Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задачи и обзор литературы 11
Глава 2. Однослойная модель распределения примесей при пузырьковом кипении в условиях турбулентного вынужденного движения 27
2.1. Физико-математическая модель распределения растворенных примесей в пределах вязкого подслоя 29
2.1.1. Закономерности распределения концентрации примесей в пределах вязкого подслоя 44
2.2. Теплообмен при пузырьковом кипении в условиях турбулентного вынужденного движения 31
2.3. Определение координат точки начала кипения и точки начала развитого кипения 33
2.4. Определение коэффициент теплоотдачи при развитом и неразвитом кипении 40
2.5. Метод оценки толщины вязкого подслоя при кипении 42
2.6. Сопоставление предлагаемой модели оценки толщины вязкого подслоя с моделью макро- и микрослоя 46
Глава 3. Двухслойная модель распределения примесей при пузырьковом кипении в условиях турбулентного вынужденного движения ... 71
3.1.Влияние шероховатости поверхности при однофазном конвективном режиме 72
3.2. Влияние шероховатости поверхности при пузырьковом кипении 75
3.3. Оценка изменения геометрии и структуры шероховатости поверхности нагрева при появлении паровых пузырьков 91
Глава 4. Математическая модель распределения примесей при поверхностном кипении 99
4.1.Расчетная модель стационарного одномерного распределения примесей при однослойной и двухслойной модели 109
4.1.1. Распределение примесей в пределах вязкого подслоя в цилиндрической системе координат 120
4.2. Расчетная модель нестационарного одномерного распределения примесей при однослойной и двухслойной модели 123
4.3.Расчетная модель стационарного двумерного распределения примесей при однослойной и двухслойной модели 127
4.4.Расчетная модель нестационарного двумерного распределения примесей при однослойной и двухслойной модели 130
4.5. Взаимосвязь распределения примесей и нейтронно - физических параметров ядерных реакторов 132
4.6. Экспериментальное исследование процессов концентрирования радиоактивной примеси 24Na на кипящем реакторе ВК-50 133
Выводы 140
Список литературы 142
- Теплообмен при пузырьковом кипении в условиях турбулентного вынужденного движения
- Влияние шероховатости поверхности при пузырьковом кипении
- Расчетная модель нестационарного одномерного распределения примесей при однослойной и двухслойной модели
- Взаимосвязь распределения примесей и нейтронно - физических параметров ядерных реакторов
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Обеспечение надежной работы и безопасности парогенераторов и кипящих реакторов энергоблоков АЭС требует оптимальной организации водного режима и знания нестационарных макро- и микрораспределения растворенных примесей. Оптимизации водного режима АЭС должна проводиться, исходя из задач повышения их безопасности, готовности и увеличения длительности их межперегрузочного и межремонтного циклов. Одной из основных причин снижения надежности и безопасности оборудования электростанций является разрушение поверхностей теплообмена. Известно, что основной причиной разрушения является коррозия, а прочие факторы, такие как пережог труб, составляют относительно небольшую часть. Это относится как к тепловым, так и, в особенности, к атомным электростанциям, для которых коррозия часто оказывается практически единственной причиной. Локальное (микро) распределение примесей вблизи кипящих поверхностей оказывает заметное влияние на процесс образования отложения, коррозии, величину критической плотности теплового потока и такой важный показатель, как РН среды на стенке. Если концентрация на стенке хорошо растворимых в воде и плохо растворимых в паре примесей происходит на несколько порядков (а к ним относятся хлориды и сульфаты), то значение РН среды на стенке будет на 2-3 единицы меньше, чем в объеме. Локальное значение концентрации примесей вблизи теплопередающей поверхности в пределах вязкого подслоя может быть в 102 - 105 раз больше, чем концентрация в объеме. Наиболее существенные отклонения показателей водного режима от норм наблюдаются в переходных режимах работы. При эксплуатации парогенерирующих устройств (реакторы и парогенераторы АЭС, котлы тепловых электростанций и т.д.) в переменных режимах часто наблюдается значительное изменение концентрации примесей в теплоносителе из-за
-8-процесса хайдаут. Процесс хайдаут необходимо учитывать при разработке модели роста отложений на теплопередающих поверхностях твэлов кипящих реакторов.
