Температурный режим активной зоны
Температура теплоносителя на выходе из реактора определяет, температуру пара. Повышение температуры теплоносителя снижает размеры и массу парогенератора и увеличивает экономичность ЯЭУ. Однако максимальная температура ограничена:
температурой кипения теплоносителя при выбранном давлении;
допустимой температурой оболочки ТВэл, обусловленной их герметичностью, прочностью и долговечностью;
коррозией ТВэл.
Влияние перепада температур на входе
и выходе из реактора
весьма противоречиво:
с одной стороны, увеличение Δt приводит к снижению расхода теплоносителя;
с другой — к понижению температуры пара.
Для ВВЭР значение Δt не должно быть большим из-за большой массы трубопроводов и корпуса, иначе в них возникают значительные термомеханические напряжения.
Тепловой режим реактора непосредственно связан с его надёжностью и определяется условиями передачи тепла от топлива к теплоносителю и дальнейшему отводу его из активной зоны. Особенностью реактора является возможность достижения практически неограниченных величин тепловыделений и температуры топлива. Однако мощность реального реактора ограничена условиями работы материалов ТВэл, замедлителя и теплоносителя.
Тепловые нагрузки реактора ограничиваются:
допустимой температурой материалов ТВэл;
допустимыми тепловыми нагрузками поверхности охлаждения ТВэл;
допустимыми температурными напряжениями в конструктивных элементах активной зоны.
Процесс теплопроводности подчиняется закону Фурье. Повышение тепловой мощности реактора приводит к увеличению тепловых потоков и температур как внутри ТВэл, так и на его наружной стенке. Тепло в ТВэл выделяется равномерно по его объёму, поэтому максимальная температура будет в центре блока топлива. Температура ядерного топлива ограничивается температурой плавления и другими свойствами топлива. Чем выше теплопроводность материала ТВэл, тем лучше отводится от него тепло, тем ниже температура топлива и оболочки ТВэл и тем выше допустимые тепловые потоки от топлива к теплоносителю.
Тепловые потоки в ТВэл ограничиваются допустимыми напряжениями как в блоке ядерного топлива, так и в материале оболочки. Снижение напряжений связано с использованием материалов с малым термическим сопротивлением и уменьшением толщины элементов ТВэл. Появление дополнительных образований на поверхности ТВэл (накипь) приводит к ухудшению температурного режима ТВэл и выходу его из строя.
Температура топлива зависит также от характера теплового контакта топлива с оболочкой ТВэл. По характеру теплового контакта ТВэл делят на сцепленные и несцепленные. Элементы несцепленного типа, у которых отсутствует сцепляющий слой между топливом и оболочкой, имеют большое термическое сопротивление.
Мощность реактора, или количество тепла, передаваемое через поверхность теплосъёма от топлива к теплоносителю в единицу времени, можно определить по параметрам 1 контура:
N = Np = N1k = qТВэл * F = α * F * (tТВэл – tводы) = G1k * (iвых – iвх), где
qТВэл — теплоотдача с единицы поверхности ТВэл;
F — общая площадь ТВэл;
α — коэффициент теплоотдачи ТВэл;
tТВэл, tводы — температуры ТВэл и теплоносителя;
G1k — расход теплоносителя;
iвых, iвх — энтальпия теплоносителя на входе и выходе из реактора.
Коэффициент α характеризует условия теплообмена и зависит от ряда факторов: скорости, вязкости, плотности теплопроводности, теплоёмкости теплоносителя, характера его движения и т. д. Отклонение этих факторов от заданных значений может привести к явлениям кризисов теплообмена. Рассмотрим их подробнее.
При увеличении теплового потока коэффициент α будет увеличиваться. Если температура оболочки ТВэл превысит температуру кипения теплоносителя при данном давлении (температуру насыщения), то в пристенном слое может возникнуть кипение, отбирающее с поверхности ТВэл большое количество тепла. Срывающиеся пузырьки перемешивают пограничный слой теплоносителя и способствуют лучшему теплоотводу. Пока ядро потока теплоносителя не догрето до температуры кипения, пузырьки будут конденсироваться в нём. Это явление называют поверхностным пузырьковым кипением.
