Олексюк Дмитрий Анатольевич. Разработка и экспериментальное обоснование программы для поячейкового теплогидравлического расчета активных зон реакторов типа ВВЭР

Краткое описание

Олексюк Дмитрий Анатольевич. Разработка и экспериментальное обоснование программы для поячейкового теплогидравлического расчета активных зон реакторов типа ВВЭР : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.03.- Москва, 2002.- 237 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/1469-5

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТРУ‘КУРЧАТОВ СКИЙ ИНСТИТУТ”
На правах рукописи
Олексюк Дмитрий Анатольевич
/А-
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ПРОГРАММЫ ДЛЯ ПОЯЧЕЙКОВОГО ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО
РАСЧЕТА АКТИВНЫХ ЗОН РЕАКТОРОВ ТИПА ВВЭР
Специальность 05.14.03. -Ядерные энергетические установки, включая
проектирование, эксплуатацию и снятие с эксплуатации
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: Кандидат технических наук Кобзарь Л.Л.
Москва - 2002

2
СОДЕРЖАНИЕ
Условные обозначения 4
ВВЕДЕНИЕ 7
Глава 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И ПРОГРАММ ДЛЯ ДЕТАЛЬНОГО
ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА АКТОВЫХ ЗОН РЕАКТОРОВ ВВЭР 14
1.1. Основные задачи анализа теплообмена в стержневых сборках
реакторов атомных и подходы к трехмерному описанию теплогидравлики активных зон 14
1.2. Развитие “ячейковых” методов и программ теплогидравлического
расчета применительно к реакторам ВВЭР 19
1.3. Состояние вопроса с экспериментальными данными для
обоснования и верификации программ ячейкового анализа активных зон реакторов ВВЭР 23
1.4. Использование программ основанных на “ячейковых”
подходах для расчетов активных зон реакторов ВВЭР с локальными нарушениями геометрии 26
Глава 2. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ SC-1 29
2.1. Система уравнений 29
2.2. Уравнение состояния 38
2.3. Замыкающие соотношения 40
2.3.1. Гидравлическое сопротивление трения 40
2.3.2. Турбулентное перемешивание 44
2.3.3. Теплоотдача 46
2.3.4. Критический тепловой поток 51
2.4. Процедура численного решения и алгоритм расчета 54
2.5. Специфические особенности программы 61
2.5.1. “Ячейковая” формула для расчета критического
теплового потока 61
2.5.2. Трехмерная модель теплопроводности
топливного стержня 75
2.5.3. Модель теплопроводящей стенки 84
2.5.4. Расчет пучков с изменяющейся по высоте
геометрией 86
2.5.5. Прямой метод численного решения
системы уравнений 86

Глава 3. ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОГРАММЫ ПО ДАННЫМ ИЗ АРХИВА
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ ИНСТИТУТА
ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ РНЦ “КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ” 89
ЗЛ. Матрица верификации 89
3.2. Результаты верификационных расчетов 92
3.2.1. Результаты расчета критических тепловых потоков 93
3.2.2. Результаты расчета осевого распределения температуры
внутри электрообогреваемых трубок пучка 112
3.2.3. Результаты расчетного анализа теплофизических
экспериментов на АЭС "Райнсберг" (Германия) 115
3.2.4. Результаты расчетного анализа гидравлических
характеристик ТВ С альтернативной конструкции для реактора ВВЭР-1000 124
3.2.5. Результаты расчетного анализа распределения локальных
параметров теплоносителя в пучках стержней 128
Глава 4. ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОГРАММЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ НА Ю8-СТЕРЖНЕВОЙ МОДЕЛИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ РЕАКТОРА ВВЭР-1000 139
4.1. Описание экспериментального оборудования, методики
проведения экспериментов и экспериментальных данных 139
4.2. Сравнение результатов расчета с экспериментальными
данными стационарных экспериментов 148
4.3. Сравнение результатов расчета с экспериментальными
данными динамических экспериментов 151
Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ «ГОРЯЧИХ ПЯТЕН» ПРИ
СБЛИЖЕНИИ ДВУХ ТВЭЛОВ В ТВС РЕАКТОРА ВВЭР-1000 159
5.1. Результаты эксперимента 159
5.2. Особенности расчетного моделирования локальных
нарушенийгеометрии ТВС 167
5.3. Сравнение результатов расчета с экспериментальными
данными 171
ВЫВОДЫ 181
ЛИТЕРАТУРА 186
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 190
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 194