Требования к безопасности и надежности работы ядерных реакторов повышаются с каждым годом. Не вызывает сомнений, что повышение безопасности может быть достигнуто только в результате полного и всестороннего исследования процессов, протекающих в ядерном реакторе. Однако процесс изменения концентрации примесей, особенно в пределах вязкого подслоя, в том числе и силыюпоглощающих, таких как борная кислота, в настоящее время практически не исследованы с точки зрения их влияния на нейтронно-физические характеристики и ядерной безопасности.
Таким образом, исследование процесса распределения концентрации примесей, изучение его связи с процессами образования отложений, коррозии и ядерной безопасностью является важной и актуальной.
Целью работы :
Проведение оценки толщины вязкого подслоя при кипении.
Проведение оценки толщины неразвитого турбулентного слоя при развитом пузырьковом кипении.
Разработка однослойной модели пространственного распределения примесей при пузырьковом кипении.
Разработка двухслойной модели пространственного распределения примесей при пузырьковом кипении.
Создание алгоритмов и программного комплекса по названию DELTA-C для расчета стационарного и нестационарного распределения концентрации растворенных примесей при однослойной и двухслойной модели.
Научная новизна:
-9-1. Проведена оценка толщины вязкого подслоя при поверхностном кипении.
Предложена двухслойная модель пространственного распределения примесей при пузырьковом кипении.
Проведена оценка толщины неразвитого турбулентного слоя при развитом пузырьковом кипении.
Расчетная модель стационарного и нестационарного одномерного распределения примесей при однослойной и двухслойной моделях.
5. Расчетная модель стационарного и нестационарного двумерного
распределения примесей при однослойной и двухслойной моделях.
Практическая ценность.
Предложена методика оценки толщины вязкого подслоя, в пределах которых
концентрируются примеси при поверхностном кипении. На основе
фундаментальных законов сохранения массы, « конвекции и диффузии »,
гидродинамики и характеристики турбулентности создан программный
комплекс DELTA-C, позволяющий рассчитывать координаты точек начала
кипения и начала развитого кипения, толщину вязкого подслоя при любых
исходных данных и также стационарное и нестационарное распределение
примесей в парогенерирующих каналах. Практическая реализация
полученных результатов заключается в прогнозирования поведения
примесей в проектируемом и модернизируемом парогенерирующем оборудовании, для разработки оптимальной организации водопитания, продувки и ввода корректирующих растворов в действующих установках.
Публикации. В ходе работы над диссертацией опубликованы статья и тезисы докладов.
Содержание работы
-10-Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов и списка цитируемой литературой. Материал диссертации изложен на 152 страницах и содержит 52 рисунка и 5 таблиц.
