имитаторіл прямою нагрева с неравномерным по дшне теп ювыделеннем испочьзовались при исследованиях кризиса теплоотдачи ІВС ВВЭР-1500 и ІВС FWR в РИЦ «Курчатовский институт» дія обоснования РУ ВВЭР-1500 и PWR
3. Результаты техно юіическпх разработок внедрены на ОАО «Машиностроительный завод» при нзютовления имитаторов тіш он, разработанные конструкции.
Па защиту выносятся: 1 Конструкция имитатора типа косвенною нагрева с промелет очной обочочкои
2. Конструкция имитатора твэла прямою нагрева со ступенчатым но дшне нрофичем тепловыделения.
3. Результаты расчегпо-экснерпменталышю опреде іения тен юфнзичееких характеристик имитаторов тююв
Достоверность результатов исаіедовашш
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена экспериментальной проверкой всех технические решений, которые использованы в конструкциях имитаторов тиэюв косвенною и прямою нагрева Проверка технических решений проведена при изюшнчении опытных образцов в производственных условиях и испытаниях их на экспериментальных стендах, обеспечивающих параметры, соответствующие рабочим режимам при экспериментальных исследованиях Апробация работы
Основные почожсния работы бы ш до ЮЖСЕПЛ на - на оірлелевоп конференции в Обнинске, 29-31 мая 2001 і,
-на 4-ой международной научно-технической конференции. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. 23-26 мая 2005 г. І Іодольск (2 доклада);
- на конференции по ядерным техноюгиям. Атомный форум в 1 Іюремберге 2005г.;
- на международной молодежной ядерной конференции 9-14 мая 2004т. Торонто, Канада
Публикации
Осношпле почожения диссертационной работы изюжены в 10 и\біикаішях
Структура и объем диссертации
Настоящая диссертация состоит из введения, четырех їдав, выводов и списка неподкованной литературы.
В первой главе проведен обзор известных кОНСТр\кЦИЙ И ТСХНО ІОІИИ ИЗКНОВІЄНИЯ лектрообоїреваемглх имитаторов тиэ юн Рассмотрены и.х конструктивные особенности с четом исполыовлния дія конкретных исследовании. Проишедена классификация имитаторов косвенною нагрева по конструктивным и техно км ическич пришакач Дія каждою типа имитаторов твэюв косвенною нагрева определены преимущества и недостатки На основании проведенного анализа сформулированы задачи исследования
Но второй главе представлены результаты разработки конструкции имитатора косвенного нагрева с промежуточной оболочкой, обеспечивающей работоспособность при плотностях теплового потока до 1,5 МВт/ч2 Показано применение разрабоыннои консір\кпии для имитаторов ті» юн стендов ПСИ В ВОР-1000 и ПСІ) РІЇМК Обоснован выбор констр\ктивных и техно км ическнх решении, примененных дія данною тина имитаторов твэлов. Приведены расчеты по обоснованию работоспособности и результаты испытании, подтнерждающич надежность работы разработанных имитаторов твэ юв косвенною наїрсна
В третьей г лапе представ ієна разработка имитатора тюла прямою наїрева, имеющею и іанно ступенчатый профи [ьтептовыдсченин под nine
И чегнертоп їланс представ іеньї реіульгаїьі расчепю-эксперименталыюю определения теилофизическич характеристик разработанных имитаторов тіилов косвенною наїрева и стационарных и динамических условиях работы. Характеристики имитаторов тішов рассмотрены в сравнении с аналогичными характеристиками моделируемых твэчов.
