Кузина Юлия Альбертовна. Теплогидравлическое моделирование в обоснование активных зон реакторов типа БРЕСТ

brief description

Кузина Юлия Альбертовна. Теплогидравлическое моделирование в обоснование активных зон реакторов типа БРЕСТ : Дис. ... канд. техн. наук : 05.14.03 : Обнинск, 2003 163 c. РГБ ОД, 61:04-5/1184

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ИМЕНИ А.И. ЛЕЙПУНСКОГО
На правах рукописи
КУЗИНА ЮЛИЯ АЛЬБЕРТОВНА
ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
В ОБОСНОВАНИЕ АКТИВНЫХ ЗОН РЕАКТОРОВ ТИПА БРЕСТ
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Специальность 05.14.03 -Ядерные энергетические установки, включая
проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации
Научный руководитель:
д.т.н. Сорокин Александр Павлович

Обнинск - 2003
СОДЕРЖАНИЕ
Слисок условных обозначений 5
Введение 8
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-ЗОО
(для выявления задач по теплогидравлическому обоснованию реактора)... 15
1.2. Сведения об активной зоне и ее ТВС 19
1.2.1. Некоторые параметры сборок твэлов активной зоны реактора
БРЕСТ-ОД-ЗОО 19
1.2.2. Обоснование некоторых теплогидравлических оценок
по реактору БРЕСТ-ОД-ЗОО 22
1.3. Т еплогидравлические особенности в реакторе БРЕСТ -ОД-3 00
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
з
* 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
т
4. Поля скоростей в модельных сборках реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО 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-ЗОО 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-ЗОО
с использованием поканальной методики. КодТИГР-БРС 128
3* 5.1. Основные характеристики расчетного кода ТИГР-БРС 128
5.2. Исходные уравнения, расчетные формулы 130
5.2.1. Уравнение баланса массы 130

т 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
кода ТИГР-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 150

bibliography

Выводы и заключение
1. Проведен комплекс модельных расчетно-экспериментальных исследований по теплогидравлическому обоснованию ТВС активной зоны реактора БРЕСТ-0 Д- 300, включающий в себя поля температуры и теплоотдачу разных категорий твэлов реактора (подзоны с s/d = 1,24; 1,33; 1,38 , составляющие регулярную часть решеток твэлов и границу подзон с неоднородными условиями работы твэлов - разные диаметры и энерговыделения твэлов); распределения скоростей теплоносителя в характерных каналах ТВС (включая нестандартные каналы); методы расчета теплогидравлических характеристик применительно к условиям работы реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО и т.д. Направленность исследований определялась квадратной решеткой твэлов, используемой в реакторе БРЕСТ- ОД-ЗОО, спецификой теплоносителя и режимными условиями работы реактора.
2. Базу экспериментальных исследований составили модельные сборки имитаторов твэлов, разработанные и изготовленные с учетом теплового моделирования твэлов реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО, которое осуществлялось достаточно строго (хорошо моделируемая композиция твэлов) при равенстве параметра эквивалентной теплопроводности твэлов и имитаторов с точностью 5 - 10 %. Тепловые измерения проводились с использованием микротермопар, гидродинамические измерения - электромагнитным методом, что предоставляло комплексную информацию о протекающих в модельных сборках теплогидравлических процессах (данная методология исследований разработана в ФЭИ и успешно применяется для теплогидравлического обоснования реакторов с жидкометаллическим охлаждением различного класса).
Моделирующий теплоноситель (эвтектический сплав натрий-калий: 22% Na + 78 % К), имеющий число Прандтля, близкое по своему численному значению к числу Прандтля свинца, обеспечивал (при относительной простоте постановки опытов) идентичность тепловых процессов, протекающих на поверхности теплообмена для свинца и сплава натрий-калий в предположении “чистоты” теплоносителей, когда на поверхности теплообмена отсутствуют физико-химические процессы, вызывающие контактные явления.
♦ Использовались модельные сборки как однородные (с одинаковым
диаметром имитаторов твэлов), так и неоднородные (с разным диаметром имитаторов). Энерговыделение имитаторов осуществлялось равномерным или скачкообразным по зонам.
3. Основными результатами тепловых исследований являются:
• 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, используемые для оценок эффекта от переменного энерговыделения в отношении коэффициентов теплоотдачи.
• Универсальная обобщающая 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 %. Зависимость получена для широкого диапазона изменения параметров (s/d и Ре), включающего значения параметров для реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО, и демонстрирует предельный переход к числам Нуссельта для ламинарного режима течения.
Наличие дистанционирующих решеток не приводит к
дополнительному перегреву оболочек твэлов в районе решеток ввиду увеличивающейся теплоотдачи.
• • Обобщающая зависимость для расчета максимальных стабилизированных
периодических неравномерностей температуры по периметру твэлов применительно к различным зонам твэлов реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО. Как и для теплоотдачи, обобщенная зависимость демонстрирует предельный переход к значениям, характерным для ламинарного режима течения.
• Рекомендации для расчета общих неравномерностей температуры, возникающих по периметру твэлов на границе подзон с разными
ф диаметрами и энерговыделениями твэлов. Общие неравномерности, как
правило, превышают периодические. Общая неравномерность температуры по периметру твэлов в модельной сборке с двумя дистанционирующими
решетками примерно в 2 раза меньше, чем в сборке с одной дистанционирующей решеткой.
• Оценка точности экспериментальных данных свидетельствует о том, что предельная относительная погрешность определения коэффициента теплоотдачи составляет ~ ±15 %; общей неравномерности температуры ~ ±2%; периодической неравномерности температуры ~ ±7%. Погрешность обобщенных зависимостей для этих величин составляет соответственно ± 16, ± 5 и ± (15 - 20)%.
4. Гидродинамические исследования предоставили данные о развитии полей скорости по периметру твэлов в азимутальном направлении (в ячейках) и по длине энерговыделения. В сборке с имитаторами без дистанционирующих решеток распределение скоростей теплоносителя формируется по подзонам согласно геометрии сборки: в более затесненной зоне скорость меньше, в более открытой зоне - больше. Соответственно формируются амплитуды скоростей в четырехугольной ячейке. Наличие дистанционирующей решетки меняет распределение скоростей в районе решетки - скорости в затесненной зоне больше, чем в открытой зоне. Наличие двух дистанционирующих решеток способствует уменьшению неоднородности течения, хотя полностью ее не устраняет. Общая неравномерность скорости в сборке с двумя дистанционирующими решетками несколько меньше, чем в сборке с одной решеткой.
Распределение скоростей теплоносителя в сборке с имитатором элемента СУЗ формируется согласно геометрии нестандартного канала с эллипсными вытеснителями.
Распределение скоростей подтверждают соответствующие распределения температуры в сборках.
5. Разработанная стационарная часть расчетного кода ТИГР-БРС базируется на поканальной методике и позволяет рассчитывать распределение полей скорости и температуры теплоносителя как в регулярной решетке твэлов, так и в нестандартных ячейках активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО. Разработанный блок для расчета распределения температуры в твэле основан на решении нестационарного неосесимметричного уравнения теплопроводности. Расчеты по коду ТИГР-БРС, сопоставленные с экспериментальными данными, полученными на однородных и неоднородных модельных сборках, показали согласие результатов.
6. Вышеописанные данные непосредственно используются для оценок температурных и гидродинамических режимов реакторов типа БРЕСТ, а также для верификации расчетных кодов по теплогидравлическому обоснованию активных зон этих реакторов.