Теплообмен при пузырьковом кипении в условиях турбулентного вынужденного движения
Следует отметить, что коэффициент D/( является постоянным в гораздо более широких пределах, чем D, и и процессах, проходящих в пограничном слое, его можно считать практически не зависящим пи от концентрации, ни от ее градиента, кроме того, D/f не зависит от наличия других примесей. Зависимость химического потенциала д/.( от концентрации имеет достаточно сложный вид. Обычно Г с ростом ас концентрации надает, затем, проходя через некоторый минимум, начинает возрастать. Этот рост связан с процессами сольватации. Однако при высоких температурах электролитические свойства воды ослабляются. Поэтому можно ожидать, что зависимость производной химического потенциала от концентрации будет более слабой и, скорее всего, монотонно убывающей. Для большинства растворимых примесей коэффициент диффузии при нормальных условиях по порядку величины равен 10" М/с [16]. Значение коэффициента диффузии зависит от типа частиц, фазового состоянии, температуры, давления и концентрации. Коэффициенты диффузии в жидкой фазе несколько порядков меньше, чем в газах. Кроме процессов молекулярной диффузии, возникающей за счет разности концентрации, место могут иметь также термодиффузия (эффект Соре), возникающая за счет разности температур, и бародпффузия, вызываемая разностью давлений [17]. Из общего выражения для градиента химического потенциала [18] можно выделить потоки молекулярной (2.5), термо- и бародпффузии. Последние два потока соответственно определяются как баро-диффузші, кт , кг—термо- и бародпффузионные отношения [19]. ІЗ процессах, проходящих в пограничном слое, потоками (2.5) и (2.6) можно пренебречь. Так, давление в пограничном слое в поперечном направлении практически не меняется [19], а обычный перепад температуры составляет всего несколько градусов. Типичное значение От/Т\ю данным [20] — 10" — 10" М2/с.К, Следовательно, скорость переноса примеси термоднффузионпым потоком не может превышать величины в то время как величина скорости для конвективного потока имеет порядок т. е., несколько порядков больше. Если течение потока является турбулентным, то пронесе переноса примесей турбулентными пульсациями можно формально учесть с помощью выражения (2.1) для конвективного потока. Такое описание, однако, совершенно непригодно для непосредственного использования. Можно поступить иным образом [17]. Разделим конвективный поток на дне составляющие — осредненную и пульсациопную (модель Рейнольдса Вуссипсска), и после осреднения получим: J КОПІ; где w— пульсация скорости, а с — пульсация концентрации. В простейшем случае пульсацию концентрации можно связать с масштабом турбулентности и градиентом средней концентрации: с ——!Vc [21], тогда обозначение для коэффициента турбулентной диффузии Так как пульсациопная составляющая зависит от градпепта концентрации, разумно объединить се с диффузионным потоком (2.3): Видно, что в принятой модели (гипотеза Фи ка-—Буссипеска), коэффициент турбулентной диффузии не зависит от свойств примеси. Между тем, как отмечается в [62], в экспериментах наблюдалась зависимость коэффициента є от гидродинамических характеристик частиц примеси, более того, там же утверждается, что «... приходится считать, что никакого физически обоснованного вывода параболического уравнения турбулентной диффузии во- обще не существует и рассматривать это уравнение лишь как удобный метод получения большого числа разумных но виду формул, среди которых можно надеяться выбрать и такие, которые с удовлетворительном точностью согласуются с имеющимися данными о распространении примеси в турбулентных течениях». Отмечается, что при решении различных задач в одном и том же потоке ему можно придавать различные значення, и даже при решении стационарных задач о диффузии считать зависящим от времени [62]. К сожалению, избавиться от этого недостатка без существенного усложнения модели (например, использование уравнения диффузии с конечной скоростью [21,62]) нельзя. Однако в данной работе рассматривается концентрирование примесей в вязком подслое, где, ввиду слабости турбулентных пульсаций (они, согласно [63], убывают вблизистенки как х ), основную роль играет молекулярная диффузия. По этой причине вносимая этим приближением ошибка будет мала, и принятие гипотезы Фнка—Буссинеска вполне оправдано. Вообще говоря, поле пульсаций скоростей (в отличие от ноля скоростей молекул, обусловливающих молекулярную диффузию) может не быть пи однородным (тогда с является функцией координат), ни изотропным. В случае анизотропной турбулстпости вместо скалярного коэффициента следуетиспользовать тензорный коэффициент турбулентной диффузии " [21]. Тогда диффузионный поток запишется какгде g метрический тензор. Это приводит к тому, что направление диффузионного потока в общем случае не совпадает с направлением градиента концентрации, и при неоднородном распределении концентрации поток турбулентного переноса может быть отличен от нуля в направлении, вдоль которого концентрация постоянна.
