3.2.1.3. Теплогидравлические характеристики реактора
Гидравлические характеристики 8-ми и 6-ти трубной ТВС типа ИРТ-ЗМ (значение скоростей вода в зазорах между твэлами и расходов воды через ТВС) при перепаде давления на активной зоне 3,4 м вод. столба приведены в таблице 10. Значения скоростей определены в результате экспериментов [4] на специальном стенде, значения расходов - расчетные.
Расход воды через реактор для рабочей загрузки и отдельные составляющие этого расхода при перепаде давления на активной зоне 3,4 м.вод. столба, полученные расчетным путем, приведены в таблице 11.
Поскольку поверхность теплоотдачи 8-ми трубной ТВС составляет 1,56 м2, а 6-ти трубной ТВС - 1,37 м 2, то поверхности теплоотдачи активной зоны равны:
- для начальной загрузки (рис. 16) - 20,3 м2 ;
- для рабочей загрузки (рис. 17,18) - 29,6 м2.
Наиболее теплонапряженной ТВС в каждой загрузке активной зоны является ТВС, у которой произведение мощности в относительных единицах на коэффициент неравномерности энерговыделения по сечению, деленное на поверхность теплоотдачи ТВС максимально.
В частности:
- в начальной рабочей загрузке из 14 "свежих" ТВС (рис. 16.) наиболее теплонапряженной является восьмитрубная ТВС в ячейке 4-3;
- в рабочей загрузке из 20 "свежих" ТВС (рис. 17) наиболее теплонапряженной является восьмитрубная ТВС в ячейке 5-3, а при достижении выгораний, указанных на рис. 13 - шеститрубная ТВС в ячейке 6-3;
Таблица 10.
Гидравлические характеристики ТВС при перепаде давления на активной зоне 3,4 м вод. ст.
Наименование параметра |
Значение параметра |
|
8-ми трубная ТВС |
6-ти трубная ТВС |
|
Расход теплоносителя через ТВС, м3/час |
33,2 |
28,9 |
Скорости в зазорах, м/с: зазор снаружи ТВС |
2,96 |
2,96 |
Зазор между 1-м и 2-м твэлами *) |
2,74 |
2,74 |
Зазор между 2-м и 3-м твэлами *) |
3,00 |
3,00 |
Зазор между 3-м и 4-м твэлами *) |
3,12 |
3,12 |
Зазор между 4м и 5-м твэлами *) |
2,99 |
2,99 |
Зазор между 5-м и 6м твэлами *) |
3,50 |
3,50 |
Зазор между 6-м и 7-м твэлами *) |
3,42 |
-
|
Зазор между 7-м и 8-м твэлами *) |
3,16 |
-
|
Зазор между 8-м твэлом и вытеснителем |
3,40 |
- |
проход внутри вытеснителя |
0,61 |
-
|
зазор между б -м твэлом и каналом стержня СУЗ |
-
|
3,42 |
зазор между корпусом канала и стержнем СУЗ. |
- |
1,38 |
*) Считая снаружи.
Таблица 11 |
Расходы (м3/ч) через элементы реактора для загрузок из 14 и 20 ТВС |
Загрузка рабочая из 20 ТВС (рис. 17, 18) = 3,4 м вод. столба |
Расход через все элементы |
231,1 |
398,8 |
142,6 |
40,0 |
14,3 |
73,8 |
- |
900 |
Расход через один элемент |
28,9 |
33,2 |
6,20 |
10,0 |
14,3 |
36,9 |
9,2 |
||||
Число элементов |
8 |
12 |
23 |
4 |
1 |
2 |
- |
||||
Загрузка начальная рабочая из 14 ТВС (рис. 16) = 4.8 м вод. столба |
Расход через все элементы |
274,6 |
236,9 |
169,3 |
47,8 |
16,9 |
87,6 |
65,7 |
900 |
||
Расход через один элемент |
34,3 |
39,5 |
7,36 |
11,9 |
16,9 |
43,8 |
10,9 |
||||
Число элементов |
8 |
6 |
23 |
4 |
1 |
2 |
6 |
||||
Одиночный элемент при = 1 м вод. столба |
15,67 |
18,02 |
3,36 |
5,45 |
7,70 |
20 |
5 |
|
|||
Наименование элемента |
Шеститрубные ТВС |
Восьмитрубные ТВС |
Блоки сплошные |
Блоки с отверстием и каналом (пробкой) 44 мм |
Блок с отверстием и каналом АР |
Блоки ловушки с отверстием и пробками 96 и 44 мм |
Вытеснители, заполненные водой |
Суммарный расход через реактор |
|||
|
Активная зона |
Отражатель |
|
||||||||
Расчет температур твэлов был выполнен по программе ASTRA [5] . Эта программа рассматривает малый сектор, выделенный из ТВС с наиболее теплонапряженной стороны. В ней последовательно рассматриваются 11 сечений, начиная от входного и кончая выходного (высота активной зоны считается разбитой на 10 участков). В каждом сечении для каждого твэла находятся температуры:
- на внутренней поверхности твэла
;
- на наружной поверхности твэла
;
- на внутренней границе сердечника с оболочкой
;
- на наружной границе сердечника с оболочкой
;
- максимальная температура сердечника
.
