Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методы моделирования активной зоны РУ 14
1.1 Методы моделирования реакторных установок 14
1.1.1 Обзор имеющихся способов моделирования 14
1.1.2 Возможности имеющихся способов моделирования 17
1.1.3 Применение объемно-мощностного способа моделирования для создания интегральных стендов21
1.2 Моделирование активной зоны ЯЭУ 26
1.3 Крупномасштабный интегральный стенд ПСБ-ВВЭР 27
1.3.1 Схема стенда. Основные характеристики ПСБ-ВВЭР 27
1.3.2 Краткое описание основного оборудования 33
1.4 Выводы к главе 1 35
ГЛАВА 2 Имитаторы твэл с косвенным нагревом 39
2.1 Известные конструкции имитаторов твэл с косвенным нагревом 39
2.1.1 Имитаторы твэл с косвенным нагревом, изготовленные по технологии ТЭН 55
2.2 Имитаторы твэл с «вспомогательной оболочкой» 56
2.2.1 Конструкция имитаторов твэл 56
2.2.2 Имитаторы твэл для исследования аварийных процессов при тепловых потоках, соизмеримых с номинальными тепловыми потоками твэл РУ ВВЭР 60
2.3 Теплофизические свойства имитаторов 69
2.3.1 Плотность и коэффициент теплопроводности периклаза - MgO 69
2.3.2 Теплоемкость имитаторов 75
2.4 Результаты испытаний имитаторов твэл 79
2.5 Имитаторы твэл с неравномерным профилем тепловыделения по высоте 84
2.6 Выводы к главе 2 88
ГЛАВА 3 Система охлаждения нижней части ТВС 89
3.1 Введение 89
3.2 Основные элементы системы охлаждения 91
3.3 Температурные режимы имитаторов твэл 98
3.3.1 Участок 1 98
3.4 Участок 2 104
3.5 Участок 3 106
3.6 Выводы к главе 3 107
ГЛАВА 4 Система компенсации термических расширений имитаторов ТВЭЛ 109
4.1 Результаты исследований имитаторов твэл с «верхней разгрузкой» 114
4.2 Выводы к главе 4 117
ГЛАВА 5 Контроль работоспособности имитаторов твэл в составе ТВС 118
5.1 Методика контроля работоспособности имитаторов твэл в составе сборки в процессе ее эксплуатации! 18
5.2 Экспериментальная проверка методики 126
5.3 Система контроля работоспособности имитаторов в составе сборки 131
5.4 Результаты эксплуатации системы контроля 140
5.5 Выводы к главе 5 141
ГЛАВА 6 Результаты экспериментальных исследований аварийных режимов на установке ПСБ-ВВЭР 142
6.1 Эксперименты с течью теплоносителя 11 % из «холодного» трубопровода 143
6.1.1 Сценарий эксперимента 143
6.2 Эксперименты с течью теплоносителя 16 % из «холодного» трубопровода 144
6.2.1 Сценарий эксперимента 144
6.2.2 Результаты 145
6.3 Выводы к главе 6 145
Выводы 151
Литература
- Возможности имеющихся способов моделирования
- Имитаторы твэл с «вспомогательной оболочкой»
- Температурные режимы имитаторов твэл
- Система контроля работоспособности имитаторов в составе сборки
Введение к работе
Атомная энергетика России базируется на реакторах двух типов: водо-водяных — ВВЭР и канальных уран-графитовых — РБМК. Перспективы развития на ближайшее будущее связываются со строительством усовершенствованных ВВЭР мощностью 640, 1000 и 1500 МВт.
Атомная энергетика Запада базируется на реакторах PWR (аналог ВВЭР) и корпусных кипящих реакторах BWR (в России энергетических реакторов такого типа нет). Перспективы развития на ближайшее будущее связываются со строительством усовершенствованных PWR и BWR различной мощности.
Развитие атомной энергетики возможно при выполнении основного условия - уровень безопасности АЭС должен отвечать жестким современным требованиям. Характеристикой этого уровня служит расчетное доказательство безопасности АЭС с использованием теплогидравлических системных кодов улучшенной оценки, верифицированных на экспериментальных данных. Данные для верификации кодов могут быть получены как на действующих АЭС, так и на специальных экспериментальных установках.
Данные, полученные на действующих АЭС, как правило, относятся к стационарным режимам, не выходящим за рамки регламента, и не дают информацию, обеспечивающую полноценную верификацию кодов. В связи с этим, для получения данных, пригодных для верификации кодов, используют экспериментальные модельные установки.