Определение компонент тензора Є чрезвычайно сложно даже для простейших физических условий. В двухфазных потоках в пограничном слое определить его со сколько-нибудь приемлемой точностью и настоящее время не представляется возможным. Поэтому ниже используется только более простое выражение (2.8), хотя, следует отметить, что в пограничном слое турбулентность сильно отличается от изотропной, и, возможно, в некоторых случаях более тонкое описание с помощью (2.9) дало бы значительные отличия. В большинстве случаев существенной является диффузия только и одном направлении, что также оправдывает использование скалярного коэффициента. Для краткости ниже используется обозначение
В вязком подслое процессы переноса в основном определяются молекулярными механизмами, хотя экспериментальные наблюдения показывают, что выбросы жидкости из пристенного слоя н проникновение вихрей до поверхности.
Унос примесей с паром определяется двумя процессами — растворимостью веществ в паре и уносом в окружающей паровой пузырь жидко и плепке. В равновесных условиях (при длительном контакте фаз) активности примесей в жидкой и паровой фазах приходят и равновесие [64J, Отношение активностей в паре и воде в этом случае не зависит от их абсолютных величин и равно константе, называемой коэффициентом распределенияа При достаточно небольших концентрациях, а также для слабых электролитов, активности можно приближенно заменить массовыми концентрациями. В этом случае определение коэффициента распределения выглядит как
Можно выразить коэффициент распределения также и через отношениеобъемных концентраций
Коэффициент распределения, в свою очередь, для большинства примесей зависит только от отношения плотностей пара и воды и некоторой константы //, называемой координационным числом, не зависящей от теп-лофизнчееких параметров пароводяной смеси и характеризующей свойства растворенного вещества
Координационные числа для различных веществ варьируются в весьма широких пределах [64]. Принципиально и должно характеризовать разность гидратации растворенного вещества при изотермическом переходе из одной фазы в другую [65]. Так, для гидратированпых окислов железа и = 0.66, для кремнекисло Si02 п = 1.9, для сульфатов натрия Na2S04 и кальция CaS04 и = 8.4. Общая закономерность состоит в том, что чем более сильным
Влияние шероховатости поверхности при пузырьковом кипении
Влияние шероховатости поверхности на теплообмен сказывается через число действующих центров парообразования [83]. Оказываются важными не только величины выступов и впадин, но и распределение их по размерам и даже сама форма впадин. Как правило, с увеличением шероховатости при той же плотности теплового потока перегрев стенки оказывается меньше (рис. 3.3).
В работе [94] рассмотрено влияние шероховатости поверхности на теплообмен при пузырьковом кипении воды в условиях вынужденного движения. Результаты экспериментов в 4 каналах с разными шероховатостями заключается в том, что влияние шероховатости очень сложно, но наблюдается, что коэффициент теплоотдачи зависит от количества впадин поверхности и распределения размера впадин. Кроме
На основе эксперименты приведенных в [95], рассмотрены эффекты шероховатости поверхности при насыщенном пузырьковом кипении воды и результаты имеют вид;1-При повышении давления системы, эффекты шероховатости снижаются вследствие снижения количества активных центров парообразования, В этом случае образуются пузырьки боьших размеров при укороченном периоде.2- При одном и том же перегреве стенки, повышение шероховатости вызывает повышение коэффициента теплоотдачи.3- Для тою чтобы определить влияние шероховатости поверхности на пузырьковое кипение, нужно учесть количество активных центров парообразования, интенсивность возмущения жидкости и объединение пузырьков на поверхностях нагрева. 4- В горизонтальных трубах, влияние шероховатости незначительно.5- В вертикальных трубах, чем больше величина (1/d) тем болееинтенсивно эффекты шероховатости на теплообмен при кипении.
