Область резонансного взаимодействия вибраций внутрикорпусных устройств ВВЭР-1000 и пульсаций давления при закритических параметрах

Размещено на http://www.allbest.ru/

6-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

26-29 мая 2009 г.»

Область резонансного взаимодействия вибраций внутрикорпусных устройств ВВЭР-1000 и пульсаций давления при закритических параметрах

К.Н. Проскуряков, К.С. Новиков

Вибрации неоднократно являлись причиной повреждений тепловыделяющих сборок (ТВС) и внутрикорпусных устройств (ВКУ) вызванных механизмом усталостных разрушений либо виброизносом, что приводило к досрочной выгрузке топлива и большим экономическим потерям. В связи с этим актуальное значение имеет задача отстройки от резонансного взаимодействия акустических колебаний теплоносителя с собственными частотами колебаний ТВС, тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), а так же ВКУ реактора.

Опыт эксплуатации АЭС подтверждает возможность возникновения резонансов между вибрациями элементов конструкций и колебаниями давления теплоносителя. Однако в настоящее время условия, при которых возникает их резонансное взаимодействие, исследованы недостаточно.

В данной работе проводятся расчеты собственной частоты колебаний давления теплоносителя (СЧКДТ) в активной зоне реактора ВВЭР-1000, СЧКДТ в активной зоне реакторов нового поколения при сверхкритических параметрах теплоносителя, добротности (Q), полосы пропускания (ПП). Сопоставление результатов расчетов СЧКДТ, используя значения Q и ПП, с собственной частотой колебаний различных моделей ТВС приведенных в работе [1].

Разработанные методы и алгоритмы расчетов [2] применены для проведения количественной оценки диапазона изменения СЧКДТ для проектируемых реакторов ВВЭР - 1700 (реактор с быстро-резонансным спектром нейтронов) и ВВЭР -1200 (реактор с тепловым спектром нейтронов).

В работе [3] представлены результаты расчетных исследований и конструкторских проработок по использованию двухходовых схем циркуляции теплоносителя СКД. Эти результаты получены применительно к реакторам с быстрым и тепловым спектрами нейтронов.

Для выявления особенностей возникновения и предотвращения резонансов между акустическими колебаниями теплоносителя и вибрациями ВКУ, ТВС и ТВЭЛ в этих реакторах по сравнению с реакторами ВВЭР-1000 использованы данные, приведенные в работе [3].

Исходные данные для расчетов СЧКДТ ВВЭР - 1700 представлены в таблице 1.

Таблица 1 Основные технические характеристики реактора с быстро-резонансным спектром нейтронов

Схема охлаждения реактора с быстро-резонансным спектром нейтронов представлена на Рис. 1. Активная зона разделена по радиусу на центральную и периферийную зоны с примерно одинаковым числом ТВС. Периферийная зона охлаждается при движении теплоносителя сверху вниз. Внизу активной зоны в камере смешения потоки теплоносителя, вытекающие из периферийных ТВС, объединяются и поступают на вход в центральную зону, которая охлаждается при движении теплоносителя снизу вверх.

Питательная вода охлаждает весь корпус реактора. Подвод и отвод теплоносителя осуществляются по патрубкам типа ”труба в трубе”. Вода сверхкритического давления при нагреве не имеет фазовых переходов. Однако в псевдо-критической точке при 385°С, при изменении температуры воды на 15°С ее плотность изменяется в 2,5 раза. Потоки теплоносителя в опускном и подъемном участках разделяются при температуре 395°С. В опускном участке теплоноситель нагреваться на 115°С, при этом его плотность изменяться в 3,5 раза. В подъемном участке подогрев теплоносителя составит 135°С, при этом его плотность изменится в 2,2 раза.

Корпус для ВВЭР СКД предполагается использовать такой же, как у ВВЭР-1000 и ВВЭР-1500, поэтому, геометрии их активных зон будут схожи с геометриями активных зон ВВЭР-1000.Схема охлаждения реактора с быстро-резонансным спектром нейтронов приведена на Рис.1.