Используются установки двух типов - фрагментные и интегральные.
Фрагментные установки моделируют компоненты циркуляционного контура АЭС или их узлы и предназначены для верификации отдельных модулей кода и построения физически обоснованных методик расчета отдельных явлений.
Интегральные установки моделируют циркуляционный контур АЭС с основными узлами и предназначены для исследования поведения контура в переходных и аварийных режимах.
Такие установки структурно, гидродинамически и теплофизически подобны реальным контурам АЭС с реакторами различных типов. Для их создания необходимо выяснить границы приближенного моделирования, требования и условия, которым должна удовлетворять экспериментальная установка для адекватного отображения прототипа.
К требованиям моделирования в первую очередь относятся [1] структурное и геометрическое подобие моделирующего и реального контуров циркуляции; равенство исходных режимных параметров (давление, удельный массовый расход теплоносителя через различные элементы, удельное тепловыделение и т.д.) в модели и реальном контуре; использование, по возможности, в моделях активной зоны полномасштабных технологических
каналов и тепловыделяющих сборок.
Крупномасштабные петлевые установки обладают характерными особенностями:
их прототипом является сложная энергетическая установка, содержащая
разнообразное теплотехническое оборудование (реактор, парогенераторы, насосы и
т.д.);
экспериментальные установки структурно подобны прототипу, т.е. содержат
аналогичное по назначению оборудование, имеют две или более циркуляционные
петли и т.п.;
Для создания интегральных стендов, моделирующих процессы в реакторной установке, в основном используется объемно-мощностное моделирование, при котором вертикальные размеры сохраняются те же, что и у прототипа, а объемы, проходные сечения и количество твэлов меньше на модели в ст раз. При этом процессы на модели протекают в реальном времени.
Наиболее важным для безопасности АЭС является правильное воспроизведение процессов, происходящих в реакторе. При исследовании аварийных процессов на полномасштабных стендах является определение температурных режимов твэлов и тепловыделяющей сборки в целом. Для адекватного воспроизведения температурных режимом ТВС РУ в различных аварийных ситуациях необходимо использовать модели ТВС, максимально близкие к натурным.
Диссертационная работа посвящена разработке моделей ТВС для исследования аварийных режимов на крупномасштабных стендах. При исследовании аварийных процессов на полномасштабных стендах основной задачей является определение температурных режимов твэлов и тепловыделяющей сборки в целом. Для адекватного воспроизведения температурных режимов ТВС РУ в различных аварийных ситуациях необходимо использовать модели ТВС, максимально близкие к натурным. Поэтому придается особое значение конструкциям и характеристикам элементов модели реактора. В связи с этим, создание моделей ТВС адекватно воспроизводящих температурные режимы в ТВС РУ актуально.
Научная новизна
В диссертационной работе представлены материалы, на основе которых разработаны, изготовлены и апробированы различные элементы моделей ТВС. На основе этих элементов изготовлена модель ТВС с имитаторами твэл косвенного нагрева с плотностью теплового потока равной плотности теплового потока твэлов на уровне остаточного тепловыделения РУ -мощность модели ТВС 1,5 МВт и модель ТВС с плотностью теплового потока на поверхности
имитаторов равной номинальной плотности теплового потока твэлов РУ — мощность модели ТВС 10 МВт. Элементы моделей ТВС, разработанные автором, аналогов в России и в мире не имеют.
Впервые разработана система охлаждения ТВС с имитаторами твэл косвенного нагрева. Система защищена патентом РФ.
Впервые разработана система термокомпенсации имитаторов твэл, позволяющая адекватно моделировать работу твэлов в том числе в аварийных условиях. Система защищена патентом РФ.
Впервые разработана система контроля работоспособности имитаторов твэл с косвенным нагревом в процессе ее эксплуатации. Система защищена патентом РФ.
Практическая значимость
В процессе выполнения диссертационной работы определены основные характеристики имитаторов твэл важные для их конструирования.
Разработаны элементы модели ТВС мощностью 10 МВт, а так же системы, обеспечивающие долговременную и безотказную работу ТВС с имитаторами твэл косвенного нагрева.
Разработаны различные системы, позволившие изготовить модели ТВС. Использование моделей на полномасштабном стенде ЭНИЦ ПСБ ВВЭР позволило получить ряд уникальных экспериментальных данных по температурным режимам ТВС в различных аварийных режимах, полученные данные используются для верификации как российских теплогидравлических кодов ТРАП, КОРСАР, БАГИРА, так и западных кодов ATLET, CATHARE, RELAP.
Личный вклад автора
Автор диссертационной работы принимал участие в разработке, расчетном обосновании, экспериментальной проверке систем, положенных в основу конструкций моделей ТВС. Автором разработаны алгоритм и программа для ПК, обеспечивающие работу системы контроля работоспособности имитаторов твэл в процессе эксплуатации.
На защиту выносятся:
Система охлаждения нижней части ТВС;
Система термокомпенсации имитаторов;
Система контроля работоспособности имитаторов.
Достоверность результатов исследований
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена экспериментальной
проверкой всех технических решений, которые использованы в конструкциах элементов моделей ТВС. Проверка технических решений проведена на экспериментальном стенде, обеспечивающем режимные параметры, соответствующие исследуемым аварийным режимам. Достоверность расчетов диссертационной работы подтверждена эксплуатацией модели ТВС в условиях исследования аварийных режимов.
Диссертация состоит из 5 глав:
В первой главе проведен обзор методов моделирования крупномасштабных стендов. Рассмотрены основные условия моделирования, на основе которых возможно создание моделей ТВС.
Во второй главе проведен обзор известных конструкций имитаторов твэл косвенного нагрева. Приведена, предложенная в работе, конструкция имитаторов твэл с вспомогательной оболочкой. Приведены теплофизические характеристики имитаторов.
В третьей главе представлена система охлаждения нижней части ТВС. Приведены результаты расчетов по обоснованию системы охлаждения.
В четвертой главе представлена система термокомпенсации имитаторов твэл. Приведены результаты опытной проверки системы термокомпенсации имитаторов.
В пятой главе представлена система контроля работоспособности имитаторов твэл в составе сборки во время эксплуатации. Приведены результаты опытной проверки системы. Приведена разработанная схема системы и алгоритм программы, позволяющие в течение работы сборки контролировать работоспособность каждого имитатора. Представлены результаты эксплуатации системы на модели ТВС мощностью 1.5 МВт.
Возможности имеющихся способов моделирования
В процессе анализа всеми авторами как весьма существенное отмечается то, что такой сложный комплекс систем, каковым является современная АЭС, не может быть смоделирован идеально, т.е. невозможно на практике удовлетворить всем критериям моделирования. Так основным недостатком линейного моделирования является ограниченность класса моделируемых явлений, т.е. невозможность корректно смоделировать явления, в которых существенную роль играют силы тяготения. При объемном моделировании весьма трудно сохранить гидравлические сопротивления. Нахаванди при получении законов объемного моделирования, не сделал этого существенного вывода из-за того, что использовал исходные уравнения в самом общем виде. В более общем моделировании Ишии, частным случаем которого является и объемное и линейное моделирование, что показал Киянг [6], получено требование равенства гидравлических сопротивлений модели и прототипа. При моделировании по законам Ишии возможно сохранить, не нарушая основных геометрических критериев, гидравлические сопротивления, но недостатком этих законов является расхождение в моделировании явлений теплообмена и режима потока.
Д.А. Лабунцов и Т.М. Муратова в ряде работ [13-15, 22] рассмотрели вопрос корректности моделирования с помощью описанных выше методов по отношению к строгой классической теории подобия. Они условно подразделили все работы на три группы в зависимости от используемых уравнений: 1. трехмерные уравнения сохранения в частных производных; 2. одномерные уравнения сохранения; 3. смешанное использование, как трехмерных уравнений в частных производных, так и одномерных.
К работам первой группы относится, например, работа Нахаванди [11], в которой уравнения импульсов и энергии не содержат слагаемых с молекулярными потоками. Тем самым исключаются из рассмотрения поперечный перенос тепла теплопроводностью и вязкое трение, а, следовательно, остаются вне моделирования процессы теплообмена на поверхностях каналов. С другой стороны, турбулентные члены вписаны формально, как соответствующие двойные корреляции пульсационных скоростей и температуры. Не приводится никаких соображений о конкретных моделях турбулентности. Корреляция u jU j преобразуется как и,и/, т.е. масштаб турбулентных пульсаций отождествляется с масштабом осредненного течения. Аналогичная подмена производится с потоком энергии: рСри Г преобразуется как piijh. Но это означает с точки зрения подобия, что ответственные за перенос слагаемые могут быть опущены, ибо их структуры повторяются в конвективном ди, dh потоке импульса ри.—- и конвективном потоке энтальпии ри . Bxj 8xj
Вследствие этого при преобразованиях подобия утрачивается информация о турбулентном переносе, т.е. в исходных уравнениях фактически нет ни молекулярных, ни турбулентных потоков. В этом случае уравнения импульса и энергии вырождаются в уравнения для идеальной жидкости, на основе которых невозможно построить физическую модель подобия реакторной установки с классической точки зрения.
