Введение к работе
Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена исследованию связи между теплофизическими и энергетическими параметрами испытаний внутриреакторных экспериментальных устройств в импульсном графитовом реакторе (ИГР) и созданию на основе полученных результатов методики определения энергетических параметров модельных ТВС в импульсных испытаниях.
Актуальность работы. Имитационные испытания твэлов и ТВС в исследовательских реакторах являются наиболее представительным способом получения экспериментальных данных о поведении реакторного топлива в различных режимах работы. При проведении экспериментов в реакторных условиях может быть достигнуто максимальное приближение к реальным эксплуатационным режимам, и, следовательно, поведение топлива в максимальной степени может соответствовать реальному.
Целью внутриреакторных экспериментов является установление параметров и механизмов поведения реакторного топлива в тех случаях, когда аналитические модели не позволяют получить правильного прогноза о направлении и количественных параметрах развития эксплуатационной ситуации. Достижение этой цели невозможно без использования методик, позволяющих с достаточной точностью определять параметры экспериментов.
Одним из наиболее востребованных для проведения такого рода испытаний является импульсный графитовый реактор [1], технические характеристики которого обеспечивают возможность моделирования тяжелых аварий в широком диапазоне основных определяющих величин, таких как флюенс тепловых нейтронов (до 1016 н/см2) и максимальная плотность потока тепловых нейтронов (до 1017 н/(см2.с)).
Актуальной задачей при проведении внутриреакторных импульсных исследований на ИГР является реализация заданных энергетических параметров в топливе испытываемых ТВС и определение их значений по результатам испытаний.
Для определения энергетических параметров модельных ТВС, а также для решения задачи выбора параметров работы ИГР в испытаниях до настоящего времени применялась методика экспериментального измерения интегрального энерговыделения с использованием спектрометрических исследований мониторов энерговыделения и топливной композиции [2]. Основными недостатками этой методики являются:
- необходимость проектирования и изготовления физического макета модельной ТВС;
- ограниченные уровни облучения топлива и детекторов и, следовательно, относительно низкий уровень энерговыделения ИГР при проведении физических исследований в сравнении с уровнем имитационных испытаний;
- низкая оперативность определения энерговыделения, обусловленная как длительностью процедуры спектрометрических измерений, так и необходимостью выдержки ТВС после облучения.
В настоящей работе представлен новый подход к решению задачи определения энергетических параметров модельных ТВС в экспериментах на ИГР, основанный на использовании результатов измерений теплофизических параметров испытаний. На исследовательских реакторах, обеспечивающих возможность реализации продолжительных стационарных режимов, определение энергетических параметров ТВС часто выполняется балансовыми методами, среди которых метод стационарного определения энерговыделения, теоретически, позволяет обеспечить получение результатов с погрешностью до 1%. Исследования на ИГР реализуются, как правило, в импульсном режиме работы реактора, при котором стационарный режим теплообмена в экспериментальном устройстве не достигается. Представленная методика определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов основана на решении уравнений теплового баланса и установлении связи между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных ТВС в нестационарных режимах теплообмена.
Основным преимуществом такого подхода является то, что оценка термического состояния модельной ТВС может быть выполнена практически при любом режиме облучения, не приводящем к разрушению конструкции ТВС и средств измерения параметров, что позволит более качественно установить связь между энергетическими параметрами ТВС и реактора при подготовке имитационных испытаний.
Целью диссертационной работы является разработка методики определения энергетических характеристик модельных ТВС при проведении внутриреакторных импульсных экспериментов на основе результатов измерения теплофизических параметров.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- выполнить анализ существующих методов определения энергетических параметров ТВС в экспериментальных устройствах исследовательских реакторов;
- разработать методические основы определения энергетических параметров модельных ТВС в импульсных испытаниях по результатам измерений их теплофизических характеристик;
- провести аналитические и экспериментальные исследования в обоснование методики определения энергетических параметров модельных ТВС в импульсных испытаниях по результатам измерений их теплофизических характеристик;
- продемонстрировать возможность определения энергетических параметров модельных ТВС в импульсных испытаниях по результатам измерений их теплофизических характеристик;
- определить связь энергетических параметров модельной ТВС и реактора для уровней энерговыделения близких к области имитационных испытаний, реализуемых для исследования поведения топлива в аварийных режимах.
Предмет исследования. Методика определения энергетических параметров модельных ТВС при проведении импульсных внутриреакторных экспериментов на исследовательском реакторе на основе результатов измерений теплофизических параметров, в частности, температуры топлива, оболочек твэлов и конструкционных материалов, а также температуры и расхода рабочих тел (при их наличии).
