Содержание к диссертации
Введение
1. Сведения о реакторах типа БРЕСТ, необходимые для их теплогидравлического обоснования. Сопоставление изучаемых проблем для реакторов типа БРЕСТ (свинцовый теплоноситель) и БН (натриевый теплоноситель) 15
1.1. Краткие сведения по основным узлам реактора БРЕСТ-ОД-300 (для выявления задач по теплогидравлическому обоснованию реактора)... 15
1.2. Сведения об активной зоне иееТВС 19
1.2.1. Некоторые параметры сборок твэлов активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300 19
1.2.2. Обоснование некоторых теплогидравлических оценок по реактору БРЕСТ-ОД-300 22
1.3. Теплогидравлические особенности в реакторе БРЕСТ-ОД-300
в сравнении с натриевыми реакторами 23
Выводы к главе 1 25
2. Модельные теплогидравлические сборки и техника эксперимента 26
2.1. Однородные модельные сборки 26
2.2. Конструкции модельных сборок для изучения теплогидравлических неоднородностей 27
2.3. Тепловое моделирование твэлов реакторов типа БРЕСТ. Имитаторы твэлов 31
2.4. Конструкция дистанционирующих решеток :...35
2.5. Измерение температур в моделях 37
2.6. Жидкометаллический стенд 6-Б 42
2.7. Методика проведения экспериментов 44
2.8. Обработка экспериментальных данных 45
Выводы к главе 2 51
3. Результаты экспериментальных исследований температурных полей и теплоотдачи для решеток твэлов реакторов типа БРЕСТ 53
3.1. Начальные тепловые участки и переменное энерговыделение 53
3.2. Теплоотдача и температурные поля в стабилизированной области теплообмена 60
3.2.1. Твэлы без дистанционирующих решеток 60
3.2.2. Твэлы с дистанционирующими решетками 75
3.3. Поля температуры и теплоотдача твэлов в неоднородных тепловых геометрических условиях (граница подзон с разными диаметрами и энерговыделениями твэлов) 83
3.3.1. Неоднородная сборка с одной дистанционирующей решеткой 83
3.3.2. Неоднородная сборка с двумя дистанционирующими решетками 94
3.4. Точность экспериментальных данных 99
Выводы к главе 3 108
4. Поля скоростей в модельных сборках реактора БРЕСТ-ОД-300 112
4.1. Постановка задачи 112
4.2. Метод измерения скоростей в модельных сборках 114
4.3. Результаты измерений скоростей для активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300 116
4.3.1. Сборка гладких имитаторов твэлов 116
4.3.2. Сборка с одной дистанционирующей решеткой 122
4.3.3. Сборка с двумя дистанционирующими решетками 123
4.3.4. Сборка с имитатором элемента СУЗ 126
Выводы к главе 4 127
5. Расчетные исследования для ТВС реактора БРЕСТ-ОД-300 с использованием поканальной методики. КодТИГР-БРС 128
5.1. Основные характеристики расчетного кода ТИГР-БРС 128
5.2. Исходные уравнения, расчетные формулы 130
5.2.1. Уравнение баланса массы 130
5.2.2. Уравнение баланса энергии 130
5.2.3. Уравнение сохранения импульса 132
5.3. Замыкающие зависимости 133
5.4. Нестационарная задача теплопроводности твэла как составляющая кодаТИГР-БРС 135
5.5. Результаты расчетов и их сравнение с экспериментальными данными 137
5.5.1. Расчеты для однородных условий в ТВС 137
5.5.2. Расчеты для неоднородных тепловых условий в ТВС 140
5.5.3. Расчеты для неоднородных тепловых и
геометрических условий в ТВС 142
Выводы к главе 5 146
Выводы и заключение 147
Список использованных источников
- Некоторые параметры сборок твэлов активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300
- Тепловое моделирование твэлов реакторов типа БРЕСТ. Имитаторы твэлов
- Твэлы без дистанционирующих решеток
- Результаты измерений скоростей для активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300
Введение к работе
Атомная энергетика потенциально обладает всеми необходимыми качествами для замещения значительной части энергетики на органическом топливе: ядерное топливо имеет в миллионы раз большую концентрацию энергии и неисчерпаемые ресурсы, отходы атомной энергетики имеют малый объем и могут быть надежно локализованы либо "сожжены" в ядерных реакторах, вовлечение в топливный цикл быстрых реакторов изотопа U238 решает проблему топливных ресурсов.
Будущее атомной энергетики зависит от решения трех основных задач [1,2]: поддержание безопасности и эффективного функционирования действующих АЭС; постепенное замещение действующих АЭС энергоблоками повышенной безопасности и последующий постепенный рост установленной мощности; овладение в промышленных масштабах ядерной энерготехнологией, отвечающей требованиям крупномасштабной энергетики.