На участке с поверхностным пузырьковым кипением будут наблюдаться колебания температуры ТВэл: пузырьковое кипение снижает температуру ТВэл, что приводит к прекращению кипения. Далее температура ТВэл снова повышается и процесс повторяется. Скачки температуры ТВэл вызывают колебания термических напряжений в ТВэл. Однако опыт показывает, что поверхностное пузырьковое кипение не ограничивает максимальную мощность реактора и вполне допустимо в определённых пределах.
Возрастание теплового потока выше величины, при которой начинается пристеночное кипение, приводит к тому, что скорость образования пара приближается к возможной скорости удаления пузырьков от поверхности. Когда скорость образования будет равна возможной скорости удаления пузырьков пара и первая начнёт превышать вторую, то около поверхности образуется слой с повышенным паросодержанием. Это слой затрудняет поступление жидкости к поверхности нагрева и тем самым ухудшает теплопередачу. При определённой тепловой нагрузке температура поверхности повышается, остатки жидкости в двухфазном слое испаряются, а поверхность нагрева покрывается сплошной плёнкой пара. Данный режим называется плёночным режимом кипения, или кризисом теплообмена первого рода.
Кризис теплообмена первого рода состоит в превышении теплового потока над критическим, при котором начинается плёночное кипение.
Из-за сравнительно низкой теплопроводности пара теплоотдача при плёночном кипении резко снижается, коэффициент теплоотдачи уменьшается в десятки раз, а температура стенки возрастает до недопустимо больших величин, что приводит к разрушению ТВэл.
Тепловая нагрузка, при которой пузырьковое кипение на поверхности ТВэл переходит в плёночное, называется критической тепловой нагрузкой qкрит.
Надёжная работа ТВэл будет обеспечена
при тепловых нагрузках, не превышающих
критическую. Отношение
называется запасом по критической
тепловой нагрузке. Таким образом, при
работе реактора должно выполняться
условие:
Кроме явления плёночного кипения, увеличения теплового потока может привести к прогреву потока теплоносителя до температуры насыщения и возникновению кипения во всём объёме теплоносителя. Интенсивность объёмного кипения характеризуется массовым (или объёмным) паросодержанием x (%).
Кризис теплообмена второго рода возникает
при исчезновения водяной микроплёнки
на стенке ТВэл, что происходит при
омывании ТВэл пароводяной смесью с
большим паросодержанием. В данном случае
при достижении массовым паросодержанием
граничного значения xгр
температура стенки скачком повышается
на
.
Кризис теплообмена второго рода состоит в появлении объёмного кипения при создании условий для него.
При больших величинах паросодержания паровые пузыри, поднимаясь, будут объединяться и расширяться до тех пор, пока не заполнят всё сечение канала. «Запаривание» канала приведёт к нарушению температурного режима ТВэл и к их разрушению.
Недогрев теплоносителя до температуры
насыщения при данном давлении
называют запасом до объёмного кипения.
Надёжная работа ТВэл обеспечивается
при
.
Запасы по критической тепловой нагрузке и объёмному кипению зависят от давления, расхода теплоносителя и ряда других факторов. Отклонение их от номинальных значений может вызвать значительные изменения в свойствах ТВэл и привести к их разрушению. Исключить возникновение кризисных явлений теплосъёма позволяет строгое соблюдение эксплуатационных режимов.
Оператор должен знать: всякое отклонение температур и расхода теплоносителя, давления 1 контура, распределения энерговыделения и других параметров от заданных влечёт нарушение теплового баланса, что приводит к разгерметизации ТВэл и разрушению активной зоны.
Этому способствуют:
распухание топлива;
высокие температуры и тепловые потоки;
радиационное воздействие;
коррозия;
переменный характер нагрузок.
Изменение температуры воды и ТВэл, максимальной и критической теплоотдачи по высоте активной зоны представлено на графике:
