Desktop / Теплогидравлический расчет реакторов типа БН_Наумова

Содержание

Введение 2

Теплогидравлический расчет реакторов типа БН 7

Пример расчета реактора типа БН-800 8

Пример расчета реактора типаБН-350 18

Список литературы 35

Введение

Реакторы на быстрых нейтронах позволяют осуществлять расширенное воспроизводство ядерного топлива, что радикально решает проблему энергообеспечения АЭС, так как открывается возможность дальнейшего роста ядер­ной энергетики практически без ограничения со стороны топливных ре­сурсов. Успешная эксплуатация в СССР первых быстрых реакторов БР-5 и БР-10 (мощностью 5 и 10 МВт соответственно), опытного реактора БОР-60 мощностью 60 МВт позволила освоить мощные энергетические реакторы на быстрых нейтронах БН-350 и БН-600, которые сегодня успешно эксплуатируются в г. Шевченко и на Белоярской АЭС. В настоящее время разрабатывается целая серия еще более мощных энергетических реакторов на быстрых нейтронах (БН-1600 и др.).

Обеспечение высокой эффективности и надежности в работе быстрых реакторов – важная проблема, решение которой в значительной степени определяется уровнем теплофизического обоснования реакторов.

Особенности условий работы быстрых реакторов (высокие нейтронные и тепловые потоки, большие выгорания и давления газообразных продуктов деления в твэлах, высокие температуры топлива и оболочки) особенности физики и геометрии активной зоны, значительные неопределенности в параметрах выдвигают задачу более глубокого проникновения в суть теплофизических процессов, протекающих в реакторах, и познания новых явлений, отвечающих современному уровню знаний в области теплофизики реакторов как науки. Межканальный гидродинамический и тепловой обмен, переменное энерговыделение и начальные тепловые участки, деформированные решетки твэлов и нестандартные каналы, несимметричные тепловые нагрузки и оребренные системы твэлов – далеко не полный перечень вопросов, выдвигаемых в настоящее время практикой реакторостроения и имеющих решающее значение при теплофизическом обосновании быстрых реакторов.

Учет перечисленных факторов в теплогидравлическом расчете делает его весьма сложной задачей. Среди требовании к тегоплогидравлическому расчету – большая информативность, комплексность, высокая достоверность результатов прежде всего по локальным гидродинамическим и тепловым характеристикам: с одной стороны, большие запасы по параметрам теплоносителя недопустимы (ограничиваются мощность и КПД установки), с другой стороны, превышение локальных температур сверх допустимых пределов может обусловить выход реактора из строя.

Обеспечение надежного теплогидравлического расчета высокопоточ­ных современных реакторов на быстрых нейтронах (БН-350, БН-600) потребовало проведения значительного комплекса экспериментальных исследований и развития новых методов расчета локальных характеристик ТВС быстрых реакторов.

Исследованные специалистами механизмы межканального обмена и сложного продольно-поперечного течения в элементах реакторов, изученные особенности гидродинамики и теплообмена в системах параллельных твэлов и в нестандартных каналах (периферийные зоны ТВС), исследованные температурные поля регулярных и искаженных решеток твэлов при постоянном и переменном энерговыделениях, в стабилизированных и в нестабилизированных гидродинамических и тепловых условиях и т.д. составляют базу для расчета ло­кальных тепловых и гидродинамических характеристик ТВС быстрых реакторов.

Ряд из перечисленных вопросов касается широкого круга задач и по существу определяет дальнейшее развитие теплофизики реакторов вообще. Например, проблема нестандартных каналов (периферийные твэлы) и искаженных решеток, включающая в себя смещения твэлов, локальные перегревы, блокировки проходных сечений, одиночные и групповые прогибы твэлов, определяет кардинальный вопрос надежности и повышения мощности реакторов и, по-видимому, будет развиваться в последующие годы постольку, поскольку будет развиваться реакторостроение.

Важным вопросом теплогидравлического расчета ТВС быстрых реакторов является индивидуальный подход к расчету характерных твэлов шестигранных ТВС: центрального, бокового и углового. Температурные поля этих твэлов существенно отличаются, что определяет необходимость использования характерных расчетных формул для каждой из категорий твэлов.

Большой круг проведенных исследований привел к получению данных для важнейших характеристик ТВС быстрых реакторов в широком диапазоне параметров ТВС, что позволяет осуществить оптимизацию ряда параметров ТВС.