Результаты многих экспериментов показывают, что при повышении шероховатости поверхности;, увеличивается критическая тепловая нагрузка({hr) и также возмущение потока вблизи стенки [96]. В работе [97]представлены экспериментальные положения влияния шероховатости горизонтальных труб при пузырьковом кипении. Автор стати на основе [98] п экспериментальных данных предложил выражение для коэффициента теплоотдачи с учетом влияния шероховатости поверхности горизонтальных
В [99,100] разработаны систематические эксперименты с помощью которых рассмотрены влияние присутствия металлических искусственных покрытии поверхности нагрева па коэффициент теплоотдачи при насыщенном кипении воды в большом объеме. Как изображено па рис. 3.4 для всех соответствующих поверхностей с разными покрытиями, но сравнению с гладкими поверхностями, процесс кипения начинается применьшем перегреве стенки ( АГ( ).
Кроме того, оказалось, что интенсификация процесса теплообмена с ростом теплового потока уменьшается. Главными параметрами, которые оказывают влияние на коэффициент теплоотдачи, является толщина и пористости покрытия. Механизмы интенсификации теплообмена при кипении для пористых покрытий поверхности заключается в том, что:1- Моделі, теплопроводности и конвективного теплообмена, при которой пористая поверхность опроксимацирует как цилиндрические микро- каналы (капиллярные).2- Модель тонкой пленки.
В соответствии с этой моделью, главным механизмом теплообмена при образовании пузырьков является процесс, происходящий в пределах -79-прнстеппого слоя с пористыми составляющие цилиндрические капиллярные каналы длина, которых равна толщине пористого слоя. 3- механистическая модель,
В модели предположено, что пузырьки образуют весьма в однофазної! среде внутри микро-каналов. Модель сопоставлена с результатами экспериментов. Различные методы интенсификации теплообмена при кипении выработаны із трех исследовательских институтах (1КЕ-МАТТGDD).
В приведенных экспериментах оказалось, что при низком тепловом потоке (д \0 кВт/м2) коэффициент теплоотдачи для всех труб с искусственной шероховатостью по сравнению с гладкими увеличивается 1,5 - 4 раз. В [100] на основе модели Прандтля разработан метод расчета турбулентных течений пузырьковой двухфазной смеси в каналах при --прмстснном вдуне пузырьков. Если судить по имеющимся опытным данным, размер паровых пузырей в рассматриваемых условиях, как правило, существенно превышает толщину вязкого подслоя н буферной зоны. Отсюда следует, что в пристенной зоне на расстояниях порядка диаметра пузыря имеется резкое изменение скорости течения.
На движущийся в пристенной области пузырь действуют силы, направленные к оси потока (эффект Магнуса). По мере удаления от стенки силы Магнуса резка убывают. Турбулентные пульсации могут оказать заметное влияние на движение пузыря лишь в том случае, когда их линейный масштаб превышает диаметр пузыря.
В качестве оценки наиболее вероятного размера турбулентных вихрей впристенной области может служит длина пупі перемешивания L = %у, где У — расстояние от стенки канала; Z =0,4— константа турбулентности.
Тогда, если диаметр пузыря много больше толщины вязкого подслоя, вблизи стенки существует зона, в переделах которой турбулентный перенос дискретной фазы незначителен. Толщина этой области имеет величину порядка нескольких диаметров пузыря. По этой модели встречается гри района:1- Вязкий подслой.2- Непосредственно прилегающий к нему пузырьковый подслой.3- Ядро потока.
Примем, что скользящие вдоль по поверхности вязкого подслоя пузыри подобно поршням увлекают заключенную между ними жидкости. Тогда скорость жидкости в пределах пузырькового подслоя будет примерно постоянной и равной скорости на внешней границе вязкого подслоя.где v, = yjzjря _ динамическая скорость; Тс— касательное напряжение на степки; ря — средняя плотность смеси в ядре.
В соответствии с принятой моделью в пределах пузырькового подслои ( Y D ) скорость постоянна, а в ядре при Y — 0 — D распределение скорости подчиняется уравнению (3.14).
