Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор исследований
1.1. Экспериментальные исследования повторного залива одиночных имитаторов твэлов 12
1.2. Экспериментальные исследования повторного залива модельных тепловыделяющих сборок 20
1.3. Расчетные исследования характеристик повторного залива
1.3.1. Код СОКРАТ/В 1 51
1.3.2. Код КОРСАР/ГП 53
1.3.3. Код ТРАП-97
1.3.4. Код PARAM-TG
1.4. Выводы
Глава 2. Экспериментальная установка и методика исследования
2.1. Экспериментальная установка
2.2. Методика исследования
Глава 3. Результаты исследования скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС
Глава 4. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по параметрам повторного залива
Глава 5. Балансовая методика оценки основных характеристик расхолаживания одиночного имитатора твэла и модельной тепловыделяющей сборки
Заключение 122
Литература 124
- Экспериментальные исследования повторного залива модельных тепловыделяющих сборок
- Расчетные исследования характеристик повторного залива
- Экспериментальная установка
- Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по параметрам повторного залива
Введение к работе
Актуальность темы. За время существования атомной энергетики произошли аварии на различных АЭС и среди них - три наиболее крупные: Три Майл Айлэнд (28.03.1979), Чернобыльская (26.05.1986), Фукусима Даи-ичи (11.03.2011). Произошедшие катастрофы убеждают в необходимости проведения исследований максимальных проектных (МПА), запроектных (ЗПА) и тяжелых аварий на АЭС. Поэтому в настоящее время во всем мире, в том числе и в России, проводится более детальный анализ безопасности атомных станций на всех стадиях эксплуатации и, прежде всего, в условиях аварии ЯЭУ.
Знания о механизме каждой из стадий необходимы для анализа безопасности реакторной установки и поиска средств управления аварией. Исследование первой и второй стадий является наиболее целесообразным, так как принимаемые меры для предотвращения дальнейшего развития аварии в этих условиях наиболее эффективны. Однако если авария перешла в запроектную стадию, необходимо, чтобы и в этих условиях методы и средства управления аварией оставались эффективными для недопущения ее перехода в тяжелую стадию. Для разработки рекомендаций по управлению аварией на всех стадиях ее протекания для проектируемых и эксплуатирующихся АЭС необходимо исследовать повторный залив тепловыделяющих сборок (ТВС) в условиях, близких к реальным.
В настоящее время исследуется повторный залив с образованием водорода при моделировании проектных и запроектных аварий на одиночных имитаторах твэлов и модельных ТВС ВВЭР и PWR на стендах ПАРАМЕТР (подача охлаждающей воды снизу (НЗ), сверху (ВЗ) или комбинированным способом, Россия) и Quench (подача охлаждающей воды снизу, Германия).
Однако сложные геометрия каналов и структуры нестационарного многофазного потока, высокие параметры среды обусловливают трудности моделирования и недостаточную изученность процессов тепломассообмена, возникающих при аварийном охлаждении. Имеющиеся данные по повторному заливу модельных сборок ВВЭР крайне ограничены. Отсутствуют массивы данных и обобщающие соотношения по скорости фронта смачивания () одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР из штатных конструкционных элементов при заливе сверху и снизу в условиях разгерметизации и раздутия окисленных оболочек. Необходимо проводить верификацию существующих расчетных кодов для анализа процессов разогрева и охлаждения твэлов ВВЭР в условиях аварии с потерей теплоносителя при изменении площади проходного сечения. Необходимо разрабатывать методику оценки основных характеристик расхолаживания при повторном заливе снизу и сверху одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР в условиях МПА и ЗПА. На решение вышеприведенных задач направлена настоящая работа, что обуславливает ее актуальность.
Целью работы является расчетно-экспериментальное исследование повторного залива одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР из штатных конструкционных элементов при максимальной проектной и запроектной авариях.