В настоящее время атомная энергетика сохраняет свои позиции как один из основных мировых источников энергии. На ядерную энергию приходится ~6% мирового топливно-энергетического баланса и ~17% производимой электроэнергии. К середине XXI века потребности в электроэнергии возрастут втрое, и атомная энергетика, которая отвечала бы требованиям по безопасности и экономике, могла бы взять на себя существенную часть прироста мировых потребностей в топливе и энергии.
Решающую роль в развитии атомной энергетики должны сыграть быстрые реакторы с жидкометаллическим охлаждением, идеологом которых является А.ИЛейпунский [3]. Успешная эксплуатация первых быстрых натриевых реакторов БР-5 и БР-10 (мощностью 5 и 10 МВт соответственно) и опытного реактора БОР-60 мощностью 60 МВт позволила приступить к освоению мощных энергетических реакторов на быстрых нейтронах БН-350 и БН-600 [4, 5]. Показатели работы Белоярской АЭС с реактором БН-600 в настоящее время превосходят показатели эксплуатации АЭС с водяными реакторами. Большое значение имеют сооружение быстрого реактора БН-800 и проводимые в настоящее время в ГНЦ РФ-ФЭИ разработки проектов других быстрых реакторов с натриевым охлаждением (руководитель направления профессор В.М.Поплавский) [6]. В ГНЦ РФ-ФЭИ проведены комплексные работы по теплогидравлическому обоснованию быстрых натриевых реакторов, в результате чего выданы рекомендации по их надежному теплогидравлическому расчету [7, 8].
Вместе с тем перспективны быстрые реакторы с повышенной (естественной) безопасностью, использующие в качестве теплоносителя свинец (умеренная энергонапряженность, коэффициент воспроизводства около единицы), которые могут развить атомную энергетику большого масштаба без ограничения по топливным ресурсам. Идеологом данного направления является академик РАЕН Орлов В.В. [9-11].
Использование тяжелых теплоносителей для охлаждения реакторных установок началось в начале 50-х годов прошлого столетия, когда А.И.Лейпунский предложил в качестве такого теплоносителя сплав свинец-висмут. Причиной выбора этого теплоносителя явились его благоприятные свойства (высокая точка кипения, низкая химическая активность при взаимодействии с воздухом, водой и паром), позволившие повысить безопасность ЯЭУ. В ФЭИ были поставлены комплексные работы по освоению сплава РЬ - Ві в качестве теплоносителя, созданию экспериментальной базы для теплогидравлических исследований, их проведению, получению экспериментального материала по полям температуры и коэффициентов теплоотдачи в решетках твэлов соответствующих ЯЭУ (научный руководитель - академик РАН Субботин В.И.). Большой вклад в развитие и осуществление этих работ внес профессор Ю.И.Орлов [12, 13].
Разрабатывается концепция использования технологии судовых реакторов с тяжелым теплоносителем в ядерной энергетике России (профессор Тошинский Г.И. [14,15]).
На основе принципа внутренне присущей естественной безопасности, не сильно отходя от освоенных технических решений и материалов, можно создать в ограниченные сроки ядерную технологию, отвечающую современным требованиям, предъявляемым обществом к развитию атомной энергетики [16]. Использование плотного, теплопроводного топлива и химически пассивного, кипящего при весьма высокой температуре, мало активируемого нейтронами свинцового теплоносителя, позволит детерминистически исключить аварии разгона на мгновенных нейтронах, аварии с потерей теплоносителя, пожары и водородные взрывы при любых ошибках персонала и отказе оборудования при эксплуатации реактора. На основе принципа естественной безопасности может быть достигнуто также снижение стоимости быстрых реакторов вследствие использования двухконтурной системы, упрощения конструкций вспомогательного и основного оборудования, отказа от дополнительных систем безопасности и т.д. Разработка таких реакторов свидетельствует, что капитальные затраты на АЭС нового поколения будут ниже, чем на современные АЭС с легководными реакторами.
Реакторами нового поколения (с внутренне присущей естественной безопасностью) являются разрабатываемые в настоящее время реакторы типа БРЕСТ, в частности, реактор БРЕСТ-ОД-300 (тепловая мощность 700 МВт) [17]. Этот реактор является демонстрационным. При выгорании топлива до ~10% в течение ограниченной кампании (~5 лет) он должен обеспечить получение закритических параметров пара и гарантировать высокий КПД установки (~43%). С учетом специфических особенностей свинцового теплоносителя (высокая температура плавления, низкая массовая теплоемкость и ограниченная скорость циркуляции) тепловая мощность реактора 700 МВт является близкой к минимальной для энергетического реактора, когда достигается полное воспроизводство топлива (KB ~1) и в полной мере выполняются требования естественной безопасности. Температура свинца на входе в активную зону (~ 420С) и на выходе (~ 540С) выбраны такими, чтобы обеспечить необходимый запас до температуры замерзания свинца (~ 330С) и гарантировать приемлемые условия работы оболочек твэлов, корпуса реактора, парогенераторов и насосов. Кроме того, при аварийных ситуациях практически недостижима высокая температура кипения свинца (1725С).