Диссертация имеет объем 125 страниц, включая 38 рисунка, 14 таблиц Список нспольшванной литературы нключлег 53 наименования
Анализ состояния вопроса но конструкциям и і с\ пологи ям из г отовчення эдектрообогреваемыч имитаторов твэлов
Испотьзуемые и исследовательской практике j іектрообоїреваемьіе имитаторы твэ шв разделяются на 2 группы имиїаторьі твз-лов прямою и косвенною наїрсва В имитаторах тиэ ІОІЇ прямого нагрева тепчовыделение обеспечивается пропусканием .электрическою тока через наружную обо шчку (в этом сл чае оболочы находится под потенциалом) Имитаторы твэтов прямого нагрева об іадаюг бо іее простои конструкцией и телночоїиеи изютовиения но сравнению с имитаторами тітов косвенного нагрева и познопяют обеспечивать высокие тешювые потоки - свыше 3 МВтЛг . Как правило, имитаторы твэтов прямою наїрсва выпо шлются пустотелыми, либо заполненными инертным іаюч. Запо темпе іаюч мод дав іением (топая разгрузка) позволяет избежать потери устойчивости тонкосіеннои обо ючки при обтекании имитаторов твэлов теплоносителем под высоким давіениеч. В некоторых случаях рлмрузкл ог давления выиошяется с помощью засыпки внутрь имитатора ТЕШЛ (иол обоючку) порошка с чалой іранностью іерен, например порошка АЬОз, SiO: или MgO. Имитаторы твэлов прямого наїрсва успешно исполмовались ,лдя исследовании кризиса теплоотдачи и различных тспломассообменных процессов [61, [7], [8]. Кризис теплоотдачи является одним из лимитирующих факторов безопасной и надежной работы активной зоны реакторов с водой под давлением в качестве теплоносителя При наступлении кризиса теп юотдачи происходит резкое ухудшение теп юобмена, сопровождающееся быстрым ростом температуры оболочек твэлов и их возможным перегревом Іїо іьшая часть данных по кризису теплоотдачи получены дія равномерною ирофнчя по длине тепловыделения. В реальньїх же условиях работы активної] зоны теиловЕпделение но высоте твэтов неравномерное Известно, что неравномерный профи и, теп юшллеления по высоте твэлов значительно итияет на условия возникновения кризиса [9], [10].
Эго обусчов ієно так напиваемой «памятью» потока ичи прелысториеи потока. До настоящего времени нет единою универсальною меюда учеіа пшания неравномерною теп ювьЕделения, Поэтому при модернизации и разработке новых конструкций IIJC, в которых активно внедряегся профилирование выюрания топлива, исследования кризиса теп юотдачи необходимо проводить на имитаторах тючов прямого нагрева, имитирующих неравномерность тепловыделения по высоте активной зоны. В проработанной литературе приводятся в основном только данные результатов исследований, порученных с применением имитаторов твэлов прямою нагрева с равномерным но дійне тенчовыделенпем. При лом сведения по их конструкции и техночоїии илотов гения крайне ОЕраничены, и явчяюіся скорее исключением.
При исследованиях кришеа тепчоотдачн на се ми стержневой сборке в ГМИЭИ им Г М.Кржижановского (II] использование], имитаторы твэлов прямого нагрева с коеннусоидальным профилем тепловыделения, нагревательная часть которых бьіла выношена в виде трубок из нержавеющей стали. Косинусоидальный профиль имел 16 ступенек тепловыделения по дчине имитатора твэла. Каждая ступенька тепловыделения изюіавіивалась проточкой по наружному диамеїру отрезка трубы с последующей протяжкой через фи іьеру и термообработку, Іолщина стенки трубок находи іась в диапазоне от 0,7 до 2,0 мм Пос ге шнооїрезки разностениых труб сваривались между собой арюнодуюіши сваркой К недостаткам такою имитатора твэча можно отнести влияния мест сварки на точность определения значения критической плотности тепловою потока, невысокую точность получаемых механической обработкой геометрических размеров, а также высокую трудоемкость изготовления имитатора твэла, К достоинству примененной технологии и лотов гения имитатора твэла следует отнести испольіование универсальною, а следовательно, широко доступної о оборудования Д гя исследования в гиянин на кризис теплоотдачи профиля тепловыделения имитаторов стержневых гвз іоі в ОКІЇ «Гидропресс» [9] использовались имитаторы твэ юв в НИДе Тр ООК С ПОСТОЯННЫМ ПО ДЛИНе внутренним ДИаметрОМ 8 ММ И Переменной ТО НПИНОН стенки с организацией течения теплоносителя по ннутритрубному пространств) На выбор данною решения, по мнению самих исследователей, определяющее в іиямие оказала прием іемая по сравнению с исио п.зованием стержневой модели, стоимость работ но илшоп іеншо имитаторов твлов По данный подход дія проведения исследовании в обоснование запасов до кризиса теплоотдачи в современных І ВС, имеющих сложную теи км идрав іику, не приемлем.