Список литературы

выводы
181
Данная работа посвящена разработке и экспериментальному обоснованию программы SC-1, предназначенной для трёхмерного расчета теплогидравлики активной зоны реакторов типа ВВЭР.
При создании SC-1 был проведен анализ тенденций развития “ячейковых” программ и оценка современного состояния дел в создании и использовании кодов для детального расчета теплогидравлики активных зон водо-водяных реакторов. Поэтому программа изначально создавалась опираясь на лучшие достижения в области поячейковых кодов, с учетом потребностей сегодняшнего дня. Но, несмотря на изначально высокие требования к программе, она постоянно развивается и модернизируется. Развитие программы SC-1 повлекло за собой целый ряд изменений в моделях и корреляциях, используемых в программе. Во-первых, была разработана специальная методика расчета критических тепловых потоков. Эта методика предназначена специально для программ, основанных на ячейковом подходе описания теплогидравлических процессов в пучках стержней. Во-вторых, создана трехмерная модель тепловыделяющего стержня. Расширены возможности расчетной схемы за счет применения прямого метода решения системы уравнений.
При подготовке верификационной базы была составлена матрица верификации и осуществлен подбор экспериментальныхых данных. Основной упор при верификации делался на сравнение с экспериментальными данными по кризису теплоотдачи в пучках стержней. Эти данные являются достаточно многочисленными (отобрано 65 серий экспериментов) и позволяют на основе статистического анализа оценить погрешность программы и ячейковой методики при расчете критических тепловых потоков. В результате сравнения расчетных критических тепловых потоков с экспериментальными значениями получена среднеквадратическая ошибка 13.9% при математическом ожидании близком к нулю - 0.5%. Результаты, полученные при использовании новой методики, следует признать удовлетворительными, так как использование для расчетов в ячейковых программах одномерных методик приводило к среднеквадратическим ошибкам достигающим 20%. Помимо верификации по критическому тепловому потоку было проведено сравнение расчетных значений “первичных” величин, таких как, относительная энтальпия или

182
температура теплоносителя в ячейке, локальный расход теплоносителя, температура внутри имитаторов твэлов, перепад давления по высоте сборки. Причем, для отработки программы SC-1 специально для расчета ТВС реакторов ВВЭР-1000, были проведены уникальные эксперименты на 108-стержневом пучке стенда КС РНЦ “Курчатовский институт”. В этих экспериментах моделировалась периферийная зона и стык трех ТВС реактора ВВЭР-1000. Эксперименты были проведены как в стационарных, так и в динамических условиях. Сравнение результатов эксперимента и расчетных исследований позволяет сказать о удовлетворительной точности расчета всех параметров, участвовавших в сравнениии. Так, погрешности расчета температуры теплоносителя в ячейках не превышали в большинстве случаев 2-3°С, а температуры внутри имитаторов твэлов - 7°С.
Конечно, необходимо отметить, что недостаток достоверных данных по расходам теплоносителя в ячейках пучка не позволил полноценно оценить точность расчета программой SC-1 данной величины. Эти же слова следует отнести и к паросодержанию в ячейках пучка.
Помимо расчета ТВС с проектной геометрией, в данной работе представлены расчетные подходы к моделированию кассет с нарушением базовой геометрии-. Вид нарушения - это изгиб твэлов до касания в точке. Расчет показал, что при данном виде искажения проектной геометрии снижение критического теплового потока составляет от 5 до 30% в зависимости от режимных параметров и места сближения. Для проверки правильности описания программой пучков с искажением геометрии были подготовлены и проведены эксперименты, в которых моделировалось сближение твэлов до касания в точке. Эксперименты были проведены в РНЦ “Курчатовский институт” на стенде СВД. Пучок имел обогреваемую длину 1 метр и состоял из семи имитаторов твэлов. В данных экспериментах выявлен эффект снижения критических тепловых нагрузок. Наибольшее снижение получено при максимальных расходах через пучок. Так как касание твэлов осуществлялось не на выходе из пучка, а между последней и предпоследней дистанционирующими решетками, то эффект снижения критического теплового потока достигал не более 15%. На основе этих экспериментов была проведена верификация программы SC-1 для расчета активных зон реакторов ВВЭР с нарушением геометрии в виде изгиба твэлов. Сравнение результатов экспериментов и расчетных исследований позволяет