В формулах:
tж1, tж2 - температуры жидкости внутри и снаружи твэла;
r01, r02 - внутренний и наружный радиусы твэла;
rT1 rT2 - внутренний и наружный радиусы сердечника;
qL1, qL2 - тепловые потоки через внутреннюю и наружную поверхности, отнесенные к 1 м длины твэла и 1 радиану азимутального угла;
0, 1 - коэффициенты теплопроводности оболочки и топливного слоя;
rM - нейтральный радиус, служащий "разделителем" тепловых потоков наружу и внутрь.
После расчета каждого сечения определяются температуры жидкости в зазорах следующего по ходу воды сечения
где tw(l, j) - температура жидкости j-го зазора в l-м сечении;
qLB(l, j)- тепловой поток (на 1 м длины) на внутренней поверхности j-го зазора в l-м сечении;
qLH(l, j)- то же на наружной поверхности;
Gj - расход теплоносителя через j-й зазор;
C - теплоемкость жидкости;
h - шаг по длине;
K - поправочный коэффициент.
В каждом сечении для наружных и внутренних поверхностей твэлов находятся коэффициенты запаса до поверхностного кипения
,
где t0- температура поверхности;
tвх- температура воды на входе в зону;
tнк- температура начала поверхностного кипения, определяемая по формуле Форстера и Грейфа [5|:
tнк = ts+2.04q0.35 p-0.23,
где ts - температура насыщения при давлении p;
q - локальная плотность теплового потока (кВт/м2);
p - локальное давление (бар).
Минимальное по поверхности теплоотдачи ТВС (или активной зоны в целом) значение коэффициента запаса до кипения считается коэффициентом запаса для ТВС (или зоны). Это значение не должно быть меньше минимально допустимого, принимаемого равным 1,4.
Расчет с помощью программы ASTRA производился на компьютере IВМ-РС-АТ.
Коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте активной зоны составляет 1,26, по сечению (рис. 18) - 1,78.
Коэффициент теплопроводности оболочек и сердечников твэлов равны соответственно 0,17 и 0,1 кВт/м.°С.
Наиболее важные теплогидравлические параметры реактора приведены в таблице 12.
Распределение температуры воды вдоль зазоров, температур поверхности оболочек и температур внутри сердечников вдоль твэлов показано на рис. 24 для наиболее теплонапряженной ТВС в рабочей загрузке (рис. 18). Для других загрузок распределения аналогичны. Распределение плотности теплового потока на поверхности оболочек вдоль твэлов этой же ТВС показано на рис. 25. Из этих рисунков видно, что максимальная температура поверхности оболочки. Достигается на внутренней стороне первого (снаружи) твэла, а максимальная плотность теплового потока на наружной стороне первого твэла. Максимум температуры расположен на расстоянии ~ 0,75, а максимум плотности теплового потока - на расстоянии ~0,6 от верха зоны.
На основе теплогидравлических, расчетов показано, что при коэффициенте запаса до поверхностного кипения 1,4 для рабочей загрузки из 20 ТВС:
допустимая мощность реактора составляет 11,5 МВт;
максимальная плотность теплового потока составляет при этом 820 кВт/м2, а максимальная температура поверхности твэла -104°С.
При мощности реактора, равной 6 МВт, коэффициент запаса до поверхностного кипения будет равен 2,42. При этом максимальная плотность теплового потока составляет 427 кВт/м2, а максимальная температура поверхности твэла - 77°С.
Для начальной рабочей загрузки из 14 ТВС при той же мощности коэффициент запаса составит 1,81, максимальная плотность теплового потока - 690 кВт/м2 , а максимальная температура поверхности твэла - 89°С.