Одной из задач теплогидравлического расчета ТВС быстрых реакторов является нахождение, исходя из проектных параметров активной зоны реактора (энерговыделения, общего расхода теплоносителя и т.д.), теплогидравлических характеристик, определяющих работоспособность зоны. К числу основных характеристик, определяющих работоспособность ТВС, принадлежат максимальные температуры оболочек твэлов и чехлов ТВС и максимальные неравномерности температуры по периметру твэлов и чехлов ТВС.

Поскольку активная зона представляет собой большую и сложную систему ТВС, содержащих тепловыделяющие элементы и имеющих в свою очередь также сложную структуру, теплогидравлический расчет зоны реактора разбивается на несколько этапов.

На первом этапе, выполняемом на стадии проектных изысканий (оптимизация параметров), определяются расходы теплоносителя через ТВС, средние подогревы теплоносителя в ТВС.

Следующим этапом является расчет теплогидравлических характе­ристик индивидуальных ТВС и твэлов. Он в свою очередь включает расчеты геометрических характеристик ТВС, распределение расходов теплоносителя по каналам ТВС с учетом межканального гидродинамического обмена, подогревов теплоносителя по каналам ТВС с учетом межканального теплового обмена, определение температурных напоров стенка-жидкость и максимальных неравномерностей темпераратуры по периметру твэлов, учет влияния на температурное поле различных факторов, определение максимальных температур оболочек твэлов. Поскольку подогревы теплоносителя в ТВС быстрых реакторов весьма велики (составляют ~ 200 ° С), точность в определении максимальной температуры оболочек твэлов в значительной степени определяется корректностью расчета распределения подогрева теплоносителя по каналам ТВС.

Процессы формирования полей скорости и температуры в ТВС, пред­ставляющих собой систему взаимосвязанных каналов, между которыми имеет место обмен массой, импульсом и теплом, имеют существенные особенности по сравнению с процессами в изолированных каналах. Массообмен между каналами, более сильное, чем в изолированных каналах, влияние случайных геометрических отклонений (прогибы, сдвижки твэлов) на разверку расходов; влияние дистанционирующего спирального оребрения твэлов на межканальное перемешивание и степень турбулизации потока; неравномерность распределения теплоносителя по ячейкам различной геометрии (центральные, периферийные ячейки) и т.д. определяют гидродинамические особенности взаимосвязанных каналов по сравнению с изолированными каналами.

Использование методик и формул для изолированных каналов при гидравлических и тепловых расчетах взаимосвязанных каналов может приводить к большим погрешностям, что вызывает необходимость разработки специальных методик, учитывающих особенности взаимосвязанных каналов.

Межканальный тепломассообмен – решающий фактор формироваия тепловой и гидродинамической картины в активной зоне быстрого реактора. Вызываемый спиральными проволочными навивками на твэлах, касающимися оболочек соседних твэлов, он снижает температуру в области "горячих пятен" и тем самым способствует форсированию мощности реактора. Ни одна современная методика теплофизического расчета реактора не может обойтись без учета этого фактора, важность которого проявляется при рассмотрении процессов, протекающих как внутри сборки твэлов, так и в активной зоне реактора в целом (межкассетное взаимодействие). Учет тепло и массообмена между ячейками в так называемом поканальном методе расчета - существенный вклад в развитие методов теплогидравлического расчета активных зон быстрых реакторов.

Согласно этому методу сборка твэлов разбивается на ряд параллельных каналов, для которых решается система уравнений баланса массы, импульса и энергии, в результате чего получаются распределения скорости и подогрева теплоносителя.

Системы уравнений баланса, формируемые различными авторами, раз­личаются по степени учета и точности описания физических эффектов и механизмов межканального обмена. Соответственно и программы поканального расчета, реализующие решение уравнений баланса, различаются по классу решаемых задач и точности описания теплогидравлики.

Существенное внимание в теплогидравлическом расчете ТВС должно быть уделено наиболее опасной (с точки зрения неравномерностей температуры) периферийной области ТВС. Периферийные твэлы окружены ячейками различной геометрии, поэтому условия их работы несимметричны. В результате того что в окружающих периферийные твэлы ячейках протекают разные количества теплоносителя, температура теплоносителя существенно изменяется по периметру периферийных твэлов.