Допущение о постоянстве касательных напряжений по сечению каналаприводні к зависимости для определения Cf :и — средпемассовая скорость смеси, R — о/"« При больших значениях R выражение (3.15) имеет вид
Сопоставим соотношение (3.16) с формулой для расчета коэффициента гидравлического сопротивления при однофазном течении в шероховатом канале
Расчетная модель нестационарного одномерного распределения примесей при однослойной и двухслойной модели
Нестационарные одномерные уравнения конвекции и диффузии при однослойной и двухслойной модели имеют видмодели одномерная система уравнения имеет вид
Результаты решения уравнения (4.36) при граничных условиях (4.23) , (4.24) и \СЯ = С0) показаны на рис 4.17 и 4.18 .
Рис.4.17. Нестационарное распределение концентрации растворенныхпримесей в пределах плоского вязкого подслоя при Яр =2,2.10" ;Рис.4.18. Нестационарное распределение концентрации растворенныхпримесей в пределах плоского вязкого подслоя при т=10 с; % =2,2.10" ;
В случае, когда \СЯ&С0) уравнение (4.36) решается с помощью динамического пакета в программе SIMULINK 4.0. (рис. 4.19). Рис. 4.20 показывает результаты расчетов. Таким образом, концентрации примесей по времени легко можно получить при любых значениях параметров в любойточке.
Использование двумерной стационарной модели необходимо для расчета процесса распределения концентрации малорастворимых примесей. При двумерной задаче наличие диффузии в продольном направлении приводит к тому, что профиль концентрации становится несколько более полным, особенно вблизи стенки. Основой двумерной нестационарной модели является уравнения (4.17), (4.18) и (4.1 9). процедура, в результате которой: а) Вся область непрерывного изменения независимых переменных (х,х, г ) исходного дифференциального уравнения заменяется некоторым конечным множеством точек, в которых отыскивается приближенное решение для искомой функции; б) исходное дифференциальное уравнение в совокупности с начальными и граничными условиями заменяется системой алгебраических уравнений. Таким образом, следует описывать уравнение баланса для каждого из районов, которые показаны на рис. 4.21 отдельно. Результаты численное решение уравнения (4.17) при условии \СЯ =С0] и [Ся С0) изображены на рис. 4.22 и 4.23. Как видно на рис.4.23 при увеличении продольной скорости жидкости максимальная концентрация примесей вблизи стенки канала растет. толщина вязкого подслоя(мкм) Рис. 4.23. Двумерное распределение концентрации растворенных примесей в пределах вязкого подслоя при q=400 кВ/м2; р=50 Бар; Кр =2,2.10"9; D=10-V/C;CH),01M; Двумерное распределение концентрации растворенных примесей при двухслойной модели в пределах неразвитого турбулентного слоя показано на рис. 4.24. Рис. 4.24. Двумерное распределение концентрации растворенных примесей при двухслойной модели и при q=200 кВ/м2; р=50 Бар; =2,2.10-9; Уравнения (4.13),(4.15),(4.16) включаются себя Нестационарные двумерные уравнения конвекции и диффузии при однослойной и двухслойной модели. Для решения этих уравнений создан динамический пакет в программе S1MULINK 4.0 (рис. 4.25). Исследование взаимосвязи процесса концентрирования примесей на теплообмспной поверхности ядерного реактора позволяет выявить существование эффекта реактивности, связанного с изменением распределение примесей, сильно поглощающих нейтроны. В реакторах с водным теплоносителем при наличии как объемного, так и поверхностного кипения, концентрирование примесей в пределах вязкого подслои также должно иметь место. Если этим примеси способны влиять на нейтронный поток, изменение распределения примесей может оказывать влияние на коэффициент размножения. Типичным случаем является использование в реакторе борной кислоты. Влияние распределения концентрации примесей на утечку нейтронов мало, таким образом, изменяется лишь коэффициент использования тепловых нейтронов. Средний поток в вязком подслое ниже, чем в основном течении. Следовательно, при перераспределении бора из основного течения в вязкий подслой, поглощение в основном