Введение к работе
Развитие современного общества определяет неуклонный рост объемов потребляемой энергии. Существенную долю в её производство вносят ядерные энергетические установки (ЯЭУ).
Расположение ЯЭУ вблизи крупных населенных районов и специфика производственных процессов предъявляют к эксплуатации этих установок повышенные требования по безопасности. Основным из них является предотвращение выхода радиоактивных веществ в окружающую среду при любых авариях. Выход радиоактивных продуктов возможен при значительном повреждении оболочки тепловыделяющих элементов (твэл), связанном с перегревом топливной композиции в результате ухудшения теплоотвода от поверхности твэ-лов. Такой тепловой дисбаланс может возникнуть при нарушении циркуляции через активную зону (A3), например, в аварии с разгерметизацией охлаждающего контура с частичной потерей теплоносителя.
Gi С
Линия баланса расходов 2. G-|> Анализ аварии с течью 1-го контура реакторной установки (РУ) с водово-дяным реактором (ВВЭР) показывает, что при функционировании систем безопасности возможно сохранение A3 под уровнем воды. При этом охлаждение тепловыделяющих сборок (ТВС) осуществляется теплоносителем в режиме естественной циркуляции с образованием гидравлических контуров в оборудовании РУ. Предельным случаем таких режимов является полное прекращение направленного движения теплоносителя через A3 при разрыве контуров циркуляции. Охлаждение ТВС в этих условиях осуществляется теплоносителем из объемов, расположенных над A3 при противоточном движении потоков пара (вверх) и воды (вниз). При этом может иметь место кризисное гидродинамическое явление «захлёбывание» (flooding), ограничивающее поступление жидкости (Gi) в канал сверху при данном расходе пара (G2), т.е. «захлёбывание» определяет максимальный расход гравитационно стекающей жидкости при данном расходе восходящего потока пара (рис. 1, линия ВС). Наиболее часто рассматриваются два частных случая «захлёбывания»: '2кр Рис.1 Взаимосвязь расходов противоточ-ных потоков воды (Gi) и пара (G2) при «захлёбывании» (линия ВС). прекращение поступления жидкости в канал сверху Gi=0 (точка В на линии ВС). Этот случай, называемый «опрокидывание», определяет условие перехода от противоточного к однонаправленному подъёмному движению парового ядра и пристенной плёнки жидкости; переход к «захлёбыванию» (точка А на линии ВС), который характеризует достижение линией баланса расходов Gi=G2 (линия ОА) кривой «захлёбывания» ВС. Эта точка определяет критический расход пара (G2Kp) и соответствующую ему критическую мощность (NKp=G2Kpr) заглушённых снизу парогенерирующих каналов (ПГК), например, ТВС (в условиях отсутствия подвода теплоносителя через её нижнее сечение) или термосифонов. Значение NKp определяет временной промежуток после глушения тепловыделяющей сборки реактора типа РБМК, по прошествии которого мощность остаточных тепловыделений становится меньше значения NKp, и допустимо закрытие клапана на входе в технологический канал с исключением его из режима циркуляции. При дальнейшем увеличении расхода пара G2>G2Kp (мощности ПГК N>NKp) взаимосвязь расходов фаз описывается отрезком АВ линии «захлёбывания», т.е. G2>Gi. Это нарушение баланса расходов приводит к постепенному осушению канала и через определённый промежуток времени к ухудшению теплоотвода от его теплоотдающей поверхности. До настоящего времени количество рекомендаций по определению как взаимосвязи расходов противоточных потоков фаз при «захлёбывании», так и значения NKp было весьма ограниченным. Кроме того, они были не универсальны для каналов разных форм и геометрических размеров, не охватывали широкого диапазона изменения давления пароводяной смеси и были неприменимы к системам параллельно включённых каналов, а также к сложным системам, представителем которых являются ТВС водоохлаждаемых РУ, содержащие как стержни, так и элементы их дистанционирования. Ликвидация в определённой степени этих пробелов и являлось основной целью представленной работы. Актуальность работы обусловлена необходимостью адекватного описания характеристик «захлёбывания», оказывающих значительное влияние на безопасность АЭС с водоохлаждаемыми реакторами. Исходя из общей цели, в работе решались следующие задачи: получение нового экспериментального материала по взаимосвязи расходов потоков воды и пара при «захлёбывании» и по значениям NKp; разработка универсальных соотношений, описывающих рассматриваемые процессы в каналах разной геометрии, на основе анализа полученных опытных данных и результатов других исследований; верификация расчётных теплогидравлических кодов, применяемых при обосновании безопасности АЭС, по моделированию «захлёбывания» с использованием полученных экспериментальных данных. Методический подход, принятый в работе: эксперименты проведены на 7 вертикальных каналах разной геометрии и поперечных размеров, включая трубы диаметром D=30-80 мм, 19-, 40- и 80-стержневые сборки с гексагональной и квадратной упаковкой при наличии или отсутствии затеснения верхнего сечения дистанционирующей решёткой (ДР); наряду с достаточно исследованным рассмотрен и малоисследованный диапа- зон низких давлений (Р=0.1-1.0 МПа), при котором наиболее вероятно возникновение «захлёбывания» в элементах оборудования АЭС при авариях. Автор защищает: экспериментальные данные по взаимосвязи расходов противоточных потоков воды и пара при «захлёбывании» Gi=f(G2) и значениям NKp, полученные на 7 представленных выше каналах при давлении 0.2-1.6 МПа; разработанные на основе обобщения полученного экспериментального материала с привлечением результатов других исследований универсальные соотношения по взаимосвязи расходов противоточных потоков пара и воды при «захлёбывании» Gi=f(G2) и NKp=f(P) для каналов разной геометрии; усовершенствованную методику расчёта временного интервала между наступлением гидродинамического кризиса в заглушённом снизу ПГК (N>NKp) и началом ухудшения охлаждения его теплоотдающей поверхности; опытные данные по истинному объемному паросодержанию (ф) в вертикальной трубе D=80 мм и 80-стержневом пучке при Р=0.1-0.2 МПа. Научная новизна работы обусловлена следующим: на 7 приведённых выше каналах разной геометрии получены новые экспериментальные данные по зависимости Gi=f(G2) при «захлёбывании» и NKp; получены новые экспериментальные данные по истинному объемному паросодержанию (ф) в парогенерирующих обогреваемых каналах; на основе анализа экспериментального материала настоящей работы с привлечением данных других исследований: получены универсальные соотношения для определения параметров «захлёбывания» в вертикальных каналах разной геометрии: одиночных каналах (трубы, концентрические кольцевые каналы, щели прямоугольного сечения, стержневые сборки с элементами дистанционирования и без них). Соотношения применимы в диапазонах изменения гидравлического диаметра канала dr=3-80 мм и давления Р=0.2-8.0 МПа; получено соотношение для расчёта взаимосвязи расходов противоточных потоков пара и воды в системах параллельно включённых каналов разного диаметра и разной степени перфорации общего сечения. Соотношение применимо в диапазоне давления Р=0.1-4.0 МПа; разработан метод определения критического, в гидродинамическом смысле, сечения стержневой сборки с элементами дистанционирования, т.е. сечения, определяющего значение NKp ТВС в условиях «захлебывания»; предложена усовершенствованная методика расчёта временного интервала между наступлением «захлёбывания» в заглушённом снизу ПГК при N>NKp и началом ухудшения охлаждения теплоотдающей поверхности канала. Методика включает полученные автором соотношения по взаимосвязи расходов противоточных потоков фаз Gi=f(G2) при «захлёбывании» и определению объемного паросодержания (ф) в обогреваемых каналах. Достоверность научных положений основывается на следующем: эксперименты выполнены на двух экспериментальных установках с семью каналами разных форм и геометрических характеристик по проверенным методикам подобных экспериментальных исследований; эксперименты выполнены как в малоизученном диапазоне низких давлений двухфазных потоков Р=0.1-1.0 МПа, так и в достаточно исследованном интервале более высоких значений; предлагаемые выводы и соотношения базируются на результатах экспериментов, проведенных как автором, так и другими исследователями; разработка расчетных соотношений проводилась на основе апробированных зависимостей, полученных другими авторами в работах по данной тематике; в опытах использованы современные и апробированные средства измерения; предложенные физические модели и соотношения согласуются с современными представлениями о процессах теплообмена и гидродинамики. Практическая ценность работы. Полученные экспериментальные данные использовались при верификации отечественных расчетных кодов СОКРАТ и КОРСАР, применяемых при обосновании безопасности РУ с ВВЭР-1200 и ВВЭР-640, а также зарубежной программы RELAP5/MOD3.2. Предложенные соотношения могут быть использованы при оптимизации геометрических характеристик новых ТВС для создаваемых реакторов. Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты работ, выполненных автором самостоятельно и совместно с сотрудниками «НПО ЦКТИ» и ОАО «СПб АЭП». Автор принимал участие в создании экспериментальных установок и проведении экспериментов на них. Автором лично проведён анализ результатов опытов и разработаны полученные соотношения. Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на: международной конференции «Теплофизика-98» (Обнинск, 1998); конференции «Молодые специалисты об актуальных вопросах развития атомной энергетики (С.-Петербург, 2001); международной научно-технической конференции (МНТК) «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, 2007); МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (Москва, 2010); научно-технических советах СПб АЭП и ЦКТИ. Результаты работы представлены на международных конференциях по ядерной энергетике ICONE: Nice, France, May 26-30, 1997; Tokyo, Japan, April 19-23, 1999; Baltimore (MD), USA, April 2-6, 2000; 3-й Балтийской конференции по теплопередаче, Gdansk, Poland, сентябрь 1999. По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ, включая 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Структура и объём работы. Диссертация содержит 177 страниц основного текста (введение, 5 глав с выводами, заключение), 70 рисунков и 9 таблиц. Список литературных источников содержит 89 наименований (без трудов автора). Общий объем диссертации - 192 страницы.Похожие диссертации на Экспериментальные исследования гидродинамического кризиса противоточных потоков пара и воды в элементах оборудования АЭС