183
сказать, что в целом программа качественно правильно описывает теплогидравлические параметры в зоне искажения. Ошибки в критическом тепловом потоке составили: среднеквадратическая ошибка 7.8%, среднеарифметическая - 4.0%. Данный результат можно признать удовлетворительным. В ходе этой работы было установлено, что для моделирования программой SC-1 кассет с изгибом твэлов до касания, не требуется дополнительных расчетных моделей или новых корреляций по кризису теплоотдачи и турбулентному перемешиванию теплоносителя. Достаточным условием является правильное задание изменения по высоте проходных сечений расчетных ячеек и зазоров между ними. Помимо этого, можно утверждать, что использование стандартного разбиения расчетной области на элементарные ячейки, позволяет производить расчет с достаточной точностью. Хотя в особых случаях возможно выделение более мелких ячеек в интересующей области. Так же необходимо отметить, что наибольший эффект снижения критического теплового потока достигается при локальном сближении твэлов в месте, где запас до кризиса теплоотдачи является минимальным при неискаженной геометрии пучка. В частности, для пучков с равномерным обогревом, на выходе из сборки.
Созданная программа позволяет с приемлемой точностью производить расчет всех проектных теплогидравлических запасов для реакторов типа ВВЭР. Программа SC-1 использовалась в расчетах теплотехнических запасов при оптимизации шага и размера чехла кассеты реактора ВВЭР-440. Были получены результаты, которые позволили увеличить шаг расположения твэлов в кассете реактора ВВЭР-440 с 12.2 мм до 12.35 мм. При анализе новых топливных циклов для реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000, использование данной программы позволило лучшим образом спрофилировать энерговыделение в кассетах.
Использование модифицированной программы SC-1 позволило оценить влияние “пэльного” эффекта в ТВС реактора ВВЭР-1000. Что, в свою очередь, дало возможность лучше понять причины несоответствия мощности ТВС, расчитанной по показаниям термопар, с мощностью, полученной из нейтронно-физического расчета.
С помощью программы SC-1 проведена точная оценка, используемого во всех проектных расчетах, инженерного коэффициента по подогреву теплоносителя в струе KengAT. Данный расчетный инструмент позволил более обоснованно расчитать значение KengAT, в результате чего численное значение коэффициента было

184
скорректировано почти на 10%. Уменьшение KengAT позволит правильно оценить теплотехнические запасы активной зоны реактора ВВЭР.
В последнее время программа активно использовалась и продолжает использоваться для предварительного отбора вариантов кассеты проектируемого реактора ВВЭР-1500. Были проверены различные конструкции и режимные параметры предлагаемые конструкторскими организациями. Так же было проведено расчетное сравнение предлагаемых конструкций реактора ВВЭР-1500 с зарубежными аналогами, такими как реакторы N-3 и N-4.
Несмотря на достаточно простую физическую модель (одножидкостная, гомогенная), имеющую ряд ограничений, программа SC-1 может быть использована в достаточно широком круге практических задач. Начиная от расчета теплогидравлических характеристик кассет, частей активных зон и реактора в целом, и заканчивая, использованием в качестве модуля в общеконтурной программе или программе детального нейтронно-физического расчета. Особенно ценной может оказаться программа при расчете пучков с искажением геометрии.
В заключение, учитывая всё вышесказанное, необходио наметить пути дальнейшего совершенствования программ, предназначенных для детального расчета активных зон реакторов ВВЭР. Первый путь - это создание ячейковых программ с двухжидкостной моделью для расчета аварийных ситуаций, в которых существенную роль играет пар. На этом пути есть немало сложностей, особенно в замыкающих соотношениях. Так же на этом направлении было бы полезным создание многосекционной программы, которая позволяла бы производить расчет с разным числом ячеек в каждой секции.
Второй путь - создание трехмерных программ на основе решения уравнений Навье-Стокса. Данный путь может быть весьма полезен для описания процессов в опускном участке реактора, в нижней камере смешения, на входе и выходе из кассеты. Так же эти методики могли бы быть полезными при расчете кассет с нарушением геометрии. Но на пути использования программ, основанных на непосредственном решении трехмерных уравнений Навье-Стокса, встречается много сложностей расчетного характера. По моему мнению, большим шагом в этом направлении является создание фирмой Computational Dynamics универсального программного комплекса STAR-CD, предназначенного для численного анализа задач

185
механики жидкостей и газов. STAR-CD - это программа для решения уравнений Навье-Стокса в произвольных трёхмерных областях с возможностью включения различных моделей турбулентности, тепло- и массопереноса (включая фазовые превращения). Но расчетные коды, основанные на этом методе требуют больших объёмов оперативной памяти и затрат машинного времени даже для стационарных задач, не говоря уже о динамических процессах.
Существует ещё ряд направлений в исследовании трехмерной теплогидравлики пучков стержней, обсуждение которых выходит за рамки данной работы.
Несмотря на бурное развитие всевозможных методик и программ для трехмерного анализа теплогидравлики, ячейковые коды являются сейчас наиболее выгодными по соотношению качество-затраты для расчетов активных зон реакторов ВВЭР. При относительно небольших затратах времени (на создание входных файлов и расчет), качество расчетов является вполне приемлемым на современном уровне развития программных средств. К тому же существует набор экспериментально обоснованных корреляций для ячейковых программ и главное, что возможности экспериментальной теплофизики позволяют с высокой степенью достоверности обосновывать ячейковые методики и программы.