течении теплоносителя уменьшается сильнее, чем растет поглощение в вязком подслое. Перераспределение бора в сторону пограничного слоя идет при увеличении теплового потока, т. е. при повышении мощности, таким образом, мощностной коэффициент реактивности по распределению примесей оказывается положительным. Увеличение концентрации бора у поверхности твэлов в пределах вязкого подслоя увеличивает поглощение в этой зоне, и следовательно, дополнительно снижает нейтронный поток. В реальном реакторе часть теплоносителя вместе с растворенным поглотителем всегда находится вис реактора: в парогенераторе, трубопроводах, и т. д., а также в самом реакторе за пределами активной зоны. Поэтому выброс бора из пристенного слоя при -133-процессе хаидаута ведет также к перераспределению некоторого количества бора из объема активной зоны в остальной объем, следовательно, полное поглощение уменьшается. Это дает отрицательный вклад в суммарное значение коэффициента реактивности. При неравномерности нейтронного потока по объему активной зоны наибольшее тепловыделение, а, следовательно, и наибольшее парообразование, наблюдается в зонах с наибольшим значением потока тепловых нейтронов. Поскольку концентрирование примесей также будет наибольшим в этих зонах, связанный с этим коэффициент реактивности будет отрицательным. В водо-водяных реакторах, в которых расширяется зона поверхностного кипения эффект реактивности пропорционален концентрации бора, кроме того, он пропорционален также величине скачка мощности, что делает его потенциально весьма опасным. В современных водо-водяиых реакторах развитое объемное кипение отсутствует, а доля поверхностного кипения невелика. В кипящих реакторах борное регулирование при работе на поминальных параметрах не применяется. Благодаря этому в настоящее время эффект реактивности по распределению примесей, по-видимому, не представляет реальной опасности. Тем не менее, в связи с возможностью появления в будущем реакторов с водой под давлением, в которых расширяется зона поверхностного кипения или применяется развитое объемное кипение, этот эффект может стать существенным.
Взаимосвязь распределения примесей и нейтронно - физических параметров ядерных реакторов
В современных водо-водяиых реакторах развитое объемное кипение отсутствует, а доля поверхностного кипения невелика. В кипящих реакторах борное регулирование при работе на поминальных параметрах не применяется. Благодаря этому в настоящее время эффект реактивности по распределению примесей, по-видимому, не представляет реальной опасности. Тем не менее, в связи с возможностью появления в будущем реакторов с водой под давлением, в которых расширяется зона поверхностного кипения или применяется развитое объемное кипение, этот эффект может стать существенным.4.6. Экспериментальное исследование процессов концентрирования радиоактивной примеси 24Na на кипящем реакторе ВК-50одним из путей повышения безопасности исследовательского реактора (ИР) ВК-50 является снижение числа разгерметизации оболочек твзлов, обусловленных формированием на последних отложений из примесей теплоносителя. Для решения этой задачи на (ИР) ВК-50 исследовано -)34-концентрирование примесей в тонком пристенном слое теплоносителя у поверхности твэлов и выход их из этого слоя в теплоноситель при сбросе мощности и останове реакторе.
На основе уравнения конвекции и диффузии для концентрации растворенной радиоактивной примесей в движущейся жидкости с учетом особенностей турбулентного двухфазного течения, радиоактивного примесей и образования атомов радиоактивной примеси из нерадиоактнвпой в результате активации последней в активной зоне реактора, можно записатьгде С— массовая концентрация атомов растворенной радиоактивной примеси в воде, кг/м ; — интенсивность парообразования, с" ; Я —постоянная радиоактивного распада радиоактивной примеси, с"1; с0_ массовая концентрация атомов растворенной нерадиоактнвпой примеси в воде, кт/м ; Р— интенсивность образования атомов радиоактивной примеси из нерадиоактивной.