Научная новизна:
- впервые получены массив данных и обобщающее соотношение для скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР при заливе снизу в условиях разгерметизации и раздутия окисленных оболочек. Установлена зависимость от температуры оболочки, массового расхода охлаждающей воды и подведенного тепла. Показано, что на скорость фронта смачивания влияют также раздутие и разгерметизация оболочки, окисление поверхности и возможно изменение до 3 раз по длине и сечению модельной ТВС. Обнаружено, что известные соотношения в исследованных условиях предсказывают скорость фронта смачивания до 23 раз больше, чем в эксперименте;
- впервые получены массив данных и обобщающее соотношение для скорости фронта смачивания модельных ТВС ВВЭР из штатных конструкционных элементов с окисленными оболочками при заливе сверху. Установлена зависимость от температуры оболочки, массового расхода охлаждающей воды. Обнаружено, что влияние температуры оболочки на скорость фронта смачивания более существенное, чем при заливе снизу;
- обработаны температурные режимы 20 экспериментов по повторному заливу одиночных имитаторов твэлов (НЗ) и 23 – модельных 19-ти и 37-ми стержневых ТВС ВВЭР (НЗ и ВЗ) на стенде ПАРАМЕТР. Диапазоны изменения режимных параметров в опытах: с одиночными имитаторами – максимальная температура оболочки до залива Tст0 = 7601190 oC, расход подачи воды залива rw = 12 78 кг/(м2с), мощность, имитирующая остаточное тепловыделение, ql = 04,5 кВт/м, температура воды на входе в РУ Tвх = 20 оС; модельными ТВС ВВЭР – Tст0 = 5001160 oC (НЗ), Tст0 = 4601490 oC (ВЗ), rw = 13 19,5 кг/(м2с) (ВЗ), rw = 4981 кг/(м2с) (НЗ), DTнед = 80120 oC. Во всех экспериментах оболочки окисленные, а в ряде - раздутые и разгерметизированные;
- совместно с ОКБ “Гидропресс” подтверждена применимость расчетных моделей, реализованных в кодах КАНАЛ-97, КОРСАР/ГП, для анализа процессов разогрева и охлаждения твэлов ВВЭР при аварии с потерей теплоносителя в условиях изменения площади проходного сечения для теплоносителя до 5% вследствие раздутия их оболочек;
- усовершенствована балансовая методика оценки основных характеристик расхолаживания при повторном заливе снизу или сверху одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР в условиях МПА и ЗПА, удовлетворительно описывающая опытные данные в диапазоне температур до 1200 оС.
Достоверность представленных в диссертации результатов обосновывается использованием на стенде ПАРАМЕТР современных приборов высокого класса точности, воспроизводимостью опытных данных при различной скорости опроса датчиков, проведением необходимых тарировок измерительных средств и выполнением баланса подведенного и отведенного от ТВС тепла.
Полученные массивы данных по скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР согласуются с имеющимися представлениями об исследованных процессах.
Надежность предложенной методики оценки основных характеристик расхолаживания одиночного имитатора твэла и модельной ТВС при повторном заливе подтверждается тем, что она основана на балансе подведенного и отведенного тепла и согласуется с результатами расчета и опытными данными, полученными для штатных конструкционных элементов активной зоны реактора ВВЭР в диапазоне температур до 1200 оС.
Рассчитанные максимальная температура оболочки одиночного имитатора твэла ВВЭР, время ее достижения и основные характеристики повторного смачивания в условиях МПА по двум лицензионным (КАНАЛ-97 и КОРСАР/ГП) и специально разработанному для проведения испытаний на стенде ПАРАМЕТР (PARAM-TG) кодам согласуются с экспериментальными данными.
Практическая ценность работы. Данные по температурным режимам твэлов, изготовленных из штатных конструкционных элементов, в условиях МПА и ЗПА использованы для верификации кодов КОРСАР/ГП, КАНАЛ-97, предназначенных для анализа безопасности АЭС с ВВЭР, и кода PARAM-TG, разработанного для расчетного сопровождения экспериментов на стенде ПАРАМЕТР.
Полученные температурные режимы, созданные массивы данных и обобщающие соотношения по скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР с окисленными, раздутыми и разгерметизированными оболочками могут быть применены при разработке и верификации моделей повторного залива при МПА и ЗПА как существующих, так и усовершенствованных теплогидравлических кодов улучшенной оценки.
Усовершенствованная балансовая методика позволила оценить основные характеристики расхолаживания одиночного имитатора твэла и модельной тепловыделяющей сборки ВВЭР и может быть использована при подготовке сценариев экспериментов по повторному заливу снизу или сверху как на стенде ПАРАМЕТР, так и на других установках.