К работам второй группы можно отнести работы Роуза [8], Карбинера и Кудника [9]. Этот подход правомерен лишь для стержневого течения, когда скорость постоянна по сечению и весь поток движется как сплошной стержень. Если профиль скорости не стержневой, изменяется по длине и во времени, то одномерное описание становится не совершенным. Осложнение, как известно, вызывают конвективные слагаемые, перед которыми должны стоять безразмерные коэффициенты, зависящие в общем случае от продольной координаты и времени и неизвестные без информации о реальной трехмерной картине полей скоростей и энтальпий.
В некоторых частных случаях описание на основе одномерных уравнений оказывается совершенно невозможным: ? течения с сосуществованием подъемных и опускных токов; ? существенно нестационарные течения, для которых неизвестно изменение напряжения трения т на стенке (квазистационарные отношения для т непригодны); ? процессы с нестационарными изменениями температуры стенки канала, ибо при этом нельзя получить и ввести в задачу информацию об изменениях теплового потока на стенке.
Работы Хайслера [16, 17] и Ишии [18-20] можно отнести к работам третьей группы. В данном случае математическое описание носит сложный «смешанный» характер: уравнение движения записано в виде, полученном после его интегрирования по замкнутому контуру, включающему аналоги активной зоны и парогенератора; поток тепла представлен в виде q = а\Гст-Ту, введено трехмерное дифференциальное уравнение теплопроводности с объемным источником тепла для стенки; напротив, теплообмен в парогенераторе вообще исключен из описания. Сочетание столь разных уровней описания с присоединением эмпирических сведений о теплоотдаче приводит к выводу, что при таком подходе соблюдение норм классической теории подобия невозможно.
Столь критический подход Лабунцова и Муратовой по отношению к существующим на сегодняшний день способам моделирования реакторных установок, продемонстрированный в работах [13] и [22], сменяется более конструктивным в работе [15]. Авторы предлагают классифицировать процессы в сложных системах с точки зрения возможности их строгого моделирования. Основными классификационными признаками являются:
1. физическая структура теплоносителя - однофазный теплоноситель; двухфазный с высокой степенью неупорядоченности; двухфазный с упорядоченной структурой и устойчиво-ориентированной межфазной поверхностью;
2. наличие факторов неуправляемости в краевых условиях, относящихся к физическим свойствам моделируемых сред, включая фактор тяготения.
Авторы показали, что теория подобия в полной мере применима к системам с однофазным теплоносителем. Моделированию поддаются объекты различного уровня сложности - отдельные элементы, аппараты и их комбинации. В соответствии с теорией подобия главными требованиями являются геометрическое подобие и равенство определяющих критериев (аргументов процесса). Выполнение этих требований обеспечивает подобие полей физических параметров и равенство всех безразмерных определяемых чисел подобия.
Двухфазные системы с устойчиво ориентированной в пространстве межфазной поверхностью могут также быть объектами применения строгой теории подобия и ее приближенных версий. Каждая система этого класса подлежит специальному анализу.
Принципиальные ограничения для применимости строгой теории подобия действуют в двухфазных потоках [23], отличающихся высокой степенью структурной и режимной неупорядоченности. Ограничения определяются неуправляемыми граничными условиями на межфазовых поверхностях, которые пронизывают пространство фаз, постоянно изменяют свою форму и расположение в пространстве и сами являются функциями процесса, а потому не подвержены непосредственному внешнему влиянию.
Имитаторы твэл с «вспомогательной оболочкой»
В настоящее время для формирования ТВС в качестве имитаторов твэл косвенного нагрева в основном используют имитаторы выполненные по технологии трубчатых электронагревательных элементов (ТЭН). Выбор конструкции и технологии изготовления ТЭН как базовой для имитаторов косвенного нагрева обусловлен рядом объективных причин. Производство ТЭН насчитывает уже более вековую историю и за это время получило огромное распространение во всех промышленно развитых странах. Мировой объём производства ТЭН в настоящее время превышает сотни миллионов метров в год. Разработкой и изготовлением оборудования для технологического цикла успешно занимаются многие специализированные фирмы, наиболее известные среди которых KANTHAL (Швеция) и C.S.M. (Италия).