Одни из последних сведений о концепции развития атомной энергетики, базирующейся на использовании ядерных реакторов с естественной безопасностью, приводятся В.В.Орловым и Е.О.Адамовым в работе [18], а конкретное обоснование установки с реактором БРЕСТ-ОД-300 дается В.А.Габараевым и А.И.Филиным в [19].
В связи с вышесказанным актуальной является задача получения экспериментальных и расчетных данных по закономерностям протекания процессов теплообмена и гидродинамики в ТВ С активной зоны реактора типа БРЕСТ.
Целью работы является получение данных по формированию полей температуры и скорости в четырехугольной решетке твэлов (для чисто гладких твэлов, твэлов с одной и двумя дистанционирующими решетками, для твэлов, находящихся на границе подзон с разными диаметрами и энерговыделениями твэлов), характерной для реакторов типа БРЕСТ, и выдача на их основе рекомендаций по расчету теплогидравлических характеристик активной зоны этих реакторов, а также создание стационарной части расчетного кода, учитывающего особенности активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300 и сравнение результатов расчета и эксперимента для модельных ТВС этого реактора.
В соответствии с поставленными целями необходимо было решить следующие задачи:
Разработать методику экспериментальных исследований полей температуры и скорости применительно к активной зоне реактора БРЕСТ-ОД-300, учитывающую характерные особенности этого реактора, а также методику обработки экспериментальных данных.
Провести эксперименты по получению базовых данных для теплогидравлического обоснования активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300.
Обобщить и проанализировать полученные экспериментальные данные по полям температуры и скорости в модельных ТВС реактора БРЕСТ-ОД-300.
Получить формулы и графические зависимости для расчета теплогидравлических характеристик (коэффициенты теплоотдачи, неравномерности температуры твэлов и т.д.) активной зоны реакторов типа БРЕСТ.
Провести расчет температурных полей теплоносителя в модельной ТВС реактора БРЕСТ-ОД-300, сравнить экспериментальные и расчетные результаты для однородных и неоднородных теплогидравлических условий и заложить основы для дальнейшего развития и верификации расчетного кода по теплогидравлическому обоснованию активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300.
Достоверность результатов подтверждается достаточно высокой точностью экспериментальных данных (±15% для коэффициентов теплоотдачи и ± 7 % для неравномерностей температуры); согласием экспериментальных и расчетных данных; выявлением закономерностей, соответствующих общим теплогадравлическим процессам в каналах сложной формы при течении жидких металлов (стыковка полученных данных с предельными значениями); подтверждением функциональных зависимостей для критериев в решетках твэлов и т.д.
Научная новизна работы состоит в полученных результатах по теплогид-равлическим процессам в четырехугольной решетке твэлов с большой пористостью, существенно отличающимся от теплогидравлических процессов в треугольной решетке твэлов, используемой в реакторах с натриевым теплоносителем; в выявленных важных эффектах от дистанционирующих решеток в полях скорости и температуры в ТВС, от условий неоднородности на границе подзон твэлов, от геометрических особенностей, связанных с четырехугольной решеткой твэлов, и т.д.
Практическая ценность и внедрение результатов исследования.
Полученные результаты исследований используются для теплогидравлического обоснования активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300, а также необходимы для верификации расчетных кодов, создаваемых для оценок теплогидравлических характеристик реакторов типа БРЕСТ.
Автор защищает:
Разработанную методику экспериментальных исследований полей температуры и скорости применительно к активной зоне реактора БРЕСТ-ОД-300, учитывающую характерные особенности этого реактора, методику обработки экспериментальных данных, результаты проведенных экспериментов, как базовые данные для теплогидравлического обоснования реактора БРЕСТ-ОД-300.
Полученную универсальную обобщающую зависимость для расчета стабилизированных чисел Нуссельта для твэлов без дистанционирующих решеток, с одной дистанционирующей решеткой и двумя дистанционирующими решетками при перекрытиях проходного сечения под теплоноситель єр = 10 и 20 %.
Обобщающую зависимость для расчета максимальных стабилизированных периодических неравномерностей температуры по периметру твэлов применительно к различным зонам твэлов реактора БРЕСТ-ОД-300.
Рекомендации для расчета общих неравномерностей температуры, возникающих по периметру твэлов на границе подзон с разными диаметрами и энерговыделениями твэлов.
