Введение к работе
:.--1...; АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. По оценкам МАГАТЭ потребление электроэнергии в развитых странах в ближайшие тридцать лет будет расти быстрое, чем численность населения (порядка 1% в год). Вероятность такого прогноза составляет 90*. Предполагается, что обеспечение требуемого роста потребления электроэнергии будет достигнуто пре». ущественно за счет увеличения вводимых в эксплуатацию тепловых и атомных станциий. При этом следует иметь в виду, что дальнейшее развитие теплоэнергетики может быть ограничено международными требованиями к количеству сжигаемого кислорода и к выбросан углекислого газа. Оценки показывают, что строительство необходимого числа тепловых электростанций при одновременной моратории на атомную энергетику приведет к увеличению выбросов углекислого газа в 2010 году более чен на 50% по сравнению с уровнен 1986 г. В абсолютных цифрах это соответствует переходу от выбросов порядка 790-Ю6 т/г в 1986 году к 1240-Ю6 т/г в 2010 только с тепловых станций, расположенных на территория Западной Европы. Это может стать серьезный фактором, ограничивающий развитие теплоэнергетики.Таким образої, атомная энергетика, несмотря на не прекращающиеся попытки ее дискредитации, не должна и не может быть полностью исключена как способ получония электроэнергии в ближайшем будущей. Успешное решение ряда технических проблем, связанных с обеспечением безопасной эксплуатации АЭС, в немалой степени зависит от наличия эффективных вычислительных алгоритмов и программ для ЭВМ, которые позволяют еще на стадии проектирования получить достаточно достоверную инфорнацию о тепловом состоянии активной зоны реактора при различных условиях эксплуатации. Эти вычислительные программы ногут быть интерпретированы как математические модели реальных реакторных установок, с помощью которых относительно просто исследуются процессы теплообмена при охлаждении активной зоны, влияние различных конструктивных элементов (проволочная навивка, вытеснители в ТВС и т.д.) на температурные поля в твэлах и возмущения теплоФизическях характеристик активной зоны, связанные с возможными технологическими отклонениями как геометрических разнероо тепловыделяющих эленентов, так и режимных параметров реакторной установки. Детальный анализ температурного режима охлаждения реактора позволяет прежде всего осуществить выбор геометрических размеров элементов активной зоны и режима охлаждения, который обеспечиьавт максимальную эффективность реакторной установки при высокой степени теплотехнической надежности в процессе эксплуатации.
Такий образом, разработка и исследование математических моделей процессов теплообмена в реакторных установках, развитие методов решения задач реакторной теплофизики представляют как научный так и практический интерес.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка математических моделей для расчетов процессов теплообмена и гидродинамики в тепловыделяющих сборках реакторов с учетом реальных конструктивных особенностей и возможности применения различных теплоносителей, приближенных методов и алгоритмов для теплогидравлических расчетов ТВС и температурных полей при возможных технологических отклонениях в размерах и геометрии сечения. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:
- разработка математической модели, основанной на уравнениях
сохранения энергии, кассы и импульса, описывающей процессы теплообмена в
каналах реактора, охлаждаемого произвольным теплоносителей, включая и
химически реагирующий;
- разработка метода решения уравнений сохранения для произвольного
сечения и при граничных условиях сопряжения температур и тепловых
потоков на границах областей с различными теплоФизическики свойствами;
создание базового пакета программ для решения уравнений сохранения в центральном, боковом и угловом канале шестигранной сборки стержневых твэлов и в эксцентричных кольцевых каналах, а также обоснование достоверности получанных результатов;
исследование влияния различных конструктивных особенностей тепловыделяющих сборок (диаметр вытеснителей, свойства материалов твэлов,эксцентриситет и т.д.) на поле температур в твэле; - разработка математической модели и программы для расчета нежканального перемешивания в тепловыделяющих сборках;
- создание вычислительных алгоритмов и программ для приближенных
расчетов температурных полей в твэлах стержневых сборок с учетом
возможных технологических отклонений в самой твэле и пучке твэлов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в развитии методов для решения задач реакторной теплофизики с учетом возможных технологических отклонений в конструкции ТВС и твэлов:
- получена система уравноий сохранения энергии и массы, описывающая
процессы теплопереноса в каналах реактора для широкого классе
теплоносителей, в которой учитывается возможное протекание каї
равновесных, так к неравновесных реакций. Дополнительный перенос тепл;
концентрационной диффузией равновесных компонент описывается в виді
вклада в конвективный и молекулярный тепловой поток. При этой состаї
неравновесных конпонент определяется решенхен уравнения диффузии, а сосгап равновесных компонентов рассчитывается по алгебраическим соотношениям. Такая форма уравнений сохранения энергии и нассы позволяет избежать численного интегрирования уравнении диффузии для равновесных компонентов смеси, которое, как правило, требует специальных вычислительных методов и больших затрат нашивного врэмени-
с понощыо вариационных принципов впервые было показано, что сопряженная задача теплообмена при продольном обтекании 'пучков тепловыделяющих стержней может быть решена с помощью минимизации функционала, для которого уравнение сохранения энергии в теплоносителе является уравненном Эйлера, а процессы теплопроводности в твэле учитываются в виде дополнительных членов в Функционале;
на основе метода конечных эленентов разработаны вычислительный алгоритн и програмна для ЭВМ, которая позволяет выполнять расчеты полей температур, скоростей и концентраций (при налички равновесных или неравновесных реакций) в потоке теплоносителя, охлаждающего тепловыделяющие эленонты реактора в канале произвольного сечения;
используя представление тепловыделяющей сборки стержневых твэпов в виде системы связанных параллельных каналов и эмпирические коэффициенты межканального обнена, разработана математическая модель для расчета распроделеиия расходов и температур по сечению ТВС, в которой учитывается протекание в потоке теплоносителя равновесных и неравновесных химических рвакциий. Проведен анализ влияния
.дистанционирующих элементов и дианетров вытеснителей на распределение температур и расходов по сечению ТВС;
- разработаны приближение методы расчета температурів>іх полей в
твэлах, находящихся в различных условиях охлаждения, и при
технологических отклонениях в конструкции. Соответствующие программы для
ЭВМ позволяют выполнять расчеты температур в боковых, угловых и
центральных твэлах сборок при нарушении синиетрии сборки, смещении
топливного сердечника относительно оболочки и при наличии в оболочке
трещин;
- установлена степень влияния различных технологических откло
нений в конструкции ТВС и твэлов на распределение тенператур на
поверхности оболочек тв'лов и центра топлива.