На рис. 2.15 представлена конструкция нетермометрированного имитатора твэл, изготовленного по технологии ТЭН. Обогреваемая часть нетермометрированого имитатора твэл изготавливается отдельно. Нагреватель 2 устанавливается внутри трубки 1 диаметром 11,5 0,7 мм, засыпается периклазом 3 и обжимается в роликовом прокатном стане до диаметра 9,1 мм. Нижний токоподвод 6 (в некоторых конструкциях и верхний токоподвод 7) припаивается к нагревателю припоем ПСр-45. Окончательно имитатор твэл герметизируется снизу герметиком 5 (сверху пробкой). Конструкция термометрированного имитатора твэл изготовленного по технологии ТЭН аналогична технологии изготовления нетермометрированного имитатора твэл. Отличие состоит в том, что в термометрированном имитаторе, в промежутке между наружной оболочкой и внутренним электродом, устанавливаются термопары с помощью фигурных колец, прижимающих термопары к внутренней поверхности оболочки имитатора. Кроме того, в термометрированных имитаторах твэл, изоляция нижнего токоподвода усилена тройным слоем кварцевого чулка. Периклаз в нижней необогреваемой части оболочки уплотняется только вибрацией.
В конце 1999 и в начале 2000 года, в ЭНИЦ были поставлены две партии опытных имитаторов твэл изготовленных по технологии ТЭН (разработаны и изготовлены в ГНЦ РФ ФЭИ).
Проведенные испытания выявили основные недостатки конструкции имитаторов, изготовленных по технологии ТЭН. Основной недостаток конструкции заключается в том, что наличие термопар в периклазе может приводить к образованию пустот и воздушных зазоров, а особенность технологии изготовления не позволяет достичь в местах перехода обогреваемой и необогреваемой части высокой плотности периклаза и, соответственно, высокой его теплопроводности. В этих местах возможен перегрев имитатора и выход его из строя. Низкие коэффициенты теплопроводности наполнителя не позволяют отводить высокие тепловые потоки, что ограничивает мощность имитаторов такой конструкции. Кроме того, при несоосном размещении термопар возможно их замыкание по цепи оболочка — внутренний электрод и, соответственно, выход из строя имитатора. Для выполнения работоспособного имитатора такой конструкции необходимо строгое соблюдение технологии и контроль за размещением термопар при изготовлении имитатора.
Таким образом, имитаторы твэл, изготовленные по технологии ТЭН не позволяют создать тепловые потоков, достаточные для моделирования твэл при плотностях тепловых потоков на поверхности соответствующих номинальным плотностям тепловых потоков твэл.
Как указано выше, основной недостаток конструкции термометрированого имитатора твэл (изготовленный по технологии ТЭН) заключается в том, что при размещении термопар внутри изоляционного слоя (периклаза), могут иметь место пустоты (воздушные зазоры). Для устранения этого недостатка отделом НСЭИ и ОАО «Машиностроительным заводом» разработан имитатор твэл новой конструкции. Принципиальное отличие имитатора твэл, от известных конструкций заключается в использовании вспомогательной (промежуточной между наружной оболочкой и электроизолирующим слоем) оболочки. Термопары размещаются не в изоляционном слое, а в образованном пространстве между внутренней поверхностью наружной оболочки и наружной поверхностью внутренней оболочки.
Использование вспомогательной оболочки позволило заполнение периклазом производить классическим для технологии изготовления ТЭН способом. За счет этого, обеспечивается равномерность заполнения оболочки периклазом, достигается максимальная степень обжатия.
Дополнительно к этому следует отметить, что при данной технологии изготовления имитатора твэл существенно упрощается операция установки термопар и повышается точность их позиционирования.
Пространство, в котором установлены термопары образуется при обжатии имитатора и, соответственно, при деформации поверхностей. При этом термопары и оболочки образуют единое целое.
На рис. 2.16 показан термометрированый имитатор твэл мощностью 9 кВт. На рис. 2.17 показано поперечное сечение имитатора до обжатия. На рис. 2.18 показано поперечное сечение имитатора после обжатия до требуемых размеров.