Полученные рекомендации для определения длин начальных тепловых участков при наличии и отсутствии гидродинамической стабилизации, а также для расчета единичной переходной функции применительно к квадратным решеткам твэлов активных зон реакторов типа БРЕСТ.
Данные гидродинамических исследований полей скорости по периметру твэлов в азимутальном направлении и по длине энерговыделения в сборке с имитаторами без дистанционирующих решеток, с одной и двумя дистан-ционирующими решетками, а также в сборке с имитатором элемента СУЗ.
Результаты расчетов по разработанной стационарной части расчетного кода ТИГР-БРС по полям температуры теплоносителя в модельных сборках ТВС реактора БРЕСТ-ОД-300.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы доложены на международных и российских конференциях, конгрессах и семинарах, научных сессиях и школах молодых ученых, совещаниях консультативных групп МАГАТЭ и т.д:
10 международная конференция Ядерного Общества России "От первой в мире АЭС к атомной энергетике XXI века", Обнинск, 1999 г.
Научные сессии МИФИ-2000, МИФИ-2002 Москва, 2000, 2002.
Международный семинар "Cost Competitive, Proliferation Resistant Inherently and Ecologically Safe Fast Reactor and Fuel Cycle for Large Scale Power", Москва, 2000.
Совещание консультативной группы МАГАТЭ "Конструкция и эксплуатационные показатели реакторов и подкритических бланкетных систем со свинцовым или свинцово-висмутовым теплоносителем и/или материалом мишени", Москва, 2000 г.
Семинар "Математические модели для исследования и обоснования характеристик оборудования и ЯЭУ в целом при их создании и эксплуатации", Сосновый Бор, 2000 г.
Международный конгресс "Энергетика-3000", Обнинск, 2000 г.
Отраслевой научно-технический семинар "Проблемы технологии и теплогидравлики жидкометаллических теплоносителей", Обнинск, 2000 г. XIII Школа-Семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.ИЛеонтьева "Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", С.-Петербург, 2001.
Отраслевая конференция Теплофизика-2001 "Теплогидравлические коды для энергетических реакторов (разработка и верификация)", Обнинск, 2001.
Отраслевой научно-технический семинар "Исследования теплогидравлики и технологии свинца применительно к проекту установки с реактором БРЕСТ-ОД-300", Обнинск, 2001.
10-е международное совещание рабочей группы по теплогидравлике усовершенствованных ядерных реакторов "Теплогидравлика быстрых реакторов с различными теплоносителями", Обнинск, 2001 г. VII международная конференция "Безопасность АЭС и подготовка кадров", Обнинск, 2001 г.
Совещание рабочей группы 4 в рамках Соглашения по быстрым реакторам между Комиссариатом по атомной энергии Франции и Минатомом России, Кадараш, Франция, 2002 г.
Международный конгресс "Энергетика-3000", Обнинск, 2002.
Российская межотраслевая конференция "Теплофизика-2002" "Тепломассоперенос и свойства жидких металлов", Обнинск, 2002.
11-я международная конференция по ядерной технике (ICONE-11), Токио, Япония, 2003 г.
Основные результаты работы опубликованы в 13 печатных работах и ряде отчетов о НИР.
Объем работы.
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Диссертация изложена на 163 страницах текста, куда входит 86 рисунков, 6 таблиц, список использованных источников, включающий 118 наименований, в том числе 43 работы автора.
Работа выполнена в лаборатории моделирования тепловых процессов в ядерных реакторах ГНЦ РФ-ФЭИ под руководством доктора технических наук А.П. Сорокина. Автор выражает ему благодарность, а также благодарит всех сотрудников лаборатории, помогавших в подготовке и оформлении диссертации.
Некоторые параметры сборок твэлов активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300
Активная зона реактора БРЕСТ-ОД-300 (рис. 1.2) набрана из 145 бесчехловых ТВС, часть ячеек в которых занята каркасными трубами диаметром 13,6 мм, на которых крепятся дистанционирующие решетки. ТВС установлены по вершинам квадратов с шагом 169 мм (на рис. 1.3 показан один из вариантов ТВС). Такая конструкция ТВС позволяет равномерно разместить твэлы в активной зоне, уменьшить гидродинамические неоднородности и обеспечить, как уже отмечалось, большую объемную долю свинца в активной зоне и высокий уровень мощности, отводимой естественной циркуляцией свинца.