Тепловой режим сменного блока бериллиевого отражателя характеризуется следующими параметрами (при мощности 6 МВт):
- максимальная температура в центре блока. - 60 С;
- максимальная температура на поверхности - 53°С;
- коэффициент теплопроводности бериллия - 0,175 кВт/м°С;
- скорость теплоносителя в зазоре - 3,4 м/с;
- энерговыделение в бериллии -6 Вт/см3;
- коэффициент теплоотдачи - 21 кВт/м2 С.
Тепловой режим стержня СУЗ с поглотителем из карбида бора и оболочкой из нержавеющей стали характеризуется следующими параметрами:
- энерговыделение среднее по объему поглотителя |
- 42 Вт/см3; |
- скорость теплоносителя, омывающего стержень |
- 1,38 м/с; |
- коэффициент теплоотдачи |
- 10 кВт/м2 . С; |
- максимальная температура на поверхности оболочки |
- 70°С; |
- максимальная температура на поверхности поглотителя *) |
- 192 С; |
- максимальная температура на оси поглотителя *) |
- 300°С. |
*) При гелиевом зазоре между таблеткой и оболочкой 0,15 мм.
Таблица 12
Теплогидравлические параметры реактора
|
|
Начальная рабочая загрузка из 14 "свежих" ТВС (рис. 16) |
Рабочая загрузка из 20 ТВС со средним выгоранием ~30% (рис. 18) |
|
1. |
Мощность реактора, кВт |
6000 |
11500 |
6000 |
2. |
Максимальная расчетная плотность теплового потока, кВт/м2. |
690 |
820 |
427 |
3. |
Перепад давления на активной зоне, м вод. cтолба. |
4,8 |
3,4 |
3,4 |
4. |
Расход воды через реактор (в первом контуре), м3/ч. |
900 |
900 |
900 |
5. |
Температура воды на входе в активную зону, °С |
45 |
45 |
45 |
6. |
Температура воды на выходе из активной зоны, °С |
51 |
56 |
51 |
7. |
Максимальная расчетная температура поверхности твэла, °С |
89 |
104 |
77 |
8. |
Максимальная расчетная температура сердечника твэла, °С |
92 |
108 |
79 |
9. |
Коэффициент теплоотдачи на поверхности твэла, кВт/м2/°С |
23 |
22 |
19 |
10. |
Температура начала поверхностного кипения, °С |
125 |
128 |
123 |
11. |
Коэффициент запаса до поверхностного кипения |
1,81 |
1,4 |
2,42 |
12. |
Расход воды во втором контуре, м3 /ч |
950 |
950 |
950 |
13. |
Температура воды второго контура до теплообменников, °С |
25 |
25 |
25 |
14. |
Температура воды второго контура после теплообменников, °С 30 |
30 |
35 |
30 |
№
п/п
|
|
||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
56.6 |
57.3 |
56.5 |
45.0 |
53.9 |
54.5 |
53.9 |
45.0 |
52.2 |
52.7 |
52.2 |
45.0 |
51.5 |
51.9 |
51.5 |
45.0 |
50.7 |
51.0 |
50.6 |
45.0 |
49.9 |
50.3 |
50.0 |
45.0 |
|
45.9 |
58.1 |
58.9 |
58.1 |
45.9 |
55.3 |
55.9 |
55.2 |
45.7 |
53.4 |
53.9 |
53.3 |
45.5 |
52.4 |
62.9 |
62.5 |
45.5 |
51.5 |
51.9 |
51.4 |
45.4 |
50.6 |
51.0 |
50.6 |
45.2 |
|
47.0 |
62.4 |
63.5 |
62.5 |
46.9 |
58.9 |
59.7 |
58.8 |
46.4 |
56.2 |
56.9 |
56.2 |
46.2 |
55.0 |
55.6 |
55.0 |
46.1 |
53.8 |
54.3 |
53.7 |
45.9 |
52.5 |
53.0 |
52.5 |
45.5 |
|
48.3 |
67.0 |
68.4 |
67.1 |
48.1 |
62.6 |
63.6 |
62.5 |
47.4 |
59.3 |
60.2 |
59.3 |
47.0 |
57.8 |
58.5 |
57.8 |
46.8 |
56.2 |
56.8 |
56.1 |
46.5 |
54.5 |
55.1 |
54.5 |
45.8 |
|
49.9 |
70.7 |
72.3 |
70.9 |
49.6 |
65.7 |
66.8 |
65.6 |
48.8 |
61.9 |
62.8 |
61.8 |
48.0 |
60.0 |
60.9 |
60.0 |
47.7 |
58.1 |
58.9 |
58.0 |
47.2 |
56.1 |
56.9 |
56.1 |
46.2 |
|
51.7 |
74.0 |
75.7 |
74.1 |
51.3 |
68.4 |
69.6 |
68.2 |
49.9 |
64.1 |
65.1 |
64.0 |
49.1 |
61.9 |
62.9 |
62.0 |
48.6 |
59.8 |
60.6 |
59.7 |
48.0 |
57.5 |
58.3 |
57.5 |
46.6 |
|
53.6 |
76.3 |
78.0 |
76.4 |
53.1 |
70.5 |
71.7 |
70.3 |
51.3 |
65.8 |
66.9 |
65.7 |
50.2 |
63.4 |
64.4 |
63.5 |
49.6 |
61.1 |
61.9 |
61.0 |
48.9 |
58.5 |
59.3 |
58.4 |
47.0 |
|
55.4 |
77.3 |
78.9 |
77.4 |
54.9 |
71.4 |
72.5 |
71.1 |
52.7 |
66.5 |
67.5 |
66.4 |
51.4 |
64.0 |
65.0 |
64.0 |
50.7 |
61.6 |
62.4 |
61.5 |
49.7 |
58.8 |
59.6 |
58.7 |
47.5 |
|
57.2 |
77.0 |
78.5 |
77.1 |
56.5 |
71.3 |
72.3 |
71.0 |
54.0 |
66.4 |
67.3 |
66.3 |
52.5 |
63.9 |
64.8 |
63.9 |
51.6 |
61.5 |
62.2 |
61.4 |
50.5 |
58.6 |
59.3 |
58.4 |
48.0 |
|
58.8 |
75.7 |
77.0 |
75.8 |
58.0 |
70.4 |
71.2 |
70.1 |
55.2 |
65.6 |
66.4 |
65.6 |
53.5 |
63.2 |
63.9 |
63.1 |
52.5 |
60.8 |
61.4 |
60.6 |
51.2 |
57.9 |
58.4 |
57.7 |
48.4 |
|
60.1 |
75.6 |
76.8 |
75.7 |
59.3 |
70.5 |
71.2 |
70.2 |
56.2 |
65.7 |
66.4 |
65.5 |
54.3 |
63.2 |
63.8 |
63.1 |
53.2 |
60.8 |
61.4 |
60.6 |
51.8 |
57.8 |
58.2 |
57.5 |
48.7 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
45.0
|
|
|||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
187 |
|
143 |
154 |
|
124 |
128 |
|
114 |
110 |
|
96 |
108 |
|
94 |
93 |
|
|
211 |
203 |
|
154 |
167 |
|
133 |
139 |
|
122 |
120 |
|
103 |
117 |
|
100 |
102 |
|
|
275 |
262 |
|
198 |
219 |
|
171 |
182 |
|
158 |
156 |
|
133 |
152 |
|
129 |
134 |
|
|
340 |
325 |
|
244 |
272 |
|
212 |
225 |
|
196 |
193 |
|
164 |
189 |
|
157 |
169 |
|
|
387 |
371 |
|
276 |
312 |
|
240 |
258 |
|
222 |
221 |
|
186 |
216 |
|
177 |
193 |
|
|
420 |
405 |
|
298 |
342 |
|
260 |
282 |
|
241 |
241 |
|
201 |
237 |
|
191 |
213 |
|
|
434 |
420 |
|
307 |
356 |
|
267 |
294 |
|
248 |
251 |
|
207 |
246 |
|
194 |
224 |
|
|
419 |
409 |
|
294 |
349 |
|
257 |
287 |
|
239 |
245 |
|
199 |
241 |
|
185 |
221 |
|
|
381 |
374 |
|
263 |
323 |
|
232 |
265 |
|
217 |
224 |
|
179 |
222 |
|
164 |
207 |
|
|
327 |
322 |
|
219 |
284 |
|
196 |
230 |
|
184 |
195 |
|
151 |
193 |
|
135 |
183 |
|
|
|
298 |
|
199 |
265 |
|
177 |
216 |
|
169 |
181 |
|
137 |
180 |
|
120 |
174 |
|
|
|
||||||||||||||||||
197
300