АВТОР ЗАЩИЩАЕТ метод описания процессов тепло-и кассопореноса чри охлаждении стержневых тепловыделяющих элементов в каналах реактора продольным потоком произвольных теплоносителей, в том числе и химически реагирующих; математическую модель для решения сопряженных задач реак-
- в -
торной теплофизики в каналах со сложный поперечным сечениен;математическую модель для расчета распределения температур и расходов по сечению тепловыделяющей сборки с учетом кежкаиального перемешивания, обусловленного как турбулентным переносом, так и дистанцяонирующимк элементами; приближенные методы расчета температурных полой в боковых, угловых н центральных твзлах ТВС с учегон вытеснителей и возможных нарушениях симметрии сборки; метод расчета температурных полей в твзлах при смещении топливного сердечника относительно оболочки; метод расчета температур в твэле при наличии в оболочке продольных трещин; разультаты исследования процессов тепло-и кассоперенаса при продольном охлаждении боковых и угловых твэлов тепловыделяющих сборок к твэлов, охлаждаемых в эксцентричном кольцевом канале; анализ влияния вытеснителей, дистанционирующих элементов и возможных технологических нарушений симметрии стержневых сборок на температурные поля в твзлах; результаты расчета полей температур в топливном сердечника при его смещении относительно оболочки и при наличии трещин в оболочке.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. На основе предложенного автором способа описания процессов тепло-и нассопереноса при охлаждении тепловыделяющих элементов в каналах реакторов и метода решения задач реакторной теплофизики созданы математические модели для решения широкого круга задач реакторной теплофизики. Эти модели могут применяться для расчетов температурных полей в активной зоне реакторов, состоящей из стержневых сборок или системы кольцевых каналов, при использовании различных теплоносителей. Разработанные модели позволяют на различных стадиях проектирования реакторной установки осуществить обоснованный выбор геометрических размеров конструктивных элементов тепловыделяющих сборок, тип и режимные параметры теплоносителя, обеспечивающие теплотехническую надежность реактора. Для практического применения предложены вычислительные алгоритмы и программы для приближенных расчетов теплообмена, которые позволяют учесть наличие таких конструкционных элементов ТВС, как вытеснители я проволочная навивка. Разработанные программы'предлагаются также для расчетов полей температур в твзлах при различных технологических отклонениях, связанных с карушениек симметрии самой сборки или при установке топливного сердечника ж при Наличии трещин в оболочке. Предложенные автором математические модели использовались при разработке технического проекта" ОП АЭС БРИГ-300 и для анализа в обработки результатов испытания установки "Памир-бЗОЛ". Разработанные в диссертационной работе методы могут быть использованы для создания математических моделей различных химических процессов
- 7 -(эпитакскя, очистка дымовых газов к т.д.), теплопроводности в плоских телах со сложной геометрией и других процессов, которые описываются системами.параболических дифференциальных уравнений.
Совокупность разработанных автором нвтодов и математических моделей для расчета процессов теплообмена в стержневых тепловыделяющих сборках и кольцевых каналах с учетом реальных конструкций каналов г (тивпоЯ зоны и возможных технологических отклонений позволяет утверж- дать, что рошена крупная научно-техническая проблона, имеющая важное значение для народного хозяйства.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях "Диссоциирующие газы как теплоносители и рабочие тела АЭС", г.Минск(1972, 1976, 1S81), всесоюзном научном семинаре "Методы комплексной оптимизации установок по преобразованию тепловой и атомной энергии в электрическую", г.Иркутск(1975), Всесоюзной конференции по топломассообнену г.Минск(197б), Межотраслевой конференции "Теплофизичоские исследования-77", г.Обнинск(1977), Всесоюзной семинара "Экспериментальные и теоретические исследования тепломассопореноса при течении диссоциирующих газов в канале", г.Минск(1979), Всесоюзном семинаре "обратные задачи и идентификация процессов теплообмена", r.HocKDa(1982), Международной школе-семинаре "Тепло-и нассообкен в хнкхчоскк реагирующих системах", г.Мннск(1983/, Нинском международном форуме по тепломассообнену, г.Нинск(1988), Международной школе-семинаре "Проблокы гидродинамики и топло-массообнена в атомной энергетике", г.Минск(1989).
Результаты исследований опубликованы в монографии Б.Е.Тверковкина и А.П.Якушева "Теплофизичоские расчеты реакторов с диссоциирующим теплоносителем", Минск:Наука и Техника, 1989 г. и в 22 статьях в журналах и сборниках трудов конференций я семинаров.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из Введения, семи глав и выводов. Ока содержит 267 страниц, включая 178 с. текста, 8 таблиц, 56 иллюстраций, список литературы из 126 наименований.