Предполагается наличие в активной зоне трех подзон ТВС с твэлами различного диаметра (радиальное трехзонное профилирование с одинаковой исходной концентрацией Ри); наружный диаметр твэла по центральной, средней и периферийной подзоне составляет соответственно 9,4; 9,8 и 10,5 мм при одинаковом для различных подзон расстоянии между центрами твэлов s = 13 мм, что должно стабилизировать КВА по сечению активной зоны и тем самым обеспечить приблизительно равный подогрев свинца и идентичность температурных режимов твэлов по радиусу активной зоны [21]
Активная зона реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 имеет ряд принципиальных особенностей, обусловливающих необходимость ее теплогадравлического обоснования, что составило основной предмет исследований диссертационной работы.
1. Неизученная квадратная решетка твэлов с большой пористостью по теплоносителю (s/d = 1,20 - 1,4) с относительно большими неравномерностями температуры и пониженными значениями коэффициентов теплоотдачи по сравнению с треугольной решеткой твэлов, обычно используемой в реакторах с жидкометаллическим охлаждением.
2. Свинцовый теплоноситель с относительно невысокой теплопроводностью, а следовательно, с небольшими (по сравнению с натрием, как с наиболее освоенным теплоносителем для реакторов на быстрых нейтронах) коэффициентами теплоотдачи, что обусловливает большую значимость коэффициентов теплоотдачи в оценках максимальной температуры твэлов. Относительно малые скорости течения свинца также снижают коэффициенты теплоотдачи.
3. Большие температурные напоры "стенка-жидкость", обусловливающие существенную значимость эффекта от переменного энерговыделения в отношении теплоотдачи и вызывающие необходимость более подробного изучения тепловых процессов, протекающих в нестабилизированных условиях (начальные тепловые участки).
4. Наличие в активной зоне областей (подзон) с разными диаметрами и энерговыделениями твэлов, обусловливающих неоднородные гидродинамические и тепловые процессы на границе подзон (специфика неравномерностей температуры и теплоотдачи) и влияющих на тегоюгидравлику активной зоны в целом.
5. Наличие в активной зоне поперечных дистанционирующих решеток, обусловливающих отличие теплогидравлических процессов от соответствующих теплогидравлических процессов, протекающих в активных зонах реакторов с винтовым оребрением твэлов (наиболее распространенный вариант дистанционирования твэлов с треугольной компоновкой). Проблемы, связанные с перечисленными теплогидравлическими особенностями реактора БРЕСТ-ОД-300, решены в рассматриваемой работе.
В экспериментах используются несколько теплогидравлических моделей одинаковой конструкции (рис. 2.1, а, б), отличающиеся лишь относительным шагом имитаторов твэлов (s/d = 1,25, 1,28 и 1,46) [31 - 33] и наличием или отсутствием дистанционирующих решеток. В последнем случае речь идет о чисто "гладком" варианте имитаторов твэлов. болт, 16 —стакан Модельные ТВС активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300 представляют собой сборки 25-и имитаторов твэлов, расположенных по вершинам квадратов и размещенных в прямоугольной обечайке, которая, в свою очередь, монтируется в цилиндрическом корпусе. Дистанционирование имитаторов осуществляется верхней и нижней торцевыми решетками (гладкий вариант имитаторов твэлов) и дополнительно одной или двумя дистанционирующими решетками, расположенными от начала энерговыделения на расстоянии 1р = 372 и 672 мм соответственно. Обогреваемая длина сборки составляет 960 мм. Зазор между пристенными имитаторами и стенкой обечайки выбирается из условия обеспечения равенства подогревов теплоносителя в центральных и пристенных ячейках. С этой целью в модели вводится пластина (толщиной 0,3 мм) между обечайкой и пристенными имитаторами твэлов. В итоге геометрия поперечных сечений моделей обеспечивает с хорошим приближением условия регулярной ячейки активной зоны реактора вблизи центрального имитатора.
Тепловое моделирование твэлов реакторов типа БРЕСТ. Имитаторы твэлов
Измерительные имитаторы твэлов (рис. 2.5, а). В моделях центральный имитатор является измерительным. Он выполняется поворотным в сальниковом уплотнении. На его поверхности в продольных пазах, выфрезерованных в стенке, заделываются по 12 микротермопар (одна из них, № 12, в модели с s/d = 1,46 — подвижная, в моделях с s/d = 1,28 и 1,25 все 12 микротермопар фиксированы), располагаемых с шагом по периметру (азимуту) имитатора Аф = 30. Спаи термопар фиксируются в 11-и или 12-и сечениях по высоте энерговыделения (см. схему расположения термопар на рис. 2.6). В опытах с гладкими имитаторами спаи располагаются равномерно по зоне энерговыделения, а в опытах с одной дистанционирующей решеткой - наиболее часто в районе дистанционирующей решетки (две термопары - в пределах самой решетки (№ 5, 6), две термопары -непосредственно вблизи решетки (№ 4, 7)). Ввод измерительного имитатора в пучок модели осуществляется через верхний фланец модели.
