Введение к работе
Актуальность работы
Согласно Федеральной целевой программе "РАЗВИТИЕ АТОМНОГО ЭНЕРГОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА РОССИИ НА 2007 - 2010 ГОДЫ И НА ПЕРСПЕКТИВУ ДО 2015 ГОДА" предусматривается ускоренное строительство атомных электростанций и ввод в эксплуатацию 10 новых энергоблоков атомных электростанций общей установленной мощностью не менее 9,8 ГВт. Основная часть этих энергоблоков будет оснащена реакторными установками с ВВЭР. В России разрабатываются проекты перспективных реакторных установок с реакторами ВВЭР-600, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 и ВВЭР-1500. Одним из основных критериев, предъявляемых к этим реакторам, является повышение уровня безопасности для соответствия современным нормативным требованиям. Это требует тщательного расчетного и экспериментального обоснования проекта реакторной установки.
На данный момент для выполнения анализов безопасности РУ с ВВЭР наиболее широкое применение находят такие теплогидравлические одномерные коды, как RELAP, CATHARE, ATHLET, ТРАП, КОРСАР и другие. В спектре анализируемых аварийных и переходных процессов имеют место исходные события, приводящие к несимметричному пространственному возмущению температуры или концентрации борной кислоты на входе в активную зону реактора, что приводит к соответствующему локальному изменению мощности реактора и влияет на безопасность. К таким исходным событиям относятся разрыв паропровода, закрытие БЗОК на одной из петель, подключение ГЦН ранее не работавшей петли, подача конденсата либо раствора борной кислоты в одну из петель и т.д. Однако несимметричные трехмерные переходные процессы в проточной части реактора, вызванные вышеперечисленными исходными событиями, невозможно корректно моделировать с помощью одномерных программных средств, т.к. они имеют ярко выраженный пространственный характер. Реакция активной зоны реактора на переходные режимы, приводящие к формированию неоднородных условий на входе в активную зону, сильно зависит от степени перемешивания теплоносителя в опускном канале и напорной камере реактора перед тем, как он достигнет активной зоны. Необходимо подчеркнуть, что одним из наиболее сложных трехмерных гидродинамических процессов в системе теплоносителя первого контура является процесс разбавления и транспорта бора. При проведении расчетной оценки допущения «идеального перемешивания» и «отсутствия перемешивания» могут дать большое разнообразие предсказываемых последствий в активной зоне реактора, причем первое допущение приведет к слишком оптимистичным результатам, а второе допущение может привести к излишне завышенной консервативной оценке. Необходим уточненный метод моделирования процесса перемешивания, позволяющий обоснованно снизить консерватизм расчетов при выполнении анализов безопасности для обоснования повышения мощности действующих, строящихся и проектируемых реакторов типа ВВЭР. Наиболее приближенные к реальным значениям результаты позволят получить трехмерное моделирование процессов в реакторе.
В настоящее время в ОКБ "ГИДРОПРЕСС" для выполнения проектных расчетов применяется ряд пространственных системных теплогидравлических кодов таких, как ТРАП-КС, ДКМ, КОРСАР/ГП и другие. В качестве поддержки применяются коммерческие CFD-коды типа CFX и STAR-CD, однако расчеты по ним требуют очень больших временных и компьютерных ресурсов. На данный момент указанные коды не верифицированы и достоверность расчетов по ним может быть подвержена сомнению.
Актуальность диссертационной работы заключается в предоставлении недостающих результатов экспериментальных исследований, моделирующих пространственное изменение параметров теплоносителя (концентрации борной кислоты или температуры), предназначенных для верификационных целей. Исследования проводились на 4-х петлевом стенде, сооруженном в ОКБ «ГИДРОПРЕСС».
Цель научного исследования
Целью диссертационной работы являлось получение экспериментальных данных по перемешиванию потоков с разной концентрацией борной кислоты или разной температурой применительно к реакторам типа ВВЭР, предназначенных для верификации 3-х мерных системных теплогидравлических кодов ТРАП-КС, ДКМ, КОРСАР/ГП, а также CFD кодов.
Научная новизна
Разработана методика исследования перемешивания петлевых потоков теплоносителя в опускном канале и напорной камере ВВЭР с использованием солевого трассера и кондуктометрического метода.
Впервые в России получены экспериментальные данные по перемешиванию потоков теплоносителя с разной концентрацией борной кислоты и с разной температурой в проточной части реактора на четырехпетлевом стенде, моделирующем реакторную установку с ВВЭР в масштабе 1:5.
Впервые в России были выполнены эксперименты по перемешиванию в условиях естественной циркуляции и разности плотностей основного теплоносителя и впрыскиваемой «пробки» конденсата. Выявлено существенное влияние разности плотностей на процесс перемешивания.
Практическая значимость
Экспериментальные данные по перемешиванию теплоносителя в опускном канале и напорной камере реактора использованы для верификации кодов ТРАП-КС, ДКМ, КОРСАР/ГП, а также CFD кодов. Расчетный код КОРСАР/ГП уже аттестован.
Применение верифицированных пространственных теплогидравлических кодов позволяет обоснованно снизить консерватизм расчетов при выполнении анализов безопасности для РУ с ВВЭР, что, в свою очередь, приводит к повышению конкурентоспособности проекта РУ на внутреннем и внешнем рынке.
В результате исследований установлено, что при попадании в реактор «пробки» конденсата в режиме естественной циркуляции разность плотностей теплоносителя в «пробке» и циркуляционном контуре сильно влияет на характер перемешивания в
опускном канале реактора и приводит к существенному снижению опасности реактивностной аварии. Достоверность
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных методов измерения, неоднократным повторением каждого из экспериментов, анализом погрешностей, использованием предтестовых и посттестовых расчетов и подтверждена хорошим согласием с зарубежными аналогами.
Личный вклад автора в полученные результаты
Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в постановке задачи, оснащении средствами измерения экспериментальной установки, разработке программы и методики экспериментов, проведении экспериментов, обработке результатов исследований и выпуске научно-технических отчетов.
На защиту выносятся
Результаты экспериментальных исследований перемешивания теплоносителя первого контура в опускном канале и напорной камере реактора ВВЭР-1000 с применением кондуктометрической методики. Исследования проводились применительно к следующим режимам:
перемешивание потоков теплоносителя с различной концентрацией бора при пуске ГЦН;
перемешивание потоков теплоносителя с разной плотностью при восстановлении естественной циркуляции в процессе аварии с «малой» течью теплоносителя первого контура;
перемешивание потоков теплоносителя при работе различного числа ГЦН и в условиях естественной циркуляции.
Апробация работы и публикации
По результатам работы сделаны сообщения на Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» в г. Подольске в 2007 и 2009 г.г.
Результаты экспериментов обсуждались на совместных встречах с французскими, германскими и итальянскими специалистами в рамках международного проекта TACIS R2.02/02 «Развитие средств анализа безопасности реактора ВВЭР-1000, включая переходные процессы с пространственным возмущением характеристик теплоносителя (температуры или концентрации бора) на входе в активную зону».
По теме диссертационной работы имеются публикации в рецензируемых журналах «Вопросы атомной науки и техники» и «Science and Technology of Nuclear Installations».
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, 145 страниц текста, 108 иллюстраций и списка литературы из 32 наименований.