Имитатор состоит из наружной оболочки 1 наружным диаметром dH, выполненной из нержавеющей стали и служащей для размещения элементов имитатора и удержания давления рабочей среды. Так как при проведении экспериментов давление рабочей среды (теплоносителя) достаточно высоко (10-20 МПа), то и оболочка выполняется достаточно прочной и герметичной. Толщина стенки Дн. Имитатор также содержит внутреннюю оболочку 2 наружным диаметром dBII и толщиной стенки Лвн, в которой размещен нагревательный элемент 3, выполненный из нихрома. Нагревательный элемент 3 отделен от внутренней оболочки 2 электроизолирующим слоем 4.
Электроизолирующий слой выполнен из периклаза — MgO. Между внутренней оболочкой 2 и наружной оболочкой 1 размещены кабельные термопары 5.
Подвод напряжения к нагревательному элементу 3 осуществляется с помощью нижнего 8 и верхнего 9 токоподводов. Нижний токоподвод, сделан из меди, выходит из имитатора через узел герметизации. Верхний токоподвод сделон заодно с корпусом имитатора твэл.
Имитатор твэл изготавливается следующим образом. Первоначально внутреннюю оболочку 2 наружным диаметром dBHH и толщиной Двнн, внутри которой установлен нагревательный элемент 3, заполняют электроизолирующим материалом 4 (периклаз- MgO). Далее размещают термопары 5 на наружной поверхности внутренней оболочки 2 (3-6 шт.) и фиксируют их на поверхности каким-либо способом, например, с помощью клея. Для удобства монтажа на наружной поверхности внутренней оболочки могут быть выполнены продольные канавки, в которых размещаются кабельные термопары. После этого внутреннюю оболочку 2 с термопарами 5 устанавливают в наружную оболочку 1. Для удобства монтажа между внуїренней поверхностью наружной оболочки и термопарами должен быть зазор не менее 0,1—0,2 мм. После образования сборки, ее обжимают до образования объемов в наружной и внутренней оболочках, в которых размещаются термопары, и полного устранения зазоров между внутренней поверхностью наружной оболочки и наружной поверхностью внутренней оболочки, рис. 2.18. Для изготовления надежного имитатора твэл необходимо выполнение ряда условий, связанных с выбором размеров наружной и внутренней оболочек. Нижеперечисленные условия выработаны на основе изготовления многочисленных опытных имитаторов с различным соотношением геометрических размеров, проведения опытов на стенде и выборе на основе этих опытов оптимальных соотношений.
Температурные режимы имитаторов твэл
Участок 1 состоит из высокотеплопроводного блока (рис. 3.2) и имитаторов твэл, проходящих через отверстия выполненные в высокотеплопроводном блоке.
На этом участке тепло выделяется только в электрообогреваемых стержнях имитаторов твэл. Выделяемое тепло за счет передачи тепла теплопроводностью передается к охлаждающей жидкости (воде), прокачиваемой через полости выполненные на периферии медного блока. Тепло от электрообогреваемых стержней к воде передается через ряд слоев (рис. 3.4). Определим номинальную температуру в центре электрообогреваемых стержней. Для определения температуры в центре электрообогреваемого стержня необходимо определить перепады температур в каждом слое.
Определим максимальную температуру в центре электообогреваемых стержней. Тепловой поток от электрообогреваемого стержня к охлаждающей жидкости передается в следующей последовательностью: 1 — периклаз, 2 — оболочка, 3 — воздушный зазор, 4 — высокотеплопроводный блок, 5 — вода.
Максимальная температура в центре имитатора в первом ряду (от центра) определяется следующим образом: Тмакс=Тж+дТб+дТм+дТ0б+дТпер+дТт.п (3.7) где Тж— температура охлаждающей воды, дТб— перепад температур в высокотеплопроводном блоке, дТв.з— перепад температур в воздушном зазоре, дТ0б— перепад температур в оболочке. дТпер— перепад температур в периклазе, дТтп— перепад температуры в токоподводе.
Высокотеплопроводный блок Для определения температурных полей в высокотеплопроводном блоке примем следующей допущения: Блок рассматривается в виде стержня с внутренним тепловыделением. Тепло, выделяемое в электрообогреваемых стержнях, находящихся на рассматриваемом участке, равномерно распределяется по всему объему блока. Тепло, выделяемое на участке, передается теплоносителю, т.е. температура изменяется только вдоль радиуса блока. Температура теплоносителя t« = const, коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности постоянный по всей поверхности.