Измерительные имитаторы выполняются из стали 20, что позволяет осуществить достаточно строгое тепловое моделирование твэлов реактора БРЕСТ-ОД-300 (см. ниже). Однако используется также имитатор из ст. Х18Н10Т и меди для изучения влияния теплопроводности стенки на процессы теплообмена.
Неизмерительные имитаторы твэлов (рис. 2.5, б) выполняются неподвижными. Они заканчиваются в верхней части глухими наконечниками (пробками), а в нижней части - приваренными трубочками - хвостовиками диаметром 0 7,7 х 0,6 мм, через которые осуществляется ввод токоподводов к нагревателям имитаторов. Уплотнение хвостовиков осуществляется вакуумной резиной в нижнем фланце модели. Изготавливаются неподвижные имитаторы из нержавеющей стали.
Нагреватели имитаторов твэлов выполняются в виде двухзаходных (или однозаходных) спиралей из нихромовой проволоки 0 1 мм в оплетке из кварцевой нити, пропитанной кремнеорганикой, или отжигаемых на воздухе спиралей, изолируемых от стенки трубки электроизоляционным слоем. Нагреватель такой конструкции обеспечивает постоянный по высоте и периметру имитатора тепловой поток, достигая максимального значения qmax = 300 кВт/м2 (в экспериментах не было необходимости работать при максимальных значениях тепловых потоков, и опыты проводились при меньших q из-за сравнительно малых скоростей течения теплоносителя).
Тепловое моделирование твэлов реактора БРЕСТ-ОД-300 осуществляется довольно строго [36]. Оно обеспечивается равенством параметров эффективной теплопроводности твэла и его имитатора (єк), рассчитанных по основной гармонике разложения температурного поля в ряд Фурье (k = к0) [37]. Основной гармоникой для температурного поля твэла, расположенного в "бесконечной" четырехугольного решетке, является четвертая гармоника (k0 = 4), поэтому обеспечивается равенство параметров эквивалентной теплопроводности твэла и его имитатора, рассчитанного по четвертой гармонике
Смысл и численные значения параметров в формулах (2.2), (2.3) иллюстрируются на рис. 2.7 в соответствии с данными для компонентов твэла реактора БРЕСТ-300 и его имитатора, изготовленного из стали 20 (Д/= 52 Вт/м С) и обтекаемого сплавом натрий - калий (Af= 24 Вт/мС). Средняя температура свинца в активной зоне реактора и твэльном зазоре принималась равной 500 и 600 С соответственно, а сплава Na - К в модели 50 С.
Результаты расчетов по формулам (2), (3) представлены на рис. 2.7, в, откуда видно, что при значении k = 4 параметры є4 для твэла и имитатора практически совпадают, т.е. с высокой точностью ( 5- 10 %) выполняется условие теплового моделирования твэлов (2.1).
Рис. 2.7, а, б, в. К тепловому моделированию твэлов реактора БРЕСТ-ОД-300 (а) имитаторами (б); зависимость параметра теплового моделирования (єк) от номера гармоники (к) для твэла и его имитатора (в) 2.4. Конструкция дистанционирующих решеток
Конструкция дистанционирующей решетки (рис. 2.8) характеризуется каркасом, выполненным из вставленных в друг друга пластин толщиной 0,6 или 1,2 мм (в зависимости от степени затеснения проходного сечения под теплоноситель ер = 10 или 20 %: изучались два варианта степени затеснения), образующих квадратные ячейки, к стенкам которых крепятся миниатюрные пружинные выступы, контактирующие с гладкими имитаторами твэлов и таким образом дистанционирующие их (толщина пластинок, из которых выполнены выступы, составляет 0,3 мм). Таких выступов на каждую ячейку приходится по 12 штук: четыре по периметру, по три - на фиксированной образующей в узком зазоре между твэлами. Высота дистанционирующей решетки - 38 мм.
Твэлы без дистанционирующих решеток
Нанесенные опытные точки представляют собой усредненное (среднее арифметическое) значение температуры стенки по периметру имитатора согласно показаниям термопар (измерения температуры стенки производились с дискретностью Лф = 10 при повороте имитатора в интервале углов 0 ф 360). Температура теплоносителя рассчитывалась как среднее арифметическое значение из показаний термопар, расположенных на выходе из четырех ячеек, окружающих измерительный имитатор, в предположении линейного характера изменения температуры по длине энерговыделения в условиях q = const по длине.