Личный вклад автора состоит в:
- обработке температурных режимов 20 экспериментов по повторному заливу одиночных имитаторов твэлов (НЗ) и 23 – модельных 19-ти и 37-ми стержневых ТВС ВВЭР (НЗ и ВЗ) из штатных конструкционных элементов на стенде ПАРАМЕТР. Во всех экспериментах на одиночных имитаторах твэлов, а также в 9 – на модельных ТВС автор принимал непосредственное участие и выполнял пре- и посттестовые расчеты с помощью кода PARAM-TG;
- создании массивов данных и получении обобщающих соотношений по скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР с окисленными при заливе сверху и раздутыми, разгерметизированными и окисленными оболочками – при заливе снизу;
- сопоставлении экспериментальных данных по максимальной температуре оболочки одиночного имитатора твэла ВВЭР, времени ее достижения и характеристик повторного смачивания в условиях МПА на стенде ПАРАМЕТР с результатами расчетов с помощью лицензионных кодов КОРСАР/ГП, КАНАЛ-97, выполненных совместно с ОКБ “Гидропресс”;
- усовершенствовании балансовой методики оценки основных характеристик расхолаживания одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР и проведении сопоставления с опытными данными, полученными для штатных конструкционных элементов в диапазоне температур до 1200 оС.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
-
Результаты расчетно-экспериментального исследования температурных режимов при повторном заливе снизу и сверху одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР из штатных конструкционных элементов при максимальной проектной и запроектной авариях.
-
Массивы данных и обобщающие соотношения по окисленных, раздутых и разгерметизированных одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР при заливе снизу и сверху в условиях МПА и ЗПА.
-
Данные по температурным режимам одиночных имитаторов твэлов ВВЭР в условиях МПА, полученные в экспериментах на стенде ПАРАМЕТР, и результаты расчетов по коду PARAM-TG на стадии нагрева и по кодам КАНАЛ-97, КОРСАР/ГП совместно с ОКБ “Гидропресс” - на всех стадиях аварии, включая повторный залив, а также их сопоставление.
-
Балансовая методика оценки основных характеристик расхолаживания одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР при заливе снизу и сверху в условиях максимальной проектной аварии, применимая для штатных конструкционных элементов в диапазоне температур до 1200 оС.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на: XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, ЦАГИ, г. Жуковский, 2009 г.; Шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика”, МЭИ, г. Москва, 2010 г.; семинаре ИБРАЭ РАН, г. Москва, 22 сентября 2010 г.; Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5), МЭИ, г. Москва, октябрь 2010 г.; Семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика”, МЭИ, г. Москва, 2011 г.; заседании кафедры ИТФ МЭИ 6 апреля 2011 г.
Основное содержание диссертации отражено в 5 печатных работах, в том числе в одной статье в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Текст иллюстрируют 63 рисунка и 9 таблиц, список использованной библиографии составляет 48 пунктов. Общий объем диссертации составляет 125 машинописных страниц.
Экспериментальные исследования повторного залива модельных тепловыделяющих сборок
В результате экспериментального исследования различных способов подачи охлаждающей воды обнаружено, что затопление сборки стержней снизу приводит к понижению максимальной температуры тепловыделяющих стержней на 100 С и к ускорению расхолаживания в три раза по сравнению с заливом сверху.
Повторное смачивание при верхней и нижней подаче жидкости исследовалось в работе [11] на пучках из семи стержней, моделирующих тепловыделяющую сборку реактора ВВЭР. Исследование охлаждения семистержневой сборки при, подаче сверху стекающей пленки проведено в следующих диапазонах изменения режимных параметров: начальная температура стержней - 300 -800 С, недогрев охлаждающей воды на входе - 10- 80 С, плотность орошения - 0,3-1,6 кг/(м-с), средняя плотность теплового потока за счет внутреннего энерговыделения — до 6-10 Вт/ м . Отмечается, что эффективная скорость смачивания увеличивается с ростом плотности орошения, уменьшается,с увеличением начальной температуры стержней и с уменьшением недогрева воды до температуры насыщения на входе. В работе, [12] в результате обработки опытных данных получена зависимость для расчета скорости фронта смачивания семистержневой модели тепловыделяющей сборки реактора ВВЭР: риментальные данные в следующих диапазонах изменения режимных параметров: массовая скорость охлаждающей воды pw = 50+ 750 кг ім2 -с); начальная температура стержней и кожуха Тст0 = 300- 800 С; недогрев воды до температуры насыщения АТнед = 20 + 92 С; давление в рабочем участке р = 0,1 МПа. Повторное смачивание в условиях аварийного охлаждения реакторов ВВЭР исследовалось экспериментально в [13]. В качестве рабочих участков использовались труба, кольцевой канал, модельная семистержневая тепловыделяющая сборка, изготовленные из-нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Предложены расчетные зависимости по скорости фронта смачивания- в каналах с дистанционирующими элементами в? диапазонах режимных параметров:, массовая скорость pw = 20ч- 250 кг/им2 с],.недогрев воды до температуры насьіщения ЛТ ) = 374-85 Є, темпег , ратура;: стенки TcmQ = 400 -т- 650і Є, давление ві рабочем участке: р = 0,1/. МПа-. В,; результате проведенных экспериментов установлено, чтохскорость, расхолаживания в каналес дистанционирующими: элементами; при одних и тех же параметрах превышает скорость смачивания в гладкомі канале: от двух до трех раз1 в зависимости от массовой скорости, недогрева воды на входе и температуры стенки.
В работе: [14] проведеної экспериментальное исследование процесса повторного смачивания; 19 стержневых модельных: тепловыделяющих. сборок с оболочками- из нержавеющей стали- на стенде ИОАЗ/ Данные получены в: диапазоне: изменения; массовой скорости охлаждающей воды,/ти = 10-ь70 кг/ьм2 -ск среднего линейного теплового; потока qi — 0 - 1,03 кВт/м, начальной температуры оболочки 7 ст0— 563 ч- 1475 К.при недогреве жидкости на входе АТИед= 60і С и давлении р — -0і;1 МПа. На; рис. \5 представлены данные по динамике фронта смачивания519 стержневой модельной ТВО стенда ИОАЗ; Одновременное увлажнение. имитаторов твэлов снизу и сверху вызвано предварительным охлаждением их оболочек в дисперсном потоке;, что соответствовало экспериментам с косинусои-дальным профилем энерговыделения: Отмечается, что образование верхних фронтов?смачивания не связано с весовым уровнем в верхней- камере смешения : и. происходит даже, при малых скоростях подачи воды залива. Отмечается; что при высоких температурах оболочки, малых скоростях залива; и: низких давлениях влияние аккумулированного в имитаторах твэлов тепла в наибольшей степени отражается: на скорости фронта смачивания; В результате обобщения опытных данных получена зависимость скорости фронта смачивания 19-ти стержневых сборок имитаторов твэлов реактора ВВЭР-440 с оболочками из нержавеющей стали:
Формула (5) описывает экспериментальные данные по скорости основного фронта смачивания в диапазонах массовой скорости pw = 10 ч- 70 кг! (м2 с ) и начальной температуры стенки Тст0 - 300 ч-1030 "С при давлении/? = 0,1 МПа.
В работе [15] исследован повторный залив снизу 37 стержневой модельной тепловыделяющей сборки реактора ВВЭР-1000 полномасштабной высоты на стенде СВД-2 [16] в ГНЦ РФ ФЭИ. Модель ТВС ВВЭР-1000 представляла собой 37 стержневую сборку имитаторов твэлов косвенного нагрева в шестигранном корпусе с внутренним диаметром "под ключ" 81,8 мм и толщиной стенки 3,3 мм. Имитаторы твэлов с оболочками 09,13x0,6 мм из нержавеющей стали обогревались на длине 3530 мм пропусканием электрического тока по нихромовому стержню переменного сечения, изолированному от оболочки уплотненной окисью магния, моделирующей штатные топливные таблетки из диоксида урана. Стержни собирались в пучок по треугольной решетке с шагом 5 = 12,75 мм и фиксировались 15 штатными стальными дистанционируюшими решетками с шагом 255 мм по высоте. Над последней по высоте от начала обогрева ДР устанавливалась дырчатая плита, соответствующая штатной плите реактора ВВЭР-1000, со 121 отверстием 05,5 мм.
Обогрев имитаторов твэлов осуществлялся пропусканием тока по нихромо-вым нагревателям с неравномерным пятиступенчатым распределением энерговыделения по длине 3530 мм со средним по всем имитаторам коэффициентом неравномерности к, «1,6. Температура оболочки измерялась шестью хромель-алюмелевыми термопарами с диаметром рабочего спая 0Г мм, расположенными на ее внутренней поверхности на одиннадцати высотных уровнях.