При делении активной зоны на периферийную и центральную зоны проходное сечение для теплоносителя уменьшается в 2 раза и в 2 раза увеличивается скорость теплоносителя: до 1,6 м/с на входе в периферийную зону и ~ 15 м/с на выходе. В связи с уменьшением расхода теплоносителя, по сравнению с ВВЭР-1000, его скорость по сравнению с ВВЭР- 1000 уменьшается, и снижаются гидравлические потери до величины ~ 0,8 МПа.

Величины теплогидравлических параметров в расчетной модели ТВС по высоте активной зоны взяты согласно данным [3], причем конструкция и размеры корпуса реактора и внутрикорпусных элементов, картограмма активной зоны, размеры ТВС, ТВЭЛ в этой работе приняты максимально близкими соответствующим характеристикам реактора ВВЭР-1000.

вибрация тепловыделяющий акустический колебание

Исходные данные для расчетов СЧКДТ ВВЭР - 1200 представлены в таблице 2.

Таблица 2 Основные технические характеристики реактора с тепловым спектром нейтронов

В [3] предлагается ТВС разделить внутренним чехлом по радиусу на 2 зоны - периферийную (ПЗ) и центральную (ЦЗ). Снаружи ТВС не имеют чехлов. В периферийной зоне ТВС теплоноситель движется сверху вниз. Внизу активной зоны расположена общая камера смешения, в которой потоки теплоносителя из периферийных зон перемешиваются и поступают на вход в центральную зону ТВС, в которой теплоноситель движется снизу вверх. Пар на выходе из ТВС поступает в общий теплоизолированный паросборник, и из него поступает на выход из реактора.

Схема охлаждения реактора представлена на Рис. 2 Температура теплоносителя в камере смешения 395°С (близка к псевдо-критической точке) при этом теплоноситель будет нагреваться примерно одинаково на 115°С, как в опускном, так и в подъемном участках.

Расчет добротности колебательного контура теплоносителя (Q) проведен для реактора на быстро-резонансном спектре нейтронов при использовании соотношения приведенного в [4]:

где, с, [кг/м3] - плотность теплоносителя; a, [м/с] - скорость звука в потоке теплоносителя; W, [м³/с] - объемная скорость теплоносителя; S, [м²] - площадь поперечного сечения участка; Дp, [Па] - гидравлическое сопротивление.

Расчет ППЧ производится по следующей формуле:

Расчеты СЧКДТ в активной зоне проведены для различных типов реактора по разработанным методикам [5]. Результаты расчетов СЧКДТ для ВВЭР-1700, ВВЭР-1200 и для ВВЭР-1000 приведены в таблице 3.

Таблица 3 Результаты расчетов СЧКДТ при номинальном режиме для различных типов реактора

Рис. 2. Схема охлаждения реактора с тепловым спектром нейтронов

В работе [1], в которой проводился модальный анализ как цельного ТВС, так и элементов ТВС в отдельности, указывается, что собственная частота колебаний рассматриваемых макетов ТВС варьируется от 5 до 45 Гц, в зависимости от формы колебания (Таблица 4).

Из таблицы 3 видно, что СЧКДТ в активной зоне реактора ВВЭР-1000 существенно ниже, чем СЧКДТ в активных зонах ВВЭР-1700 и ВВЭР-1200.

При эксплуатации ВВВЭР-1000 в номинальном режиме, значения СЧКДТ существенно отличаются от частот собственных колебаний ТВС и этим определяется отсутствие резонансов колебаний теплоносителя и ТВС и высокая эксплуатационная надежность этих реакторов.

В таблице 5 приведены результаты расчетов добротности, СЧКДТ, полосы пропускания и частоты на её границах для ТВС расположенных в периферийной и центральной частях активной зоны.