Большую значимость имеют вопросы разброса подогревов теплоносителя по ячейкам модельной сборки (особенно в области регулярных ячеек: влияние допусков на изготовление деталей, смещения и прогибы имитаторов и другие причины), что характеризует, в определенной мере, разброс подогревов в регулярной зоне твэлов и ректора БРЕСТ-ОД-300: экспериментальная сборка моделирует в своей центральной части геометрию бесконечной решетки твэлов реактора БРЕСТ-ОД-300. На рис. 3.6. и 3.7. представлено изменение относительных подогревов теплоносителя по радиусу сборок с s/d = 1,46 и 1,25 соответственно. Как видно, в центральной зоне сборок имеют место адиабатические условия теплообмена (отклонения точек от 1 не превышают ±10-15%), что моделирует достаточно строго тепловые условия в "бесконечной" решетке твэлов реактора. Сходимость тепловых балансов в опытах - не хуже 5%.
По-видимому, в самом реакторе соответствующие разбросы будут не меньше, а скорее больше, чем в модельной сборке, так как влияние различных факторов (в частности, геометрических - меньший диаметр твэлов, чем имитаторов в сборках, и т.д.) на протекающие теплогидравлические процессы в реальной установке будут больше, чем в модельной сборке, когда обращается особое внимание на создание "идеальных" условий в проведении эксперимента.
На рис. 3.8, а, б показано изменение относительных подогревов теплоносителя в ячейках регулярной зоны модельной сборки с s/d = 1,25 для Ре=1301 (а) и Ре =74 (б), когда усреднение подогревов производится по рядам регулярной зоны, а в качестве масштаба используется подогрев по всей регулярной зоне сборки. Там же нанесены предельные отклонения температуры по ячейкам каждого ряда регулярной зоны. Видно, что для Ре = 1307 разброс усредненных по рядам значений подогревов не превышает (+8 -ь - 4%), а локальных подогревов (по ячейкам ряда) ± 13%. Для Ре = 74 соответствующие разбросы меньше указанных величин.
Изменение относительных подогревов в ячейках регулярной зоны модельной сборки с s/d = 1,25 для Ye = 1307 (а) и 74 (б). д (») - усредненные по ряду / значения подогревов теплоносителя, Д/ - средний по всем ячейкам регулярной зоны подогрев теплоносителя, = - интервал разброса подогревов в ячейках /-го ряда
Известный экспериментальный факт, что при одинаковых скоростях течения теплоносителя и одинаковых диаметрах имитаторов относительный шаг раздвинутой решетки практически не сказывается на величине коэффициентов теплоотдачи [61], приближенно подтвердился в проведенных экспериментах, что выразилось в единой формуле для коэффициентов теплоотдачи в функции Обработка опытных данных в критериях подобия при использовании внешнего диаметра имитаторов твэлов приводит к соотношению:
Строго говоря, имеется небольшое расслоение по шагу, что в дальнейшем корректируется при обработке опытных данных.
Здесь Nuj л =5,2 - число Нуссельта для ламинарного течения теплоносителя, практически не зависящее от относительного шага решеток твэлов для интервала шагов 1,25 s/d 1,46, в чем легко убедиться из расчетов по соотношению (3.10, а). При этом надо иметь в виду, что Nujj, = Nu%-d/ d Уточнив зависимость турбулентной составляющей от шага решетки твэлов, получим: Nud = 5,2 + 0,007Ped0J5+o-mfs/d. (3.15)
Зависимости чисел Нуссельта, рассчитанные по внешнему диаметру имитатора (в этом случае число Нуссельта пропорционально непосредственно коэффициенту теплоотдачи, отличаясь от него лишь константой), от относительного шага решетки твэлов (s/d) представлены на рис. 3.10. В зависимостях имеют место максимумы. Для ламинарного течения максимум размыт и приходится на s/d = 1,3 - 1, 45 [37], для турбулентного течения максимумы имеют более выраженную форму и приходятся для скоростей w =3, 2, 1 м/с на относительный шаг s/d= 1,3.
В области малых s/d с ростом s/d уменьшаются неравномерности температуры, что увеличивает коэффициенты теплоотдачи; в области больших s/d с ростом s/d имитатор твэла все в большей мере может рассматриваться как одиночный цилиндр, продольно обтекаемый теплоносителем, что обусловливает падение коэффициентов теплоотдачи с ростом s/d (решающую роль в теплообмене играет геометрический фактор ячейки). Взаимодействие двух противоположно действующих факторов обусловливает максимум в зависимости Nuj =f(s/d).
Можно отметить более выраженную форму максимумов для треугольной решетки твэлов, что видно из рис. 3.11, на котором представлены результаты расчетов для ламинарного режима течения теплоносителя [37]. Максимум для квадратной решетки твэлов, наряду с пологостью (в сравнении с максимумом для треугольной решетки), смещен в область больших s/d по сравнению с треугольной решеткой, что согласуется с результатами эксперимента для турбулентного режима течения теплоносителя (рис. 3.10).