При этих допущениях температура во всех точках внешней поверхности цилиндра будет одинакова. Рассматриваем стационарный режим. С учетом всех выше перечисленных допущений, дифференциальное уравнение (3.6) принимает следующий вид: L!L+lA.+ =o (3.8) dr г dr X Граничные условия: приг = 0 Ш = (3 9) при г = го j =- c-U. (ЗЛО) Решив дифференциальное уравнение при этих граничных условиях, получим Л=іб-іж +Ь-(гї-г ) (3.11) 2а АХ где г — радиусы кругов, на которых расположены имитаторы твэл. 100 Таблица 3.1 Перепад температур на каждом круге высокотеплопроводного блока № круга нач. от центра 1 2 3 4 5 6 7 г 0.0127 0.0255 0.0383 0.051 0.638 0.0765 0.0893 д\б 75.661 71.958 65.786 57.145 46.036 32.459 16.412 Воздушный зазор
После установки имитаторов в отверстия высокотеплопроводного блока остаются воздушные зазоры. Принимается, что толщина воздушного зазора мала, тепло через зазор передается теплопроводностью. Перепад температуры в воздушном зазоре определим следующим образом [7]: 2Ч \dUM.J Л , = «,- « =:гт-1п (3.12) где qi — линейный тепловой поток, Хв — коэффициент теплопроводности воздуха, d„M. — наружный диаметр имитатора твэл, de.3. — диаметр отверстия в высокотеплопроводном блоке, d..3. =duM .-2А,.,. где Де. — толщина воздушного зазора. В таблице представлен перепад температуры в воздушном зазоре при различных толщинах воздушного зазора. Таблица 3.2 Перепад температур в воздушном зазоре в зависимости от его толщины Ав.з.,мм 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 Дів.з.,С 67.404 80.711 93.961 107.154 120.292 133.374 146.401 159.374 172.292 185.158 197.969
Оболе щка Следующим слоем является оболочка имитатора твэл. Оболочка выполнена из нержавеющей стали 08Х18Н10Т толщиной 0,8 мм. Перепад температуры в оболочке определяется следующим образом: Гобі об.і в.з.і Я, -In dUM. 2жХст Kd -IA j (3.13) где Хет — коэффициент теплопроводности стали, Аоб. — толщина оболочки. 101 Периклаз
Электронагревательный стержень изолирован от оболочки имитатора твэл с помощью оксида магния MgO (периклаза). Толщина периклаза составляет 1,75 мм. Перепад температуры в периклазе определяется следующим образом: ( \ (3.14) lnep.j t =t =—Si—In Д lnep.j lnep.j 1об.і « "x пер где Xnep — коэффициент теплопроводности периклаза, Але/,. — толщина периклаза, dmK. — наружный диаметр медного токоподвода. Токоподвод Токоподвод представим в виде цилиндра с внутренним источником тепла. Перепад температуры в токоподводе определяется следующим образом: д = - = Ггоа-г2; (3.15) Перепад температуры по радиусу токоподвода принимает следующим вид: Д тпО = niO — Кер .« (3.16) где го — радиус токоподвода, X — коэффициент теплопроводности материала токоподвода.
Решив уравнение (3.16), получим, что для имитаторов находящих в центре (первом круге) высокотеплопроводного блока, работающих в самых тяжелых условиях, температура в центре токоподвода не превышает 280 С.
Система контроля работоспособности имитаторов в составе сборки
Имитаторы твэл используются, как правило, в составе сборок. Число имитаторов в сборке в зависимости от решаемой задачи может быть различным и лежит в пределах от 3 до 400. ТВС с электрообогреваемым имитаторами твэл эксплуатируются в тяжелых условиях (Рном= 16,0 МПа, tBX-320 С) — в процессе исследования температура стенки имитатора твэл может достигать 800 -1000 С, а затем резко снижаться до 60 —100 С.
В процессе эксплуатации возможен выход из строя имитатора твэл как вследствие достижения недопустимо высоких температур оболочек имитаторов, так и вследствие конструктивных особенностей электрообогреваемых имитаторов твэл. Основные причины выхода из строя имитаторов твэл следующие:
при превышении температуры нагревательного элемента выше допустимой происходит его расплавление и отключение от источника питания, при этом остальные имитаторы работают в нормальном режиме;
в случае касания внутреннего электрода и оболочки имитатора происходит короткое замыкание и образование дугового разряда, распространение дуги на остальные имитаторы. В этом случае возможно расплавление сборки — это наиболее опасная авария, приводящая к полному выходу сборки из строя;
к этому же результату приводит ситуация, когда в электроизолирующем слое появляются локальные участки с большим содержанием влаги и, соответственно, низким электросопротивлением (в нормальном состоянии сопротивление электроизоляции не меньше 1 МОм). Локальные участки с наличием влаги могут появиться либо при появлении трещин в оболочке, либо за счет перераспределения влаги, имеющейся в имитаторе. Последнее может иметь место вследствие неблагоприятных температурных градиентов, возникающих в сборке при проведении исследований.
Таким образом, для обеспечения работоспособности ТВС, необходимо контролировать состояние имитаторов твэл в процессе их эксплуатации в составе сборки.
Известен способ контроля работоспособности имитаторов в составе сборки, заключающийся в том, что в процессе проведения исследований на сборке измеряют температуру оболочек имитаторов [52]. Основной недостаток такого способа заключается в том, что способ не позволяет выявить дефекты, указанные выше и, следовательно, предотвратить аварийную ситуацию. Последнее связано с тем, что повышение температуры оболочки не коррелирует с возникновением, например, короткого замыкания оболочки и (или) появлением локальных участков с высоким влагосодержанием. При обрыве нагревательного элемента, температура оболочки имитатора практически не отличается от температуры среды, т.е. обрыв имитатора твэл не будет замечен.
Известен также способ контроля работоспособности имитаторов, заключающийся в том, что измеряют падение напряжения на сборке имитаторов, состоящей из п имитаторов, измеряют ток через сборку, определяют сопротивление сборки и сравнивают с номинальным его значением [52]. Недостаток такого способа заключается в малой точности. Способ позволяет выявить некоторые дефекты, например, обрыв внутреннего электрода имитатора вследствие его расплавления лишь при малом количестве стержней в сборке. Рассмотрим изменение сопротивления сборки при обрыве внутреннего электрода одного имитатора. Если принять число имитаторов в сборке п, то электрическое сопротивление сборки равняется Rc6 = R„„/n, (5.1) где R„M - осредненное по сборке электрическое сопротивление имитатора. После обрыва одного имитатора электрическое сопротивление сборки становится равным Rc6 = RHM/(n-l). Изменение электрического сопротивления сборки равно: ARc6 = RHM /n (n-1). (5.2) Очевидно, что при п — оо, ARc6 — О.
Как видно из таблицы 5.1 с увеличением числа имитаторов в сборке ARC6 быстро падает и практически не может быть зафиксировано, т.е. этот метод не может быть использован для контроля работоспособности имитаторов твэл в сборке ТВС 4, при ее эксплуатации.
Для контроля работоспособности имитаторов твэл и повышения точности определения момента наступления аварийного режима, предложен метод, в основе которого лежит сравнение активного сопротивление имитатора R3Ki с номинальным его значением RHj. Номинальное сопротивление каждого имитатора (рис. 5.1 а) может быть определено следующим образом:
Кномі = R i (RO6 + Rin) I (Ra.ii + Ro6 + RHS) (5.3) где RU0M — эквивалентное электрическое сопротивление имитатора; R3n — электрическое сопротивление внутреннего электрода; Коб — электрическое сопротивление оболочки; Ru3 — электрическое сопротивление изоляции.
Соответствующие значения R3JI, Ro6, Rm и R„0M для имитаторов твэл мощностью 9 кВт (мощность ТВС — 1,5 МВт) и 60 кВт (ТВС — 10 МВт) представлены в таблице 5.2.
Сопротивление изоляции велико (бесконечно) поэтому эквивалентное сопротивление имитатора RH0Mi равняется сопротивлению имитатора Rэлi.
При наличии короткого замыкания (рис 5.1 б), эквивалентное электрическое сопротивление имитатора равно: R3K, = (RMI1 Коб)/ (Излії + Ro6)+ R3J,i2 (5.4) где /?эл/7 — электрическое сопротивление имитатора (нагревательного элемента имитатора твэл) после места замыкания, ІЇЗЛІ2 — электрическое сопротивление имитатора (нагревательного элемента имитатора твэл) до места замыкания.
На рис. 5.2 представлены зависимости номинального и эквивалентного сопротивления от координаты замыкания, рассчитанные с помощью формул 5.3 и 5.4 (для имитаторов твэл мощностью 60 кВт и 9 кВт). Как видно электрическое сопротивление имитаторов линейно зависит от координат точки замыкания.