Объект исследования. Взаимосвязь между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных ТВС при проведении экспериментов в импульсном графитовом реакторе.
Методы исследования. Расчетно-экспериментальные исследования с установлением зависимостей между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных ТВС при проведении импульсных экспериментов в ИГР.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
Решена задача определения энергетических параметров импульсных испытаний в ИГР с использованием результатов измерений теплофизических параметров;
Разработан математический аппарат для определения связи между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных ТВС в импульсных испытаниях в ИГР;
В серии импульсных экспериментов в ИГР с использованием результатов измерений теплофизических параметров определены значения пиковой мощности и интегрального энерговыделения в модельных ТВС;
На основании результатов измерений теплофизических параметров определена связь энергетических параметров модельных ТВС и ИГР для уровней энерговыделения в реакторе, близких к уровням имитационных испытаний, реализуемых для исследований поведения топлива в аварийных режимах.
Практическая значимость работы. Предложенный подход к решению задачи определения энергетических параметров модельных ТВС в экспериментах в ИГР, основанный на использовании результатов измерений теплофизических параметров и решении уравнения теплового баланса, позволяет усовершенствовать схему подготовки внутриреакторных имитационных испытаний. Применение разработанной методики определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов позволяет повысить существующую точность и оперативность определения пиковой мощности и энерговыделения в ТВС, а также точность прогнозирования реализуемых энергетических параметров ТВС в имитационных испытаниях за счет более качественного установления связи между энергетическими параметрами испытуемой ТВС и реактора. Разработанная методика применялась при выполнении экспериментальных внутриреакторных исследований в ИГР в обоснование конструкции активной зоны перспективного реактора с внутренне присущим свойством защищенности от аварий, обусловленных формированием бассейна расплавленного топлива критической конфигурации.
Методика определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов может применяться при испытаниях топлива в исследовательских реакторах при условии оснащения испытуемых модельных ТВС необходимым набором средств измерения теплофизических параметров.
На защиту выносятся:
1. Методика определения энергетических параметров модельных ТВС в импульсных режимах испытаний по результатам измерений теплофизических параметров и на основании решения уравнения теплового баланса.
2. Результаты анализа расчетно-экспериментальных исследований по реализации методики определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов.
3. Результаты определения связи энергетических параметров испытуемых ТВС и ИГР в серии методических экспериментов.
Связь темы диссертации с планами научных работ. Диссертационная работа выполнена в рамках Республиканской целевой научно-технической программы «Развитие атомной энергетики в Республике Казахстан»: за 2004-2008 гг., шифр Ц. 0346 по теме «Исследования процессов, сопровождающих тяжелые аварии энергетических реакторов с плавлением активной зоны», №ГР 0105РК00016, за 2009-2011 гг., шифр О. 0490 по теме «Исследования в обоснование безопасности использования объектов ядерной техники» №ГР 0109РК00537, а также по контракту EAGLE с Японским агентством по атомной энергии (JAEA, O-arai).
Личный вклад диссертанта заключается в его непосредственном участии в разработке методических основ расчета энергетических параметров модельных ТВС в импульсных экспериментах; в разработке и создании экспериментальных устройств и проведении внутриреакторных методических экспериментов на импульсном графитовом реакторе; в проведении расчетов и анализе полученных результатов, написании статей, докладов и отчётов о НИР.
Апробация работы. Основные положения, результаты и рекомендации, отражающие исследования автора, докладывались на следующих семинарах и конференциях:
- четвертый семинар «Ядерный потенциал Республики Казахстан» (г. Алматы, Республика Казахстан», 1-2 ноября 2008 г);
- одиннадцатая конференция-конкурс НИОКР молодых ученых и специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан (г. Курчатов, Республика Казахстан, 11-13 мая 2011 г);
- восьмая международная конференция «Ядерная и радиационная физика» (г. Алматы, Республика Казахстан, 20-23 сентября 2011 г);
- международная конференция молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии» (г. Алматы, Республика Казахстан, 6-8 июня 2012 г);
- девятая международная конференция «Ядерная и радиационная физика» (г. Алматы, Республика Казахстан, 24-27 сентября 2013 г).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах и 2 – в сборниках статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка используемой литературы. Материал работы изложен на 129 страницах, включая 28 рисунков и 22 таблицы. Библиографический список включает 104 наименования.
