Локальная гидродинамика и массообмен теплоносителя в ТВС реакторов ВВЭР и PWR с перемешивающими решетками

Настоящее и будущее ядерной отрасли Российской Федерации требует создание энергоблоков, способных на максимально эффективное производство электроэнергии при условии гарантированной безопасности. Необходимо постепенно и поэтапно модернизировать отдельные элементы реакторной установки, а также повышать их технологические и эксплуатационные параметры.

В ОАО «ОКБМ Африкантов» на протяжении многих лет проводятся работы по усовершенствованию конструкций активных зон водо-водяных ядерных реакторов в целом и тепловыделяющих сборок в частности. Работы в этом направлении ведутся для решения следующих основных задач:

— реализация безопасных и экономически эффективных топливных циклов (увеличение глубины выгорания топлива, повышение мощности энергоблоков, внедрение топливных циклов увеличенной длительности);

— повышение эксплуатационного ресурса активных зон в целом и TBC в частности;

— обеспечение геометрической стабильности конструкции TBC;

— повышение эксплуатационной надежности TBC;

— создание ремонтнопригодных TBC.

Наиболее перспективным направлением решения поставленных задач является улучшение теплогидравлических характеристик тепловыделяющих сборок, которое достигается за счет использования перемешивающих решеток (ПР) в качестве интенсификаторов тепломассообмена. Такие устройства, с одной стороны, обеспечивают повышенную турбулизацию потока теплоносителя и перераспределение его по сечению сборки, а с другой стороны вызывают конвективные перетоки. Поэтому оптимальная конструкция перемешивающих решеток требует поиска вариантов, обеспечивающих наиболее благоприятное сочетание таких параметров, как интенсивность перемешивания, гидравлические потери и запасы до кризиса теплоотдачи.

В ТВС-КВАДРАТ реакторов PWR применяются пластинчатые дистанционирующие решетки, снабженные дефлекторами, позволяющими одновременно создать круговые поперечные течения теплоносителя вокруг твэлов и закрутку потока в межтвэльном пространстве.

В ТВСА реакторов ВВЭР для увеличения интенсивности межъячейкового массообмена применяются перемешивающие решетки двух типов по возможной направленности течений теплоносителя: ПР типа «закрутка вокруг твэла», посредством которых создаются круговые течения теплоносителя вокруг твэлов, и ПР типа «порядная прогонка», позволяющие повысить интенсивность межъячеечного массообмена в направлении движения теплоносителя между соседними рядами твэлов.

Конструктивные особенности пучка твэлов TBC предполагают возможность использования различных форм турбулизирующих дефлекторов, геометрических размеров и углов отгиба относительного потока теплоносителя.

Применение ТВСА и ТВС-КВАДРАТ с различными типами перемешивающих решеток в активных зонах реакторов соответственно ВВЭР и PWR требует обоснования теплотехнической надежности таких модернизированных активных зон и определения влияния конструкций решеток на гидродинамику и массообмен потока теплоносителя. Сложность математического описания трехмерного течения потока теплоносителя в пучке твэлов не позволяет решить эту задачу путем численного моделирования, поэтому основным методом изучения массообмена и гидродинамики тепловыделяющих сборок является экспериментальное исследование масштабных и полноразмерных моделей кассет и фрагментов активных зон на аэрои гидродинамических стендах.

Ввиду этого экспериментальное исследование особенностей массообменных процессов и закономерностей формирования локальных гидродинамических и массообменных характеристик потока теплоносителя в пучках твэлов TBC при использовании перемешивающих решеток является актуальной задачей, решение которой позволяет обосновать теплотехническую надежность активных зон реакторов ВВЭР и PWR.

Цель диссертационной работы:

Цель работы состоит в исследовании особенностей локальной гидродинамики и массообмена потока теплоносителя в тепловыделяющих сборках реакторов ВВЭР и PWR с перемешивающими решетками различного конструктивного исполнения, определении их эффективности для обоснования выбора оптимальных конструкций TBC.

Для достижения цели:

— экспериментально исследовано влияние перемешивающих решеток различного конструктивного исполнения на массообмен потока теплоносителя в ТВСА реактора ВВЭР и ТВС-КВАДРАТ реактора PWR.