Использование имитаторов твэтов прямого нагрева имеет ряд недостатков Нанбо ice существенным из которых явіяетея необходимость обеспечения лектроизоіяции узюв юрметизлции и корпуса, внутри которою находится экспериментальная модель, or оботочки имитатора твэда и токонодводов. Кроме jroio, имитаторы твэтов прямого наїрева не в состоянии обеспечить требование по соответствию объёмной тептоемкости имитатора тюла и твэта, которое является принципиальным при исследовании теп юі идрав іических процессов в авариях с потерей теплоносителя (АТП) [4]. Эго требование можно наиболее полно обеспечить, используя имитаторы твэтов косвенною нагрева. В имитаторах твэтов косвенною нагрева электронагреваемыи проводник отделен от наружной трубы слоем, аккуму шр ющим тепло электронзоляционною материала, и поэтому при и\ исио шзованни не треб ется дополнительной этсктроизоляпии частей экспериментальной установки
Известно много конструкции имитаторов твэлов косвенною нагрева, используемых для моделирования тепловыделения реальных твэлов Их конструктивные огличия определяются в основном особенностью размещения электроизотяционного материала, который определяет в конечном итоге величину предельной плотности тенчовою потока, а следовательно, и кр\і исследовательских задач, решаемых при пспон/юванин имитаторов твэлов
Па рис. 1.1 показан имнтаюр твэча "Tubular" [12], который иепо імовалея при исследовании повторного залива применительно к реактору BWR Оболочка имитатора твэча выношена из цирконневою сплава (циркалой-2), в качестве электроизоляционного материала испочьзуется порошок АЬ03 и виброун ютненном состоянии (70 9с о\ теоретической плотности). Дія моделирования теп юфизичеекпх свойств твэла внутренний объем имитатора твэла через один из токоподводов заполняется инертным і азом (арі оном) Веледеівие низкой теп юпроводностп нлпо жителя конструкция имитатора твэла имеет ограничения по ве іичине іпотности тепловою потока
Разработка конструкции и теч но юг им і із г ото в ієн и я имитатора твэ і л косвенного нагрева
Для исследования температурною режима в моделях ТІЇС оболочки имитаторов твэчов лої/ким оспащаи.ся термопарами. Наличие термопар в известных конструкциях имитаторов TBJ ion косвенною нагрева, изюювленных по техно юіии ТЭН, существенно ухудшает процесс заполнения э іектроизоляционньїм материалом, тем самым, создавая проблемы с обеспечением соосности нагревателя и наружной оболочки и приводя к образованию участков с низкой плотностью электроизоляционного материала Присутствие таки\ участков значительно ограничивает допустимую электрическую мощность имитатора твэла и снижает ею надежность при проведении экспериментальных исследовании.
Дія устранения этих недостатков быта разработана конструкция и технологическая счема нзютовтения имитатора твзла косвенною нагрела, отличительной особенностью которою яв іяется наличие промежуточной оболочки. Разработанная конструкция имитатора твэла применительно к реактору ВВЭР-1000 показана на рис. 2.1.
В данной конструкции имитатора твэла термопары располагаются между наружной и внугренней (промежуточной) оболочками, что дает возможность обеспечивать равномерную и достаточно высокую плотность электроизоляционной) материла по всей дтине имитатора твэла.
Имитатор твзла состоит из наружной оболочки 1 диаметром 9,15 о і мм, выполненной из нержавеющей стали и служащей для размещения этементов имитатора твзла и удержания давіения рабочей среды. Имитатор твэла также содержит внутреннюю (промежуточную) оболочку 2, в которой размещен нагревательный элемент 3. Нагревательный элемент 3 отделен от внутренней оболочки 2 электроизотирующим слоем 5 из периклаза (MgO)
Между внутренней оболочкой 2 и наружной оболочкой 1 размещены 4 кабельные термопары 8, выходящие из имитатора твэла через узел герметизации 7. Выбор термопар кабельного типа обусловлен возможностью их деформации без потери работоспособности при совместной деформации оболочек имитатора твэла и кабельных термопар. Подвод напряжения к нагревательному элементу 3 осуществляется с помощью электродов 6 и 4. Длина медного электрода в имитаторе твэла соответствует участку стабилизации теплоносителя и зависит от конструктивного исполнения модели ТВС.