Таблица 4 Собственные частоты макетов ТВС реакторов ВВЭР [1]

Таблица 5 Диапазон частот в ПП акустических колебаний

Из таблицы 5 следует, что величина ПП для СЧКДТ в ТВС периферийной зоны составляет 11,7 Гц. Таким образом, нижняя граница ПП, относительно СЧКДТ в ТВС периферийной зоны, равна f₁ = (21,0 - 11,7/2) Гц = 15,15 Гц, а верхняя граница ПП равна f₂ = (21,0+11,7/2) Гц = 26,85 Гц. Нижняя граница, относительно СЧКДТ в ТВС центральной зоны, равна f₁ = (24,1- 6,7) Гц = 17,4 Гц, а верхняя граница ПП равна f₂ = (24,1+6,7) Гц = 30,8 Гц. В работе [5] показано, что в ПП СЧКДТ амплитуды колебаний скорости и давления теплоносителя имеют значения не менее 0,717 от максимального значения, которое достигается при равенстве СЧКДТ собственным частотам колебаний макетов ТВС.

Из сопоставления результатов приведенных в таблицах 4 и 5 следует, что в ПП СЧКДТ периферийной зоны попадают собственные частоты ниже указанных форм колебаний:

· УТВС и ТВС-2М ВВЭР-1000, соответствующие 2-ой крутильной, 3-ей изгибной, 3-ей крутильной и 4-ой изгибной формам колебаний;

· ТВС ВВЭР-1500, соответствующие 3-ей крутильной, 4-ой изгибной и 5-ой изгибной формам колебаний.

В ПП СЧКДТ центральной зоны попадают собственные частоты ниже указанных форм колебаний:

· УТВС ВВЭР-1000, соответствующие 3-ей изгибной, 3-ей крутильной и 4-ой изгибной формам колебаний;

· ТВС-2М ВВЭР-1000, ТВС ВВЭР-1500, соответствующие 3-ей крутильной, 4-ой изгибной и 5-ой изгибной формам колебаний.

В этом же диапазоне частот находятся собственные частоты колебаний шахты и выгородки активной зоны ВВЭР-1000 [6].

Проведенный анализ показывает, что использование ВКУ и УТВС ВВЭР-1000, ТВС-2М ВВЭР-1000 и ТВС ВВЭР-1500 в условиях номинального режима работы реакторов типа ВВЭР-1700 и ВВЭР-1200 нового поколения при сверхкритических параметрах теплоносителя будет сопровождаться повышенным уровнем вибраций ТВС и ВКУ.

Список литературы

1. В.В. Макаров, А.В. Афанасьев, И.В. Матвиенко, «Модальный анализ макетов ТВС реакторов ВВЭР при силовом и кинематическом возбуждении вибрации» //5-ая международная научно-техническая конференция "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР" //, ФГУП ОКБ "Гидропресс", 29 мая - 1 июня 2007 г.

2. К.Н. Проскуряков, «Теплогидравлическое возбуждение колебаний теплоносителя во внутрикорпусных устройствах ядерных энергетических установок», - М.: МЭИ, 1984.

3. Ю.Д. Баранаев, А.П. Глебов, А.В. Клушин, В.Я. Козлов, В.М. Махин, С.Н. Кобелев, С.В. Семиглазов, В.В. Вьялицин, «Реакторы, охлаждаемые водой сверхкритического давления при двухходовой схеме движения теплоносителя» // отраслевой научно-технический семинар "Реакторы на сверхкритических параметрах воды ФГУП", ГНЦ РФ ФЭИ, ФГУП ОКБ "Гидропресс", 7 сентября 2007г.

4. K.N. Proskuryakov, K.S. Novikov, The Causes of High Cyclic Dynamical Loadings Increasing in Water Cooled Water Moderated Reactors.NUTHOS-7: The 7th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics, Operation and SafetySeoul, Korea, October 5-9, 2008

5. К.Н. Проскуряков, Использование виброакустических шумов для диагностики технологических процессов в АЭС, Изд. МЭИ, Москва, 1999г.

6. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Усанов А.И. Виброшумовая диагностика ВВЭР. М. Энергоатомиздат, 2004.

Размещено на Allbest.ru