Жидкие металлы имеют большие коэффициенты теплопроводности, малые коэффициенты объемной теплоемкости. Большие подогревы теплоносителя и высокие коэффициенты теплообмена приводят к тому, что профиль температуры поверхности твэлов, омываемых жидкими металлами, определяется в основном локальными подогревами теплоносителя, а не локальными коэффициентами теплообмена. Вышесказанное в особой мере относится к периферийным твэлам, по периметру которых имеют место особенно большие разности в подогревах теплоносителя.

Допуски на геометрические размеры ТВС быстрых реакторов, имеющих малые диаметры твэлов и относительно малые шаги решетки, соизмеримы по величине с поперечными размерами каналов, окружающих твэлы, что обусловливает заметный эффект от смещения и прогибов твэлов даже при использовании на твэлах дистанционирующих проволочных навивок. Особую важность эти вопросы приобретают для периферийных твэлов, на которых навита проволока диаметром в два раза меньшим, чем на центральных твэлах. Это создает возможность смещения периферийных твэлов по периметру обечайки, по крайней мере, на половину зазора между твзлами.

Процессы теплообмена в периферийных каналах носят, как правило, нестабилизированный характер. Степень нестабилизированности зависит от эквивалентной теплопроводности и относительного шага расположения твэлов, диаметра вытеснителей, зазора между твэлами и обечайкой и других причин.

Особенности теплообмена оребренных твэлов с жидкометаллическим охлаждением определяются тем, что, с одной стороны, оребрение способствует перемешиванию теплоносителя по сечению ТВС, что улучшает условия теплообмена, с другой стороны, ребра вызывают локальное увеличение температуры оболочек твэлов.

Таким образом, особенности гидродинамики и теплообмена в ТВС быстрых реакторов в основном связаны с пристенными (периферийными) рядами твэлов и с использованием натрия в качестве теплоносителя. Вызываемые этими особенностями новые проблемы по сравнению с бесконечными решетками твэлов могут быть суммированы следующим образом:

- на порядок более высокие неравномерности температуры по периметру периферийных твэлов по сравнению с центральными твэлами;

- большие неравномерности расходов теплоносителя по периметру периферийных твэлов;

- решающее влияние межканального обмена на поля скорости и температуры в ТВС быстрых реакторов;

- повышенное влияние деформации решетки твэлов на поля скорости и температуры;

- нестабилизированные условия теплообмена в периферийных каналах ТВС.

Представленный ниже материал по теплогидравлическому расчету ТВС быстрых реакторов учитывает специфику гидродинамики и тепло­обмена в активных зонах быстрых реакторов и направлен на решение вышеприведенных вопросов.

Теплогидравлический расчет реакторов типа БН

Теплогидравлический расчет необходим для обоснования проекта ядерной энергетической установки, ее теплотехнической оптимизации и повышения теплотехнической надежности. При теплогидравлическом расчете определяют распределение расхода теплоносителя по ТВС активной зоны реактора, распределение давления по контуру циркуляции, температуры в элементах реактора, а также параметры оборудования первого контура установки.

Тепловой и гидравлический расчеты активной зоны ядерного реактора, а также гидравлический расчет I контура выполняется в настоящее время с использованием ЭВМ и включает в себя, как правило, расчет, если не каждой ТВС, то достаточно большого числа их групп, расчет всех элементов конструкции реактора, требующих охлаждения (элементов защиты, исполнительных органов СУЗ, экранов и т.д.).

В связи с невозможностью в данном проекте учесть всю сложность и многообразие элементов, ниже во многих случаях вводятся упрощающие предпосылки и усредненные коэффициенты, которые, вообще говоря, должны быть разными для разных реакторов. Использование этих коэффициентов позволяет в какой-то мере учесть сложность конструкции, но, безусловно, делает расчеты неточными.