Использование в конструкции имитатора твэла промежуточной оболочки позволило выполнять размещение термопар в имитаторе твэла после выполнения операции засыпки периклазом. Разработанная технологическая схема изготовления имитатора твэла включала последовательность выполнения следующих основных технологических операций: 1. Изготовление нагревательного элемента, состоящего из медного и нихромового стержней, соединенных между собой аргонодуговой сваркой. 2. Сборка нагревательного элемента с промежуточной оболочкой из сплава типа 08Х18ШОГ. 3. Засыпка промежуточной оболочки с установленным в нее нагревательным элементом эчектроизоляционпым материалом в виде порошка периклаза Операция выполняется на набивочной машине типа KOF-6 фирмы KAN I HAL (Швеция) 4. Вино іненне 4-\ канавок на наружной поверхности промежуточной обо ючки 5. Размещение в канапках промежуточной оболочки 4-х термопар кабельної о типа 6. Сборка наружной и промежуточной оболочек. 7. Обжатие по наружному диаметру наружной оболочки на ротапионно-ковочпой машине типа R-3-4 фирмы Henoch Mullcr (Германия). 8. Подрезка заготовки имитатора в требуемый размер. 9. Приварка к нагревательному элементу и оболочкам верхнею электрола. 10 Герметизация силиконовым іерметиком открытого конца имитатора твэча.
Отличительная особенность разработанной технологии заключается в том, что операцию заполнения периклазом производят в промежуточную оболочку (с разметенным внутри нее нагревателем) стандартным для технологии ТЭН способом. Оісутетвие термопар в заполняемом нериклазом шіугреннем объеме обеспечивает равномерность засыпки и ее высокую плотность после обжатия в готовом имитаторе твэла.
Разработка имитатора твэла косвенною нагрева с мощностью, соответствующей мощности твэча на уровне остаточного тепловыделения
Данная разработка проводилась для модели ІВС реактора ВВЭР-1000 мощностью 1,5 МВт, предназначенной для исследования аварийных режимов на стенде ПСБ ВВЭР-1000 на уровне, соответствующему остаточному тепловыделению в реальном твэле
Стенд ПСБ ВВЭР-1000 [ЗУ] — это крупномасштабная интегральная установка, структурно подобная первому контуру АЭС с реактором ПВЭР - 1000 (проект В - 320) Объечно-мощностнои масштаб стенда - 1 300, высотные отметки основного оборудования стенда соответствуют высотным отметкам реактора - прототипа. Стенд состоит из четырех петель, замкнутых на модель реактора. Каждая петля содержит циркуляционный насос, парогенератор, а также хочодный и горячий трубопроводы. Одна из петель явчяегея "аварийной", и поэтому, оснащена специальными патрубками дчя подсоединения к системе имитации течи из первою контура Конструкция модели I ВС мощностью 1,5 МВт, в которой используются имитаторы твэч косвенного нагрева, показана на рис 2 4 .
Имитатор твэла, входящий в состав моде.]и ТВС мощностью 1,5 МВт на стенде ПСБ ВВЭР-1000, должен был удовтетворять следующим требованиям: 1. Плотность теплового потока- не менее 0,1 МВт/м"; 2. Давление теплоносителя-до 18МПа; 3. Температура теплоносителя в стационарных режимах - 320 С, 4 Имитатор твэла должен быть работоспособен при периодических заливах и осушении, температура на оболочке от 50 до 800 С. 1. Патрубок подвода теплоносителя; 2. Корпус; 3. Пучок имитаторов твэлов; 4. Верхняя токоподводящая решетка; 5. Термометрированный имитатор твэла; 6. Электроизолирующая решетка; 7. Патрубок подвода воздуха в камеру охлаждения нижних токоподводов; 8. Вытеснитель; 9. Дистанционирующая решетка; 10. Штуцер отбора давления; 11. Верхний токоподвод
Корпус с моделью ТВС ВВЭР-1000 її качестве источника питания на стенде используется выпрямительный агрегат с параметрами напряженея до 115 В, ток до 25000 Л, Учитывая, что максимальное напряжение источника питания 115 В получим электрическое сопротивление имитатора твэта: г т2 і і -2 /? = — = _ = 1,470м (2.1) N 9000
Полученное значение электрическою сопротивления имитатора твэта определило формы наїревателя имитатора твэлл в виде стержня постоянного диаметра и дтиной, равной длине активной зоны (3530 мм). Рассчитанному значению электрическою сопротивления соответствует стержень из става Х20НЖ) диамеїром 2,0 мм. В качестве конструкции была выбрана конструкция имитатора твэла косвенною нагрева с промежуточной оболочкой рис. 2 1 (толщина основной и промежуточной оболочек 0,8 мм и 0,25 мм соответственно). Медный токоподвод, определяющий пассивную часть имитатора твэла, был выбран дтинои 1000 мм и диаметром 3 мм.
Имитаторы твэлов, разработанной конструкции, были изготовлены на ОАО «Машиностроительный завод» дія комплектации модели ТВС мощностью 1,5 МВт для стенда ПСБ ВВЭР-1000. В 2001 и 2002 годах на стенде ПСВ-ВНЭР е использованием модели I ВС ВВЭР-1000 мощностью 1,5 МВт выполнены 19 носков (не разбирая сборку) с обшим временем работы сборки 58 суток Во время этич пусков выполнено 85 режимов со сбросом мощности, из них 22 рел-има с разогревом сборки выше температуры насыщения и 57 режимов с частичным запариванием сборки. В 2003 и 2004 годах выполнено 8 пусков Самые тяжелые условия для модели ТВС были при исследовании течи теплоносителя 11 и 16 % из «хоюдного» трубопровода В этик экспериментах обоючки имитаторов твэлов разогревались до 960 С Все эксперименты выполняюсь по собственному сценарию. Начальные )слония во всех экспериментах в основном соотвегствовали стационарному состоянию реакторной становмі ВВЭР-1000 2.5.2. Разработка имитатора твэла косвенного нагрева реактора ВВЭР-1000 с неравномерным профилем тепловыделения с мощностью, соответствующей номинальной для твэла ВВЭР-1000.
Положительный опыт эксплуатации модели ТВС ВВЭР-1000 мощностью 1,5 МВт позволил перейти к разработке имитатора твэла косвенного нагрева, предназначенного для работы в составе модели ТВС мощностью 10 МВт на стенде ПСБ ВВЭР-1000. Следует отметить, что электрическая мощность имитатора твэла соответствует номинальной мощности твэла ТВС ВВЭР-1000 . крапне сложной и очень трудоемкой задачей, для имитатора тнэча ВВЭР-1000 мощностью 60 кВт был выбран ступенчатьтй профиль тепловыделения, плавно изменяющийся при переходе с одной ступеньки на друїую. Дня этого длина зоны тепловыделения имитатора тюіа была разбита на 10 одинаковых ступенек длиной раиной 353 мм В пределах дтииы ступеньки тепловыделение соответствует среднему значению заданного плавного профиля на участке расположения ступеньки. Коэффициент неравномерности распределения тепчовыделения по высоте имитатора тіта для каждой ступеньки рассчитывался по формуле:
Разработка конструкции и техно юти илотовчепия имитаюров твэлов
Измерение внутренних диаметров меньше 6 мм производилось по концу заготовки на расстоянии приблизительно 20 мм от торца. Для этого использовался нутромер фирмы Mitutoyo модель 368-907, выполняющий измерение по 2-ум точкам. Схема измерения для данного случая показана на рис. 3.8.
После окончательной механической обработки готовых имитаторов твэлов наружный диаметр на всех имитатора составил 09,5.о,оз мм. Измерения толщины стенки проводились выборочно на 5 "холодных" имитаторах твэл ультразвуковым методом на установке МЕТАЛЛ 6М. Принцип измерения на установке МЕТАЛЛ 6М основан на измерении периода колебаний, возникающих на собственной резонансной частоте стенки трубы при ее возбуждении широкополосным акустическим импульсом. Частота измерения достигает 2000 импульсов в секунду. Основная абсолютная погрешность измерения толщины стенки трубы составляет ±0,01% от толщины стенки. Методикой измерения предусматривалось измерение максимальной и минимальной толщины стенки через 100 мм по длине имитатора. Результаты измерений показали, что разброс толщины стенки в одном сечении находится в пределах от =3 % (на участках с максимально] ! стойкой) до в среднем около К) % от номинальною значения (на участках с минимальной толщиной)
Измерения з іектрического сопротивления изготовленных имитаторов твэлов проводитись миллиомметром АВМ-3245 с погрешностью измерения не более ±0,2 %. Разброс общего сопротивления половинок "холодных" имитаторов твэлов составляет не более 5 %, "\ орячих" - не более 4 %.
После подбора половинок и сварки полномасштабных имитаторов ТЕШОВ были отобраны 16 «холодных» и 9 «горячих» имитаторов твэчов. Отклонение общею сопротивления в имитаторах твэлов не превышало 2 %. Из них была изютовчена 25-сіержневая модель I ВС реактора типа PWR, на которой на тепчофизическом стенде КС проведенными исследованиями кризиса теплоотдачи была подтверждена работоспособность разработанных имитаторов твэлов прямою наїрева [48]. Оксиериментьі проводились при следующих значениях определяющих параметров: - абсолютное давление в копне зоны тепловыделения экспериментальною участка 103,5,124,1,144,8 ц 165,5 бар, -массовая скорость теплоносителя 0678,2 , 1017,2 , 1356,3 , 2034,5 , 2712,6, 3390,8 и 4068,9 кг/(м2 с), температура теплоносителя на входе в зону тепловыделения от 120,6 до 327,8 С.
Во время проведения исследований было зафиксировано 198 кризисных режимов. Длительное время (около 400 часов) экспериментальная модель эксплуатировалась в режиме кипения при высоких тепловых потоках и паросодержании. Предложена конструкция имитатора твэла прямою нагрева, позволяющая приблизить профилЕ» теп ю в Е Е деления имитатора твзіа к профилю теплошлделсния твэла 2. Пред южена технолоіия ил отопления имитатора твэла прямою нагрева, обеспечивающая получение профиля тепловыделения с заданной точностью. 3. Показано, что использование сплава 42ХПМ обеспечивает выполнение технических требований к нагревательной части имитатора твэла прямої о наїрева. 4. Работоспособность разработанною имитатора твэла прямого нагрева подтверждена при проведении исследования кризиса теплоотдачи на модели РУ PWR нл теплофизическоч стенде КС.
Основной задачей экспериментальных исследований, проводимых с применением электорообогрсваечых имитаторов твэлов, является определение температурною режима модели ТИС при разіичшлч условиях охлаждения, в том числе и при авариях связанных с потерей теплоносителя в 1-м контуре АЭС. Поэтому в имитаторах твэлов косвенною наїрева кроме обеспечения подобия геометрических размеров и тепловых нагрузок необходимо знание и по возможности максимальное приближение к величинам в реальных твэлах значений аккумулированной ими теплоты.
Использование электрического тока для генерации тепла в имитаторах твэлов требует наличия в и\ конструкции достаточно протяженных участков, выполняющих роль электрической изоляции, в которых отсутствует объемное тепловыделение, (ем самым изначально характер распределения температуры по сечению имитатора тюла будет отличаться от распределения температуры в реальном твэле. Дополнительно к этому, используемые материалы в имитаторах твэлов косвенного нагрева имеют теплофизичесміе свойства отличные от материалов реальных твэлов.
Определение аккумулированной теплоты в разработанных имитаторах твэлов косвенною нагрева для стационарных услоний проводилось расчетным путем исходя из профиля температур по сечению и длине имитатора твэла и теилофизических характеристик материалов плотности, коэффициента теплопроводности и удельном теплоемкости.
Исходными данными для расчета стационарною температурною поля имитаторов твэлов косвенног о наїрева яілягатея: - геометрические paїмерьі имитаторов тю.юв и их составляющих .моментов; - закон распределения п ютности теп юної о потока по дчине активной части; - температура на наружной поверхности оболочки при стационарных условиях охлаждения; - коэффициенты теплопроводности, применяемых в имитаторах твэлов материалов.
Если по нихрому и нержавеющей стали коэффициенты теплопроводности известны и эти данные хорошо соиасуются в разных источниках, то по порошку периклазл в проработанной литературе еі о значения приведены в достаточно широком диапазоне.
На рис. 4.1 приведены значения коэффициента теплопроводности периклаза по іученньїе из разных источников На первом трафике рис. 4.1 показана зависимость в продольном направлении коэффициента теплопроводности порошка периклаза, уплотненного до величины 3,1 кі/м . Эти данные получены в ФЭИ [24] с помощью методики, основанной на измерении перепада температуры вдоль оси образца при прохождении теплового потока в осевом направлении. На втором ірафике рис. 4.1 представлена зависимость коэффициента теплопроводности порошка периклаза от температуры, измеренная на образцах ТЭН [16] в поперечном направлении Как видно из ірафиков при температуре -600 С значения коэффициента тептопроводности отличаются более чем в 2 раза. И это, по-видимому, связано с тем, что на свойства порошка периклаза в изделиях в значительной мере оказывает влияние воздушный зазор между сю гранулами. Величина этого впняния зависит от технологических особенностей изготовления изделии (в первую очередь степени обжатия), конструктивного исполнения нагревательного элемента, влияющего на взаимное изменение размеров материалов при термическом расширении, и фракционного состава гранул периклаза. Так, после заполнения порошком периклаза объема между оболочкой и нагревательным стержнем плотность периклаза составляет -2,4 г/см , при пчотности в кристаллическом виде 3,5 і/см3.