— исследованы распределения локальных гидродинамических характеристик потока теплоносителя в ТВСА и ТВС-КВАДРАТ реакторов ВВЭР и PWR с поясами перемешивающих решеток, а также за турбулизирующими дефлекторами вышеуказанных решеток.

— определено на основе полученных экспериментальных данных влияние конструктивных параметров перемешивающих решеток различного типа на эффективность перемешивания потока теплоносителя по сечению ТВСА и ТВС-КВАДРАТ;

— обобщена экспериментальная информация и создан банк данных для верификации CFD-кодов и программ детального поячеечного расчета активных зон реакторов^ ВВЭР и PWR с целью уменьшения консерватизма в расчетах теплотехнической надежности активных зон.

Научная новизна:

— разработаны методики проведения экспериментальных исследований, позволяющие изучить локальный массообмен и гидродинамику потока теплоносителя в моделях фрагментов TBC ядерных реакторов методом диффузии трассера в области автомодельного течения;

— проведены комплексные исследования и определены характеристики локального массообмена и гидродинамики потока теплоносителя в ТВСА реактора ВВЭР и ТВС-КВАДРАТ реактора PWR при установке перемешивающих решеток различного конструктивного исполнения;

— по результатам экспериментальных исследований определены основные особенности течения теплоносителя в пучках твэлов при наличии интенсификаторов тепломассообмена1 в> виде перемешивающих решеток различной конструкции.

— впервые определены длины затухания возмущений потока теплоносителя, вызванные различными перемешивающими! решетками в ТВСА реактора ВВЭР иТВС-КВАДРАТ peaKTopaPWR;

— впервые определена глубина распространения, возмущений в соседние тепловыделяющие сборки при постановке в ТВСА реактора ВВЭР' перемешивающих решеток различной конструкции;

— в соответствии с разработанной расчетной моделью получены, величины коэффициента межканального обмена для гладкого" пучка квадратной компоновки’твэлов и эффективного (включая: конвективный) коэффициента межъячеечного массообмена в TBC реакторов PWR с перемешивающими решетками.

Практическая ценность и реализация результатов работы:;

Результаты исследования локальных характеристик массообмена игидродинамики потока теплоносителяв тепловыделяющих сборках ядерных реакторов ВВЭР и PWR приняты для практического использования в ОАО «ОКБМ Африкантов» при обоснованиитеплотехнической надежности активных зон.

Анализ распространения концентраций газа трассера позволил детализировать картину течения потока теплоносителя за поясами перемешивающих решеток, оценить их эффективность, выбрать оптимальную конструкцию с точки зрения сочетания таких параметров как интенсивность перемешивания потока теплоносителя и гидравлическое сопротивление решетки.

Результаты исследований используются в качестве банка экспериментальных данных для тестирования программ детального поячеечного расчета активных зон в целях уменьшения консерватизма при> расчетах теплотехнической надежности реакторов ВВЭР и PWR и учета в натурных условиях влияния поясов перемешивающих решеток на гидродинамику и массообмен теплоносителя в TBC.

Достоверность основных научных положений и выводов диссертации:

Основные научные положения и выводы по работе хорошо согласуются с современными представлениями о гидродинамических и тепломассообменных процессах в пучках стержней при турбулентном режиме течения жидкости. Предлагаемые рекомендации основаны на результатах ряда этапов экспериментальных исследований на моделях фрагментов тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР с ТВСА и реакторов Р\П с ТВС-КВАДРАТ с обоснованием представительности проводимых исследований и расчетом погрешности измеряемых величин. Аэродинамический стенд и измерительный комплекс прошли аттестацию Госповерителем.

Личный вклад автора:

Автором лично разработаны методики проведения экспериментальных исследований, способы обработки и анализа их результатов, алгоритмы расчетного определения эффективности перемешивающих решеток.

В проектировании, монтаже экспериментального стенда и моделей, а также в проведении экспериментальных исследований автор принимал непосредственное участие в составе исследовательского коллектива.

Постановка задачи и развитие исходных концепций были сделаны научным руководителем.