Результаты измерений скоростей для активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300
Имеют место следующие закономерности [67, 68,97 - 99]: Безразмерные профили скорости слабо зависят от расхода теплоносителя в исследованном диапазоне чисел Рейнольдса: (числа Re): Re = 6000 - 60000. Это позволяет использовать усредненные кривые в исследованном интервале расходов.
Распределение относительных скоростей по периметру измерительного имитатора в модели без дистанционирующей решетки (Н = 320 мм)
С увеличением расстояния происходит формирование распределения скоростей по подзонам (согласно геометрии и сопротивлению подзон), в результате чего устанавливается следующий профиль:
В более затесненной зоне (s/d = 1,25) - скорость меньше, в более открытой зоне (s/d = 1,34) - скорость больше.
На расстоянии Н = 620 мм (рис. 4.4.), когда происходит стабилизация течения, амплитуда неравномерности скорости в четырехугольной ячейке с s/d — 1,34 составляет 10% от средней в ячейке скорости, а в ячейке с s/d = 1,25 примерно -15%. Поскольку экспериментальные исследования полей скорости для четырехугольной решетки стержней не проводились, то сравнение полученных данных можно было бы провести лишь с результатами расчета по графоаналитическому методу Дайсслера - Тейлора [100] или другим способом, что потребовало бы большого объема расчетных работ.
Распределение относительных скоростей по периметру измерительного имитатора в модели без дистанционирующей решетки (Н = 620 мм)
Вместе с тем, представляет интерес качественное сопоставление полученных данных с результатами измерений полей скорости в треугольных решетках стержней с относительными шагами s/d = 1,2 и 1,32 , близкими к относительным шагам имитаторов в исследованных сборках (эти результаты заимствованы из [101] и приведены на рис. 4.5, а, б). Видно, что неравномерности относительной скорости для треугольных решеток с рассматриваемыми s/d составляют примерно 7 - 8% от средней скорости. В квадратной упаковке стержней неравномерность скорости для сопоставимых s/d должна быть больше, чем в треугольной упаковке, что и демонстрируют результаты измерений: для s/d = 1,34 она (как было сказано) составляет 10%, а для s/d = 1,25 - 15%. Таким образом, наблюдается корреляция с опытными данными для треугольных решеток стержней.
Неравномерность скорости на границе зоны с ячейками s/d = 1,34 и 1,25 составляет -20%. - рис. 4.4. При значениях Н 620 мм, вследствие гидродинамической стабилизации, имеют место такие же распределения скорости, что и при Н = 620 мм.
Распределение безразмерной скорости по периметру стержней с s/d = 1,2 (а) и 1, 32 (б) в треугольной упаковке: символы - данные электромагнитных измерений для различных чисел Re, усредняющие зависимости, , результаты измерений трубками Пито [102,103], каналы пальмеровского типа. Расчет скоростей в сборке гладких имитаторов твэлов. Расчеты проведены для разных категорий ячеек, представленных на рис. 2.14.
Проводится приближенный расчет скоростей в ячейках модельной сборки в предположении, что: Распределение средних в ячейках скоростей можно выразить через гидравлические диаметры и коэффициенты формы. Расчет коэффициентов формы можно провести по формуле для регулярных четырехугольных решеток стержней.
Расчеты проводятся для двух значений числа Рейнольдса (Re = 50000; 10000), имеющих место в экспериментах с модельной сборкой.
Имеют место следующие особенности в распределении скоростей [67,68, 97 -99]:
До дистанционирующей решетки закономерности по распределению скоростей соответствуют гладкой зоне.
Зона расположения дистанционирующей решетки (рис. 4.7) характеризуется аномальными закономерностями в распределении скорости. Решетка меняет распределения скоростей: сразу за решеткой наблюдаются большие скорости в затесненной зоне сборки (s/d = 1,25) и меньшие скорости в более открытой зоне (s/d = 1,34), что следует рассматривать как эффект от направляющих на дистанционаторах решетки (эффект "закрутки" потока). Отмеченный эффект, конечно, отсутствует в расчетном и экспериментально найденном распределении скорости в сборке чисто гладких имитаторов твэлов.
Распределение относительных скоростей по периметру измерительного имитатора в модели с одной дистанционирующей решеткой (Н = 460 мм)
По ходу течения теплоносителя за решеткой наблюдается тенденция к "восстановлению физики" течения теплоносителя в гладких имитаторах твэлов, однако сохраняются последствия эффекта дистанционирующей решетки.
На расстоянии 920 мм эффект "закрутки" сохраняется, хотя появляются локальные неравномерности, характерные для гладкой зоны (рис. 4.8). Более высокая скорость имеет место в зоне периметра Дер = 180 - 270, как и при Н = 620 мм (максимум расположен после точки с ф = 180).