Опыты проведены в диапазонах параметров, соответствующих стадии повторного залива по сценарию ОКБ "Гидропресс", а именно: давления/? = 0,15-0,5 МПа, скорости подачи охлаждающей воды w3 = 2 -И 0 см/с, температуре жидкости на входе в активную зону Тнед = 50 - 140 С, максимальной начальной»температуре оболочки до ТС1п0 800 С и максимальной линейной мощности стержня qt - 2,8 кВт/м со снижением её по закону остаточного тепловыделения. Сценарий эксперимента состоял из следующих стадий: прогрев сухим насыщенным паром и осушение модели ТВС, подача мощности на рабочий участок, нагрев всех оболочек имитаторов твэлов до стартовой температуры, снижение мощности по закону остаточного тепловыделения и подача охлаждающей воды в нижнюю камеру модели тепловыделяющей сборки. На каждом этапе эксперимента значения всех параметров фиксировались системой сбора и обработки данных с периодичностью один цикл измерений в 1-2 секунды.
Расчетные исследования характеристик повторного залива
Для оценки влияния масштабного фактора в ОКБ «Гидропресс» был создан стенд, моделирующий первоначально первый контуррРУ ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 [20]. В качестве модели активной зоны использовалась полномасштабная топливная кассета, включающая 126 равномерно или профилированно обогреваемых по длине имитаторов твэлов длиной 2,5 м и 3,5 соответственно. Опыты на обеих моделях тепловыделяющих сборок показали, что часть жидкости при верхней подаче" проникает вниз через относительно «холодные» участки ТВС (рис. 22). При этом имеет место одновременное движение восходящего и опускного фронтов смачивания-по длине активной зоны. Более поздно повторное увлажнение имитаторов. твэлов наблюдается в центральной части тепловыделяющей сборки.
В 2000 - 2003 годах проведены эксперименты ГНЦ РФ ФЭИ по расхолаживанию полномасштабной по высоте, электрообогреваемой 37 стержневой модели ТВС ВВЭР в условиях нижнего (СП-1), верхнего (СП-2) и комбинированного (СП-3) повторных заливов [21]. Целью работы являлась верификация моделей повторного залива теплогидравлических расчетных кодов RELAP5, ATHLET, CATHARE, COBRAF, ТРАП (КАНАЛ-97) и КОРСАР. Опыты проводились на петле повторного залива стенда СВД-1, описание которого приведено в [17]. Согласно сценарию экспериментов в исходном состоянии нижняя камера модели и нижняя часть модельной тепловыделяющей сборки (до уровня начала зоны обогрева) были заполнены водой, остальная часть ТВС и верхняя камера — насыщенным паром. Далее производились подъем мощности до заданного уровня, прогрев стержней до стартовой температуры. В момент ее достижения электрическая мощность снижалась по заданному закону и включалась подача расхода охлаждающей воды. Опыт прекращался при снижении температуры оболочек стержней до температуры насыщения.
Экспериментальные данные о движении фронтов повторного смачивания стержней в различные моменты времени (рис. 23а) расслаиваются на две группы. В нижней половине ТВС хорошо прослеживается последовательное и почти одновременное по всем стержням движение восходящего фронта смачивания. Повторное увлажнение стержней в верхней половине сборки происходит иначе. Анализ данных показал, что раннее повторное смачивание стержней в верхней части ТВС носит локальный характер. Анализ экспериментальных данных выявил сложную картину смачивания разогретых имитаторов твэлов при повторном заливе сверху модельной ТВС (рис. 236). Часть подаваемой в верхнюю камеру охлаждающей воды проникает в нижнюю часть сборки вдоль «холодных» стенок корпуса, охлаждая попутно верхние участки периферийных стержней. Подъем уровня кипящей воды в ТВС, как и при заливе снизу, вызывает восходящее и почти синхронное расхолаживание стержней. Образующийся при этом высокоскоростной поток пара препятствует проникновению жидкости из верхней камеры в центральную часть тепловыделяющей сборки и опускному движению фронтов смачивания. В то же время, уносимая паром влага осаждается на дистанцио-нирующих решетках верхней части ТВС с образованием локальных фронтов смачивания. Оценка соотношения площадей периферийной и центральной частей модели ТВС показывает, что в нижнюю часть пучка проникает чуть более четверти расхода подаваемой в верхнюю камеру воды. Именно эта доля жидкости определяет темп и время расхолаживания сборки. Сопоставление с данными опыта в условиях НЗ (СП-1, рис. 23а) показывает, что время расхолаживания сборки с момента подачи охлаждающей воды составило примерно 200 секунд, а в настоящем эксперименте (СП-2) - около 830 секунд. В эксперименте с комбинированным заливом фронт повторного смачивания имитаторов твэлов в верхней половине модели ТВС существенно неодномерный (рис. 23 в). Эту особенность повторного смачивания сборки трудно смоделировать одномерными кодами. 350
Из рассмотренных в работе [21] кодов к квазидвумерным ячейковым относится код COBRAF, учитывающий локальные эффекты, связанные с взаимодействием дистанционирующих решеток с двухфазным потоком. В связи с этим, в основном сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными для продвижения восходящего фронта повторного смачивания в нижней части модельной сборки.
Моделирование теплогидравлики активной зоны в авариях с потерей теплоносителя усовершенствованных реакторов с водой под давлением APR140O и OPR1000 проводится в KAERI на интегральном стенде ATLAS [22]. Данный стенд имеет две петли, как у APR1400, две горячих и четыре холодных нитки. Активная зона-стенда ATLAS содержит 390 имитаторов твэлов; обогреваемых пропусканием трехфазного электрического тока напряжением 440В, 6 пассивных имитаторов; 5 направляющих трубок и десять дистанционирующих решеток. Модель АЗфеакторов APR1400 окружена обечайкой и защитным корпусом. Обогрев имитаторов твэлов осуществляется системой питания трехфазного электрического тока напряжением 440 В.и может быть разделена на 3 подгруппы, для создания радиального распределения мощности реактора. Профиль энерговыделения по высоте A3 подчиняется закону усеченного косинуса. Для измерения температур: оболочек имитаторов твэлов, теплоносителя и обечайки в--активной зоне и опускной камере установлены 430 термопар.
. Характерные температурные кривые при повторном заливе снизу представлены на рис. 24. Как видно, в момент начала залива наблюдается распределение температур оболочек твэлов, вызванное косинусоидальным профилем энерговы-деления по высоте активной зоны и частично развитием теплового пограничного слоя и, аксиальной теплопроводности в "холодные" концы. A3. По мере залива температуры оболочек обогреваемых имитаторов твэлов-постепенно увеличиваются до максимальных значений, плавно снижаются и затем происходит их резкий спад. На стадии повторного залива в нижней трети A3 обращенный кольцевой режим течения является-доминирующим.
Экспериментальная установка
Программный комплекс КОРСАР/ГП предназначен для численного моделирования динамических процессов в РУ ВВЭР при переходных и аварийных режимах, включая аварии с потерей теплоносителя из первого и второго контуров реакторной установки [28]. Основой программного комплекса КОРСАР/ГП является теплогидравлический расчетный код КОРСАР, имеющий три базовых версии. Первая базовая версия - расчетный код КОРСАР, аттестованный в Ростехнадзоре, дополнен возможностью расчета нейтронной кинетики реактора в трехмерном пространственном приближении (версия КОРСАР/В2) и учета неконденсирующихся газов (версия КОРСАР/ВЗ).
В дополнение к базовым версиям расчетный код КОРСАР/ГП позволяет осуществлять: - расчет термомеханики твэлов с использованием программ ТВЭЛ-2 и ТВЭЛ-3; - расчет пространственной теплогидравлики в напорной камере ВВЭР с помощью программного модуля КАМЕРА-В2; - расчет динамики ступеней паровой турбины при ее работе на перегретом, насыщенном и влажном паре Область применения кода КОРСАР/ГП включает в себя моделирование следующих режимов: - режимы нормальной эксплуатации РУ с ВВЭР (разогрев, расхолаживание, изменение мощности при полном и частичном составе работающего оборудования); - режимы с нарушениями нормальных условий эксплуатации (отключение части ГЦН, отключение части ПГ по второму контуру, отключение части питательных насосов и др.); . . - проектные и запроектные аварии в РУ ВВЭР, включая аварии с течами теплоносителя при разрывах трубопроводов 1-го и П-го контуров, а также корпуса реактора. Расчетный код КОРСАР/ГП имеет следующие ограничения по применению. При анализе запроектных аварий область применения расчетного кода1 ограничивается режимами, не связанными с плавлением оболочек твэлов, топлива, других конструкционных материалов элементов оборудования ише приводящими к изменению геометрии активной зоны реактора. Исходные состояния моделируемых динамических режимов РУ ВВЭР включают в себя только состояния нормальной эксплуатации с номинальной и промежуточными мощностями реактора вплоть до его горячего останова.