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы были представлены и получили одобрение на:

— 1У-ой и У-ой Российских национальных конференциях по теплообмену (г. Москва, 2004 г. и 2010 г.);

— У-ой и У1-ой Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (г. Подольск, 2007 г. и 2008 г.);

— Ш-ей Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», (г. Москва, 2008 г.) I.

— Межведомственном семинаре «Теплогидравлические аспекты безопасности активных зон, охлаждаемых водой и жидкими металлами» (г. Обнинск, 2008 г.).

— Х1У-ой и ХУ-ой Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», (г. Томск, 2008 г. и 2009 г.);

— Научной сессии МИФИ-2010 в секции «Физико-технические проблемы ядерной энергетики», (Москва, 2010 г.).

— Х1-ой, ХП-ой, ХШ-ой, Х1У-ой и ХУ-ой Нижегородских сессиях молодых ученых (Техническое направление) (г. Н. Новгород, 2006;2010 г. г.);

— У-ой, У1-ой, УП-ой, УШ-ой и 1Х-ой Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, 2006;2010 г. г.);

— научных семинарах кафедры «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» (2005;2010 г. г.).

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа изложена на 159 страницах машинописного текста, рисунков 114, таблиц 3, и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 77 наименований.

5.4 Выводы по пятой главе.

1. Разработан расчетный алгоритм для определения коэффициента межканального обмена в квадратной упаковке твэлов при постановке поясов перемешивающих дистанционирующих решеток на основе экспериментальных данных, полученных методом диффузии газового трассера.

2. На определенном расстоянии от решетки влияние * турбулизирующих дефлекторов прекращается, дальнейшее распределений концентраций газа трассера в потоке теплоносителя происходит за счет естественной турбулентности потока.

3. Вид зависимости коэффициента межканального обмена по длине ЭМ при постановке ПДР с разными типами дефлекторов имеет одинаковый характер, отличается величиной максимума коэффициента межканального обмена и протяженностью области распространения возмущений.

— для ПДР с дефлекторами типа 725 цтах = 12,6м" 1, область распространения возмущений массообменных процессов за ПДР составляет, А //?/"20,5 (/=740 мм);

— для ПДР с дефлекторами типа 925 ртах = 15,3м" 1, область распространения возмущений массообменных процессов за ПДР составляет, А //?/"20,5 (/=740 мм);

— для ПДР с дефлекторами типа 7730 ртах = 16,4м'1, область распространения возмущений массообменных процессов за ПДР составляет, А //?/"17,8 (/=640 мм).

4. Полученные результаты используются для расчета эффективности перемешивающих дистанционирующих решеток в разрабатываемых прикладных программах и являются базой данных при расчетах теплотехнической надежности активных зон с TBC—КВАДРАТ.

5. На основе экспериментальных данных был создан компьютерный анимационный фильм, который дает представление о характере течения теплоносителя в ТВС-КВАДРАТ с перемешивающими дистанционирующими решетками в реакторе типа PWR.

6. Созданный компьютерный фильм позволяет наглядного представить кинематику течения теплоносителя в ТВС-КВАДРАТ реактора типа PWR при использовании перемешивающих дистанционирующих решеток.

7. Созданный компьютерный анимационный позволил выявить характерные особенности пространственного турбулентного течения теплоносителя и процессов поперечного массопереноса в исследуемой ячейке ТВС-КВАДРАТ.

Заключение

.

1. Создан и введен в эксплуатацию экспериментальный стенд для исследования локальных характеристик массообмена и гидродинамики потока теплоносителя в моделях фрагментов TBC и активных зон реакторов типа PWR и ВВЭР.

2. Изготовлены масштабные экспериментальные модели фрагментов TBC и активных зон ядерных реакторов типа PWR и ВВЭР, включающие в себя имитаторы твэлов, дистанционирующие и перемешивающие решетки различного конструктивного исполнения.

3. Разработаны и адаптированы средства измерения для проведения экспериментальных исследований по изучению локальной гидродинамики потока теплоносителя и получения характеристик межъячеечного массообмена методом инжекции пропанового трассера.