Уравнение (4.39) применяется при отсутствии гомогенных химических реакции, т.е. без химического взаимодействия растворенных примесей с водой или между собой, при отсутствии перехода их во взвесь в слое жидкости, исключая переход примеси на поверхности стенки.
Решение рассматриваемого уравнения находится в области вязкого подслоя толщиной S, если предположить, что на границе этой области и в ядре турбулентного потока массовая концентрации радиоактивной (ся) инерадиоактивной примесей (с0я) известны. На границе теплоноситель-поверхности стенки поток нсосаждающейся примесей равен пулю, поэтому где п означает, что производная берется по направлению, нормальному поверхности стенки. На границе вязкого подслоя
Из всех, радионуклидов в воде реактора ВК-50, Na является единственно приемлемым для эксперимента. Главным фактором здесь служить то, что он не имеет иерастворешюй формы (таблица 4.1).
Эксперимент был проведен с глубоким снижением мощности реактора при продувке 16.5 т/ч , постоянном значении рП и минимальном изменении температуры и давления в peaicrope. Тепловая мощность реактора снизилась за 2.5 ч в 15 раз (с 180 до 12 МВт) и поддерживалась на уровне 11-12 МВт в течение 10 ч (рис. 4.27).
При снижении мощности начался рост активности 24Na в воде реактора. Затем на стационарной мощности происходит спад вследствие очистки реакторной воды и радиоактивного распада (рис. 4.28). [де 4(0) и Л(ґ) — активности 24Na в воде реактора перед снижением мощности реактора и в момент времени t—T, когда его активность достигала максимального значения; G(/)_ расход теплоносителя на систему очистки; a{t)— объемная активность 24Na в воде реактора. Определенный по формуле (4.50) коэффициент выхода равен 65.
Средняя толщина вязкого подслоя на теплопередающей поверхности твелов реактора ВК-50 определялась из уравнениягде Я,)— постоянная выведения примеси системой очистки теплоносителя; СО— коэффициент скорости поступления примеси в вязкий подслой; У— коэффициент скорости выхода примеси из вязкого подслоя. Коэффициент (о и У связаны с параметрами рассматриваемой модели хаидаут следующими соотношениями:
Второе равенство в выражении (4.51) найдено в результате решения системы интегральных балансных уравнений массопереноса для нерадиоактивной и радиоактивной примеси натрия. Определенная таким образом толщина вязкого подслоя равна 40 мкм, что соответствует средней шероховатости отложений па поверхности твэлов реактора ІЖ-50, которая была установлена при исследовании в матсриаловедческих камерах.
В работе создана и исследована однослойная и двухслойная модель пространственного распределения концентрации растворенных примесей при пузырьковом кипении. В работе также проведена оценка толщины вязкого подслоя при развитом и неразвитом пузырьковом кипении. Основные результаты работы заключаются в следующем.1. Разработана математическая модель распределения концентрация примесей при пузырьковом кипении. Модель описывает распределение примесей в слое вблизи кипящих поверхностей в стационарных и нестационарных условиях.2. Проведена оценка толщины вязкого подслоя при различных тепло-гидравлических параметрах и геометрических характеристиках, позволяющая определить концентрацию примесей в этом подслое.3. Полученные результаты показывают, что локальное значениеконцентрации примесей вблизи теплопередагощей поверхности в пределахвязкого подслоя может быть в 10" - 10 раз больше, чем концентрация вобъеме.4. Если концентрация на стенке примесей происходит на несколькопорядков, то значение рП среды на сенке может быть на 2-3 единицыменьше (ПГ АЭС) и или больше (барабанные котлы ТЭС), чем в объеме.5. Локальное (микро) распределение примесей вблизи кипящихповерхностей особенно при больших значениях {стм!си ) может заметновлиять па процесс образования отложения, коррозии, кризиса теплообмена и величину критической плотности теплового потока.6. Сопоставление предложенной модели гидродинамической аналогиитеплообмена при поверхностном кипении с моделью микро- и макрослоядало удовлетворительные результаты.