Область применения РК КОРСАР/ГП по свойствам теплоносителя ограничивается диапазонами давлений от 0,1 до 22,0 МПа, температуры жидкой фазы от 20С до 374,12С, температуры паровой фазы от 100С до 1200С и концентрацией борной кислоты от 0 до 16 г/кг. По свойствам теплопроводящих конструкций область применения расчетного кода КОРСАР/ГП; ограничивается температурой плавления конструкционных материалов.
С помощью кода.К0РЄАР рассчитывались эксперименты по повторному заливу37 стержневой модельной ТВЄВВЗР приіподачеохлаждающейїВодькснизу,, сверху Иі комбинированным;способом. Краткое описание:расчетной схемы и-полученных; результатовэксперимента(Щ-1, (см. разд. 1.2. В; эксперименте (№2" с целью.учетатеплообмена излучением между обогреваемыми имитаторами твэловш корпусом рабочего участка ТВ(5 моделировалась тремя? эквивалентными? теплопроводящимш конструкциями:, каждая- из-; которых включала 7 центральных, 12 средних и 18 периферийных стержней соответственно; Четвертая; теплопроводящая конструкция; имитировала корпус сборки: Все конструкции разбивались; на- 14 расчетных участков (для стержней добавлялся один необогреваемый участок в верхней части) и подключались, к каналу, моделирующему проточную часть сборки. Для; обогреваемых теплопроводящих конструкций; задавались/ профиль, энерговыделения- по высоте стержня? и внутреннее энерговыделение, изменявшееся; времени в соответствии с изменением мощности модели ТВЄ в эксперименте. Выход канала соединялся с заданной граничной ячейкой; в которой поддерживалось постоянное во времени давление на. уровне среднего значения давления на выходе из сборки, зафиксированного в:эксперименте. На входе в і канал с помощью? элемента "заданный источник массы" моделировалась подача охлаждающей водькс заданными параметрами;. В исходном состоянии первые четыре:ячейки, канала были заполнены, водой, а остальные;- наг сыщенным паром при заданном в эксперименте;давлении. Граничные.условия для-расчетов-задавались в соответствии с экспериментальными данными.
Расчеты, показали образование и движение нисходящего фронта смачивания в верхней части сборки, что наблюдалось ив эксперименте: Получено удовлетворительное согласование с опытными данными no-максимальной температуре оболочек имитаторов твэлов и времени ее достижения (рис. 32а), динамике восходящего фронта смачивания (рис. 326), времени расхолаживания модельной 37 стержневой тепловыделяющей сборки ВВЭР.
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по параметрам повторного залива
В данной главе представлены: данные. по температурным режимам одиночных имитаторов твэлов ВВЭР в условиях МИА, полученные, в экспериментах на стенде ПАРАМЕТР- (ФГУП «НИИ НПО-«Луч»), т согласно расчетам. по существующим кодам:. Для:. расчета; выбраны лицензионные коды КАНАЛ97, К0РСАРЛЩ описывающие все: стадии?/ аварий в диапазоне: температур оболочки твэла до/ І 200;Є, ш код PARAMG, предназначенный/ для; сопровождения экспериментов; на стенде ПАРАМЕТР на этапе нагрева модельной ТВЄ. Расчеты по кодам; КАНАЛг97, KOPGAP/l?H; проведены совместно: с ОКБ Чшдропресс" [48]. С целью верификации кодов были отобраны; и проанализированы четыре эксперимента: два—на модели? твэла с стальной оболочкой? без топливных; таблеток иі два - на штатном имитаторе твэла ВВЭР:
Ниже; представлены основные; характеристики ш нодализационные схемы используемых кодов- в которых, реальные физические системы моделируются элементами, описывающими теплогидравлические процессы.
Основными, элементами- расчетной; модели; (рис: 55) являются блоки: ЄН -канал; BVOE_T - заданная граничная ячейка; SMASSc_T - заданный источник массы; ВЕЖ№ — непроницаемое соединение; HCS - теплопроводящая-конструкция;, QHCS;_T— заданное энерговыделение; RAD — теплообмен излучением. Рабочий участок экспериментального канала представлен: тремя элементами типа ЄН:-(ЄНІ, СН2, СНЗ), а также элементами, задающими граничные условия. ЄНІ и СНЗ моделируют входную и выходную части экспериментального канала (необогреваемые); СН2 моделирует обогреваемую часть канала..Граничные условия ;для:входной части канала СНГ моделируются; непроницаемым соединением BLJUN1. Источники массы SMASS_T1 и SMASS_T2, соединенные с первой и второй расчетными ячейками канала СН1, моделируют подачу воды и аргона, соответственно.
Теплопроводящая конструкция HCS1 моделирует имитатор твэла, в котором выделено три радиальных слоя, отличающихся теплофизическими свойствами: нагреватель (тантал), наполнитель (стеклослюденит), оболочка (сталь). Мощность энерговыделений в нагревателе изменяется во времени согласно экспериментальным данным. Теплопроводящая конструкция HCS2 моделирует стенку и теплоизоляцию канала, в котором находится имитатор твэла. Между поверхностями твэла и канала учитывается теплообмен излучением. В качестве граничных условий использовались таблицы изменения во времени значений мощности имитатора, давления, расхода и температуры теплоносителя на входе в рабочий участок, заданные в условиях эксперимента. Граничные условия для выходной части канала СНЗ моделируются заданной граничной ячейкой BVOL_T3 с параметрами окружающей среды. Расчетная схема кода КАНАЛ-97 Рабочий участок представлен двумя каналами (рис. 56). Первый из них моделирует находящийся в центре кольцевого зазора имитатор твэла, второй канал - наружную обечайку рабочего участка. По высоте РУ разбит на 12 участков, 10 из которых одинаковой длины моделируют обогреваемую часть, другие - входной и выходной участки. Профиль энерговыделений по высоте канала, моделирующего имитатор твэла, принят равномерным. В качестве граничных условий использовались таблицы изменения во времени значений подводимой мощности, давления, расхода и температуры теплоносителей на входе в РУ, заданные в условиях эксперимента. Поскольку в программе КАНАЛ-97 может быть смоделировано только охлаждение рабочего участка водой, паром или пароводяной смесью, то при выполнении расчёта разогрев рабочего участка осуществлялся в среде насыщенного пара. Перед началом повторного залива подача пара прекращалась и на вход рабочего участка подавалась холодная вода с заданным расходом и температурой. Расчетная схема кода PARAMG Расчетная модель кода PARAMG для численного анализа экспериментов представляет набор участков по длине, в пределах каждого из которых реальные физические объекты стенда ПАРАМЕТР заменяются цилиндрическими осесимметричными телами (рис. 57). Эффекты, связанные с изменением теплофизических величин в зависимости от угловой координаты, не учитываются. Код позволяет задавать переменное число ячеек как по длине, так и по сечению расчетной области, что дает возможность рассчитывать интересующую величину в точке, точно соответствующей ей в эксперименте. Для серии рассматриваемых в работе экспериментов применялось разбиение расчетной области на 32 участка, образованных из последовательно расположенных 169 ячеек. В пределах активной зоны (12 участков) имитатор твэла моделировался Та нагревателем, UOi таблеткой и Zr оболочкой, разделенными друг от друга зазорами, заполненными стоячим гелием Не, а вне A3 (20 участков) - Мо или Си токоподводами, омываемые гелием и ограниченными Zr оболочкой.
Особенностью кода PARAMG является детальный учет различных конструкций термопар, закрепленных на оболочке твэла и распределенных произвольно по длине. Теплообмен конвекцией газовой смеси в кольцевом канале, образованном имитатором твэла и обечайкой, моделировался 8 трактами (рис. 58). В случае наличия термопары на заданном участке по длине исходный теплогидравлическии тракт разделялся на основной и дополнительный, ограниченный фиктивными кривыми, тюлом и контуром ТЭП. Всего при составлении расчетной схемы выделялось 18 трактов. Расход теплоносителя в каждом отдельном тракте в любой точке по длине определяется в изобарном приближении.