4. Разработаны методики проведения экспериментальных исследований гидродинамических и массообменных характеристик однофазного потока в масштабных экспериментальных моделях ТВСА реактора ВВЭР и ТВС-КВАДРАТ реактора PWR, а также методики по определению режимов течения теплоносителя в экспериментальных моделях, определения участков гидродинамической стабилизации потока и нахождения границ зон-автомодельного течения теплоносителя в целях подтверждения представительности проводимых исследований. Проведена апробация методик проведения экспериментальных исследований для подтверждения достоверности получаемых результатов, определены погрешности измеряемых величин.

5. Проведены комплексные исследования и определены характеристики локального массообмена и гидродинамики потока теплоносителя в ТВСА реактора ВВЭР и ТВС-КВАДРАТ реактора PWR при установке перемешивающих решеток различного конструктивного исполнения. По результатам экспериментальных исследований определены основные особенности течения теплоносителя в пучках твэлов при наличии перемешивающих решеток различной конструкции.

6. Определены расстояния, на которых происходит эффективное перемешивание трассера за перемешивающими дистанционирующими решетками ТВС-КВАДРАТ реактора PWR с дефлекторами с различными высотами и углами отгиба, они составляют: а) для ПДР с дефлектором типа 7 мм/25° - A//t/=23−25- б) для ПДР с дефлектором типа 9 мм/25° - Al/d=25−27- в) для ПДР с дефлектором типа 7,7 мм/30° - Д//¿-/=24−26.

7. Определены расстояния, на которых происходит эффективное перемешивание трассера за перемешивающими решетками ТВСА реактора ВВЭР при постановке различных типов перемешивающих решеток: а) эффективное перемешивание трассера в поперечном сечении. 19-стержневой модели фрагмента ТВСА реактора ВВЭР заканчивается на расстоянии Ш ~ 18-^20 после ПР типа «закрутка вокруг твэла» с дефлектором 4,5 мм и углом отгиба 45°, на расстоянии Ш ~ 20-К21 после ПР с дефлектором 4,5 мм и углом отгиба 35° и на расстоянии Ш ~ 25^-27 после ПР с дефлекторами 3,5 мм и углами отгиба 35°- 45°- затухание возмущений массообменных процессов за ПР типа «порядная прогонка» происходит на расстоянии Д//У~21-^23, что примерно соответствует длине затухания возмущений в ЭМ с поясом ПР типа «закрутка вокруг твэла». б) эффективное перемешивание в поперечном сечении 61-стержневой модели ЭМ происходит на расстоянии, А //с/" 14-И6 после перемешивающей решетки типа «закрутка вокруг твэла» с дефлектором высотой 4,5 мм и углом отгиба 35°.

8. Затухание возмущений массообменных процессов за перемешивающими решетками происходит на значительно большем расстоянии по сравнению с затуханием поперечных скоростей потока, возникающих за турбулизирующими дефлекторами.

9. Разработан расчетный алгоритм для определения коэффициента межканального обмена в квадратной упаковке твэлов при постановке поясов перемешивающих дистанционирующих решеток на основе экспериментальных данных, полученных методом диффузии газового трассера.

10. Получена зависимость коэффициента межканального обмена по длине ЭМ при постановке ПДР с разными типами дефлекторов, которая отличается' величиной максимума коэффициента межканального обмена и протяженностью области распространения возмущений.

— для ПДР с дефлекторами типа 7/25° цшах = 12,6м" 1, область распространения возмущений массообменных процессов за ПДР составляет, А //?/"20,5 (/=740 мм);

— для ПДР с дефлекторами типа 9/25° р, тах = 15,3м" 1, область распространения возмущений массообменных процессов за ПДР составляет, А //с/ «20,5 (/=740 мм);

— для ПДР с дефлекторами типа 7,7/30° р. тах = 16,4м" 1, область распространения возмущений массообменных процессов за ПДР составляет, А //?/"17,8 (/=640 мм).

11. На основе экспериментальных данных был создан компьютерный анимационный фильм, который дает представление о характере течения теплоносителя в ТВС-КВАДРАТ с перемешивающими дистанционируюгцими решетками в реакторе типа PWR.

12. Полученные результаты используются для расчета эффективности перемешивающих дистанционирующих решеток в разрабатываемых прикладных программах и являются базой данных при расчетах теплотехнической надежности активных зон реакторов типа ВВЭР и РУЯ.