Введение к работе
Актуальность проблемы.
Исследование гидродинамических и тепловых процессов при движении однофазных и двухфазных потоков в пористых средах является актуальной задачей современной теплофизики. В атомной энергетике такие задачи требуется решать при разработке конструкций водоохлаждаемых и кипящих реакторов с использованием шаровых микротвэлов.
Как один из вариантов повышения безопасности и эффективности АЭС Российский научный центр « Курчатовский институт » и ВНИИАМ предложили модернизацию широко распространенных реакторов типа ВВЭР с активной зоной с топливом на основе микротвэлов. Основным преимуществом таких реакторов является то, что при любых тяжелых авариях и при любых диверсиях радиационные последствия очень малы. Тепловыделяющие сборки с микротвэлами могут применяться в действующих блоках АЭС без изменения конструкции реактора, возможна полная их унификация со сборками традиционной конструкции (со стержневыми твэлами в трубках из циркониевого сплава) по габаритам, присоединительным элементам конструкции по теплогидравлическим и нейтронно-физическим характеристикам.
Хорошие тепло физические и механические свойства микротвэлов шаровой формы на основе топливных частиц с покрытием привлекли к этому виду топлива внимание специалистов, разрабатывающих концепции высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов и ВВЭР с микротопливом. Успешное использование этого вида ядерного топлива возможно только при наличии данных о структуре и геометрических характеристиках шаровых твэлов различного диаметра в активных зонах канального и насыпного типа; данных о гидродинамике и теплообмене при движении однофазного и двухфазного теплоносителя.
Очень важным является анализ гидродинамического и теплового поведения систем сложной конфигурации, содержащих коллекторы с засыпками. При проектировании такого рода систем возникают различные конструктивные варианты, требующие анализа. Проводить такой анализ сложно вследствие того, что возможные эксперименты не могут дать дос-
таточного количества информации для понимания происходящих процессов. Такие эксперименты дороги и сложны. Поэтому математическое моделирование является единственным способом анализа таких сложных многофакторных систем. При этом создание надежных расчетных методик для такого рода систем с использованием математических моделей является задачей большой сложности.
Цель работы.
Проведение расчетно-теоретических исследований гидродинамики и теплообмена в ТВС с микротвэлами (ТВС МТ).
Получение распределения линий тока, давления и температуры в объеме ТВС. Поиск оптимальных гидродинамических параметров раздаточного, сборного коллекторов и перфорированных чехлов.
Использование модели пористой среды для численного моделирования гидродинамики активной зоны реактора ВВЭР - 1000 МТ.
Научная новизна работы:
Получены данные о полях температуры, давления и скорости теплоносителя в ТВС МТ.
Исследовано влияние засыпки топлива и перфорированных чехлов на тепловые и гидродинамические характеристики ТВС МТ, выполнена оптимизация перфорации чехлов.
Показано, что активная зона реактора ВВЭР - 1000 МТ является существенно анизотропной. Получены коэффициенты сопротивления для активной зоны ВВЭР - 1000 МТ при течении теплоносителя как в продольном направлении, путем моделирования течения в ТВС МТ, так и в поперечном направлении, путем моделирования течения в пространстве между ТВС МТ.
Практическая ценность и апробация работы. Полученные результаты численных экспериментов могут быть использованы при проектировании и разработке тепловыделяющих сборок для реактора ВВЭР - 1000 с топливом на основе микротвэлов, а также для разработки экспериментальных стендов, предназначенных для изучения коллекторных систем с шаро-
вой засыпкой. Полученные коэффициенты сопротивления активной зоны в продольном и поперечном направлениях могут быть использованы для проектирования реакторов подобного типа.
Основные результаты диссертационной работы изложены и обсуждены на 5, 6 Курчатовских молодежных научных школах в Москве 19-21 ноября 2007 г., 16-18 ноября 2008 г.; на 14, 15, 16 международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в Москве 1-2 марта 2008 г., 26-28 февраля 2009 г., 24-26 февраля 2010 г.; на 11 научно-технической конференции молодых специалистов ОКБ «Гидропресс» в г. Подольск 10 марта 2009 г.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных средств численного моделирования, широко используемых в задачах вычислительной гидродинамики. Полученные результаты являются теоретически обоснованными. Выполнена верификация разработанной модели с известными экспериментальными данными.
Основные положения выносимые на защиту:
разработанная методика численных экспериментов для определения геометрических и гидродинамических параметров ТВС МТ;
разработанная методика расчета активной зоны реактора путем моделирования течения в пространстве между ТВС МТ по модели пористого тела;
результаты численного моделирования ТВС МТ активной зоны реактора ВВЭР - 1000 МТ.
Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в 8 публикациях, в том числе 2 статьи в реферируемых журналах из списка ВАК.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения (основные результаты и выводы), списка использованной литературы из 34 наименований, 2 приложений. Работа изложена на 137 страницах компьютерного текста, иллюстрируется 77 рисунками, 6 таблицами.