	БН-350	БН-600	БН-800	БН-1600
Шаг решетки ТВС, (мм)	98	98	98	144
Зазор между ТВС, (мм)	2-3	2-3	2-3	3-4
Толщина стенки шестигранного чехла, (мм)	2	2	2	3
В существующих проектах:
Число ТВЭЛ и ТВС активной зоны	169	127	127	271
Диаметр ТВЭЛа, (мм)	6,1	6,9	6,9	6,9
Толщина оболочки ТВЭЛа, (мм)	0,4	0,4	0,4	0,4
Относительный шаг	1,17	1,17	1,17	1,17
Наличие вытеснителей	нет	есть	есть	есть

Пример расчета реактора типа БН-800

Тепловой расчет

Исходные данные:

тип реактора	на быстрых нейтронах
электрическая мощность, МВт	800
температура входа Na в а.з., tвх , 0С	374
температура выхода Na из а.з., tвых , 0С	547

Тепловой расчет реактора

Расход теплоносителя через реактор:

Расход теплоносителя через кассеты активной зоны, 12% которого идет на охлаждение экранов, корпуса и протечки:

G_а.з. = 0,88 (т/ч)

G_а.з. = 0,8853000=167904 (т/ч)

Поверхность нагрева активной зоны:

,

где - число топливных кассет в активной зоне,

,

Площадь поперечного сечения одной ячейки равна:

,

где L – размер кассеты под ключ;  – толщина зазора между кассетами

(мм²).

(м²).

Средний тепловой поток с поверхности твэлов в активной зоне:

,

.

Максимальный тепловой поток с поверхности твэлов:

,

,

где

	БН-350	БН-600	БН-800	БН-1600
Коэффициент неравномерности по радиусу	1,30	1,23	1,23	1,21
Коэффициент неравномерности по высоте			1,22

В самых тяжелых условиях работает центральная кассета. В центральной кассете выбираем центральный твэл и разбиваем его на 8 участков. Предполагается, что распределение по высоте подчиняется косинусоидальному закону:

, (кВт/м²)

где за x обозначили: .

Z	xZ	cosxZ	q(Z),(кВт/м2)
0	0	1	12840
15	0,36	0,035	12016
30	0,72	0,75	9653
45	1,08	0,471	6051
60	1,44	0,130	1674

Для подсчета тепла, переданного на каждом участке надо знать среднее значение теплового потока на этом участке, который находится по формуле:

,(кВт/м²)

Z	xZ	sinxZ	sinxZ2-sinxZ1	q(Z2-Z1),(кВт/м2)
0	0	0	0,352	12554
15	0,36	0,352	0,307	9913
30	0,72	0,659	0,222	5474
45	1,08	0,881	0,121	1438
55	1,33	0,902	0,089	867
60	1,14	0,991	-	-

Тепло, передаваемое на каждом из 8 участков в центральной кассете:

, (кВт),

где - обогреваемый периметр в кассете.

(см)

Подогрев теплоносителя на каждом из участков для центральной кассеты:

, (⁰С)

Расход через центральную ячейку:

, (кг/сек)

(кВт/литр).

(кг/сек)

Расход через кассету:

(кг/сек)

Выходная температура из каждого участка:

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	380.2	393.7	413.5	438	467	496	521	540.1	554.36	554.61

hi, (м)	Lобhi, (м2)	Qi, (кВт)	,(0С)	,(0С)
0,1	0,54	468,0	0,25	0,25
0,1	0,54	2107,3	4,03	4,28
0,1	0,54	3261,8	9,02	13,3
0,1	0,54	4382,3	11,21	24,51
0,1	0,54	5201,4	13,07	37,58
0,1	0,54	6664,0	17,17	54,75
0,1	0,54	6664,0	17,17	71,92
0,1	0,54	5201,4	13,07	84,99
0,1	0,54	4382,3	11,21	96,8
0,1	0,54	3261,8	9,02	105,22
0,1	0,54	2107,3	4,03	109,25
0,1	0,54	468,0	0,25	109,5

Расчет температуры оболочки твэла:

,

- перепад температур между теплоносителем и оболочкой твэла в i-ой точке;

- перепад температур по оболочке твэла на i-ом участке.

;

,

где t – шаг расположения твэл в пакете, (мм).

,

где d_г – гидравлический диаметр, (м) (м)

;

(м²).

,

где  – толщина оболочки.

Сводная таблица теплового расчета реактора

№
1	860	13,3	34,5	70	0,53	11,56
2	854	13,39	33	68,7	0,52	12
3	580	13,52	32	67,5	0,51	17
4	845	13,58	30,8	66,1	0,5	12,87
5	840	13,68	29,5	64	0,49	13,58
6	829	13,79	28	63,5	0,48	13,91
7	824	13,86	27,8	63	0,47	14,77
8	818	13,94	27,5	62,5	0,465	14,95
9	816	14	27,2	62	0,46	15,2
10	816	14	27,2	62	0,46	15,44