Введение к работе
Актуальность. Настоящее и будущее ядерной отрасли Российской Федерации требует создание энергоблоков, способных на максимально эффективное производство электроэнергии при условии гарантированной безопасности. Необходимо постепенно и поэтапно модернизировать отдельные элементы реакторной установки, а также повышать их технологические и эксплуатационные параметры.
В ОАО «ОКБМ Африкантов» на протяжении многих лет проводятся работы по усовершенствованию конструкций активных зон водо-водяных ядерных реакторов в целом и тепловыделяющих сборок в частности. Работы в этом направлении ведутся для решения следующих основных задач:
реализация безопасных и экономически эффективных топливных циклов;
повышение эксплуатационного ресурса активных зон в целом и ТВС в частности;
обеспечение геометрической стабильности конструкции ТВС;
повышение эксплуатационной надежности ТВС;
создание ремонтопригодных ТВС.
Одним из перспективных направлений решения поставленных задач является улучшение теплогидравлических характеристик тепловыделяющих сборок, которое достигается за счет использования перемешивающих решеток (ПР) в качестве интенсификаторов тепломассообмена. Такие устройства, с одной стороны, обеспечивают повышенную турбулизацию потока теплоносителя и перераспределение его по сечению сборки, а с другой стороны вызывают конвективные перетоки. Поэтому оптимальная конструкция перемешивающих решеток требует поиска вариантов, обеспечивающих наиболее благоприятное сочетание таких параметров, как интенсивность перемешивания, гидравлические потери и запасы до кризиса теплоотдачи.
В ТВС-КВАДРАТ реакторов PWR применяются пластинчатые дистанционирующие решетки, снабженные дефлекторами, позволяющими одновременно создать круговые поперечные течения теплоносителя вокруг твэлов и закрутку потока в межтвэльном пространстве. В ТВСА реакторов ВВЭР для увеличения интенсивности межъячейкового массообмена применяются перемешивающие решетки двух типов по возможной направленности течений теплоносителя: ПР типа «закрутка вокруг твэла», посредством которых создаются круговые течения теплоносителя вокруг твэлов, и ПР типа «порядная прогонка», позволяющие повысить интенсивность межъячеечного массообмена в направлении движения теплоносителя между соседними рядами твэлов.
Конструктивные особенности пучка твэлов ТВС и квадратной, и треугольной упаковок предполагают возможность использования различных форм турбулизирующих дефлекторов, геометрических размеров и углов отгиба относительного потока теплоносителя.
Применение ТВСА и ТВС-КВАДРАТ с различными типами перемешивающих решеток в активных зонах реакторов соответственно ВВЭР и PWR требует обоснования теплотехнической надежности таких модернизированных активных зон и определения влияния конструкций решеток на гидродинамику и массообмен потока теплоносителя. Сложность математического описания трехмерного течения потока теплоносителя в пучке твэлов не позволяет решить эту задачу путем численного моделирования,
поэтому основным методом изучения массообмена и гидродинамики тепловыделяющих сборок является экспериментальное исследование масштабных и полноразмерных моделей кассет и фрагментов активных зон на аэро- и гидродинамических стендах.
Ввиду этого экспериментальное исследование особенностей массообменных процессов и закономерностей формирования локальных гидродинамических и массообменных характеристик потока теплоносителя в пучках твэлов ТВС при использовании перемешивающих решеток является актуальной задачей, решение которой позволяет обосновать теплотехническую надежность активных зон реакторов ВВЭР и PWR.
Цель диссертационной работы.
Цель работы состоит в исследовании особенностей локальной гидродинамики и массообмена потока теплоносителя в тепловыделяющих сборках реакторов ВВЭР и PWR с перемешивающими решетками различного конструктивного исполнения, определении их эффективности для обоснования выбора оптимальных конструкций ТВС.
Для достижения цели:
экспериментально исследовано влияние перемешивающих решеток различного конструктивного исполнения на массообмен потока теплоносителя в ТВСА реактора ВВЭР и ТВС-КВАДРАТ реактора PWR;
исследованы распределения локальных гидродинамических характеристик потока теплоносителя в ТВСА и ТВС-КВАДРАТ реакторов ВВЭР и PWR с поясами перемешивающих решеток, а также за турбулизирующими дефлекторами вышеуказанных решеток;
определено влияние конструктивных параметров перемешивающих решеток различного типа на эффективность перемешивания потока теплоносителя по сечению ТВСА и ТВС-КВАДРАТ;
обобщена экспериментальная информация и создан банк данных для верификации CFD-кодов и программ детального поячеечного расчета активных зон реакторов ВВЭР и PWR с целью уменьшения консерватизма в расчетах теплотехнической надежности активных зон.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-разработаны методики проведения экспериментальных исследований, позволяющие изучить локальную гидродинамику и массообмен потока теплоносителя в моделях фрагментов ТВС ядерных реакторов методом диффузии трассера в области автомодельного течения;
- проведены комплексные исследования и определены характеристики локальной
гидродинамики и массообмена потока теплоносителя в ТВСА реактора ВВЭР и ТВС
КВАДРАТ реактора PWR при установке перемешивающих решеток различного
конструктивного исполнения;
-по результатам экспериментальных исследований определены особенности течения теплоносителя в пучках твэлов при наличии перемешивающих решеток различной конструкции;
впервые определены длины затухания возмущений потока теплоносителя, вызванные различными перемешивающими решетками в ТВСА реактора ВВЭР и ТВС-КВЛДРАТ реактора PWR;
впервые определена глубина распространения возмущений между соседними тепловыделяющими сборками при постановке в ТВСА реактора ВВЭР перемешивающих решеток различной конструкции;
в соответствии с разработанной расчетной моделью получены величины коэффициента межканалыюго обмена для гладкого пучка в квадратной компоновке твэлов и эффективного (включая конвективный) коэффициента межъячеечного массообмена в ТВС реакторов PWR с перемешивающими решетками.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Результаты исследования локальных характеристик массообмена и гидродинамики потока теплоносителя в тепловыделяющих сборках ядерных реакторов ВВЭР и PWR приняты для практического использования в ОАО «ОКБМ Африкантов» при обосновании теплотехнической надежности активных зон.
Анализ распространения концентраций газа трассера позволил детализировать картину течения потока теплоносителя за поясами перемешивающих решеток, оценить их эффективность, выбрать оптимальную конструкцию с точки зрения сочетания таких параметров как интенсивность перемешивания потока теплоносителя и гидравлическое сопротивление решетки.
Результаты исследований используются в качестве банка экспериментальных данных для тестирования программ детального поячеечного расчета активных зон в целях уменьшения консерватизма при расчетах теплотехнической надежности реакторов ВВЭР и PWR и учета в натурных условиях влияния поясов перемешивающих решеток на гидродинамику и массообмен теплоносителя в ТВС.
Достоверность основных научных положений и выводов диссертации.
Основные научные положения и выводы по работе хорошо согласуются с современными представлениями о гидродинамических и тепломассообменных процессах в пучках стержней при турбулентном режиме течения жидкости. Предлагаемые рекомендации основаны на результатах ряда этапов экспериментальных исследований на моделях фрагментов тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР с ТВСА и реакторов PWR с ТВС-КВАДРАТ с обоснованием представительности проводимых исследований и расчетом погрешности измеряемых величин. Аэродинамический стенд и измерительный комплекс прошли аттестацию Госповерителем.
Личный вклад автора.
Автором лично разработаны методики проведения экспериментальных исследований, способы обработки и анализа их результатов, алгоритмы расчетного определения эффективности перемешивающих решеток.
В проектировании, монтаже экспериментального стенда и моделей, а также в проведении экспериментальных исследований автор принимал непосредственное участие в составе исследовательского коллектива.
Постановка задачи и развитие исходных концепций были сделаны научным руководителем.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы были представлены и получили одобрение на:
IV-ой, V-й Российских национальных конференциях по теплообмену (г. Москва, 2006г. и 2010г.);
V-ой и VI-ой Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, 2007г. и 2008г.);
Ш-ей Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», (Москва, 2008г.)
Межведомственном семинаре «Теплогидравлические аспекты безопасности активных зон, охлаждаемых водой и жидкими металлами» (Обнинск, 2008г.)
XIV-ой и XV-ой Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», (Томск, 2008г. и 2009г.);
Научной сессии МИФИ-2010 в секции "Физико-технические проблемы ядерной энергетики", (Москва, 2010г.)
-V-ой, VI-ой, VII-ой, VIII-ой и 1Х-ой Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Н.Новгород, 2006-2010г.г.);
ХІ-ой, ХИ-ой, ХШ-ой, XIV-ой и XV-ой Нижегородских сессиях молодых ученых (Техническое направление) (Н.Новгород, 2006-20 Юг.г.);
научных семинарах кафедры «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» НГТУ им. Р.Е. Алексеева (2005-2011г.г.).
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа изложена на 159 страницах машинописного текста, рисунков 114, таблиц 3, и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 77 наименований.
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в четырнадцати печатных работах, в том числе в трех статьях в журнале, рецензированном ВАК.
