Использование инженерного коэффициента запаса по критическому тепловому потоку в теплогидравлических расчетах

Размещено на http://www.allbest.ru/

использование инженерного коэффициента запаса по критическому тепловому потоку в Теплогидравлических расчетах

Л.Л. Кобзарь, Д.А. Олексюк, Л.Н. Шишков

РНЦ «Курчатовский институт». Москва

Введение

Для использования в поячейковых теплогидравлических расчетах предлагается параметр, называемый инженерным коэффициентом запаса по критическому тепловому потоку. При определении этого параметра статистически учитывается влияние на критический тепловой поток различных методических и механических факторов, традиционно учитывающихся при определении инженерных коэффициентов запаса по подогреву теплоносителя.

В сравнительных расчетах показано, как изменяется запас до кризиса теплоотдачи при различных подходах к учету факторов, влияющих на подогрев теплоносителя и критический тепловой поток.

При создании новых реакторов и при повышении мощности действующих энергоблоков требуется более точно и обоснованно вычислять запасы до кризиса теплоотдачи (DNBR). Это связано с необходимостью уменьшения реальных запасов и приближения расчётных запасов к установленным пределам. Существует несколько путей уточнения расчётных значений DNBR. Во-первых, это улучшение (уточнение) корреляции для расчёта критического теплового потока, что включает в себя и проведение достаточного объема экспериментальных исследований, и уточнение влияния на кризис теплоотдачи различных факторов (профиля энерговыделения, дистанционирующих и перемешивающих решеток), во-вторых, совершенствование самой методики расчёта DNBR. Данная работа посвящена одному из аспектов расчётной методики, а именно, использованию инженерных коэффициентов при определении запасов до кризиса теплоотдачи.

Минимальный запас до кризиса теплоотдачи рассчитывается как отношение критического теплового потока, вычисленного по используемой в проектных расчётах ВВЭР корреляции ОКБ ГП [1], к максимальному значению теплового потока с поверхности твэла. Критический тепловой поток рассчитывается по подогреву теплоносителя, определяемому с использованием инженерного коэффициента запаса по подогреву , а максимальный тепловой поток рассчитывается с использованием инженерного коэффициент запаса по тепловому потоку . Детерминистски или статистически учитывается влияние на критические тепловые потоки отклонений в проектных пределах в неблагоприятную сторону основных режимных параметров.

В данной работе предлагается при определении запасов до кризиса теплоотдачи использовать вместо инженерного коэффициента запаса по подогреву теплоносителя инженерный коэффициент запаса по критическому тепловому потоку, который включает в себя влияние различных механических и методических факторов непосредственно на значение расчётного критического теплового потока.

1. Методика расчёта инженерного коэффициента запаса по критическому тепловому потоку

Расчёты теплогидравлических характеристик активной зоны реактора обычно выполняются с использованием номинальных геометрических размеров и физических свойств твэлов и кассет. Реально же геометрические размеры и физические характеристики могут принимать любые (в пределах допусков) значения, что может влиять на характеристики активной зоны. Свою долю неопределённости вносят методические составляющие. Учёт неточности изготовления элементов активной зоны или определения различных параметров, влияющих на безопасность эксплуатации РУ, производится с помощью инженерных коэффициентов запаса.

При определении инженерных коэффициентов запаса по критическому тепловому потоку рассматриваются отклонения в пределах допусков всех факторов, которые могут повлиять на значение критического теплового потока. Отклонения задаются в неблагоприятную сторону, то есть так, чтобы критический тепловой поток уменьшался. При расчете инженерного коэффициента запаса рассматриваются самые «горячие» теплогидравлические ячейки в пределах каждого из характерных типов ячеек.

Снижение расчетного значения критического теплового потока может быть связано со снижением проходного сечения (и расхода теплоносителя) за счет увеличения наружных диаметров твэлов и направляющих каналов, а также за счет уменьшения шага расположения твэлов. Отклонения размеров элементов дистанционирующих решеток и изменение состояния поверхности твэлов и НК не изменяют проходного сечения ячеек, но могут увеличивать гидравлическое сопротивление отдельных ячеек и ТВС в целом. На периферии ТВС неблагоприятное изменение рассматриваемых теплофизических параметров может быть вызвано изменением зазоров между кассетами. При сближении кассет снижаются расходы и увеличиваются подогревы теплоносителя в периферийных ячейках, несмотря на то, что энерговыделение периферийных твэлов снижается. При увеличении зазора между кассетами расход теплоносителя в периферийных ячейках возрастает, однако из-за увеличения энерговыделения в периферийных твэлах подогревы теплоносителя в отдельных ячейках могут повышаться. Изменение локального критического теплового потока будет определяться одновременным изменением относительных энтальпий и массовых скоростей теплоносителя в ячейках пучка.

Суммарный эффект всех факторов для данного типа ячейки определяется путем статистического суммирования.

Факторы, влияющие на теплофизические характеристики и определяющие значение инженерного коэффициента запаса по критическому тепловому потоку , разделяются на два вида - методические и механические.

Влияние возможных обратных связей (например, температура теплоносителя - энерговыделение, диаметр твэла - энерговыделение) не учитывалось.

Процедура расчетов состоит в следующем.

Сначала проводится базовый расчет кассеты без учета отклонений, изменяющих рассматриваемые характеристики в неблагоприятную сторону (уменьшающих критический тепловой поток). Из базового расчета определяется для самых “горячих” ячеек n-го типа (ячеек с минимальным запасом до кризиса теплоотдачи) разного типа. Характерные типы ячеек в ТВС реактора ВВЭР-1000 показаны на рисунке 1.

Затем проводится набор расчетов, в каждом из которых вводится один из факторов, влияющих на критический тепловой поток в «горячих» ячейках разного типа. Из каждого варианта расчета определяется и .

Для каждого расчета относительные погрешности критического теплового потока в «горячей» ячейке данного типа находятся с односторонней доверительной вероятностью не менее 95 % по следующим соотношениям:

и (1)

Наименьшие запасы до кризиса теплоотдачи имеют в большинстве случаев ячейки, расположенные у НК и ЦТ, поэтому в качестве примера расчёта составляющих ниже будут приведены данные для таких ячеек кассеты реактора ВВЭР-1000.

Методические коэффициенты запаса по критическому тепловому потоку имеют три составляющие. Первая составляющая отражает влияние на величину критического теплового потока методической погрешности расчета мощности кассеты (), вторая - влияние методической погрешности расчета мощности твэла в пределах кассеты (). Третья составляющая обусловлена методической погрешностью расчета критического теплового потока используемой программой SC-1 ().

Методическая погрешность расчета мощности кассеты зависит от мощности кассеты и для кассет с K_q 1,3 составляет 3,78 % (1,645). Методическая погрешность расчета мощности твэла в пределах ТВС составляет 3,30 % (1,645) вне зависимости от мощности кассеты. Погрешность расчета по программе SC-1 [2] критического теплового потока составляет 10,80 % (1,645).

Относительные отклонения критического теплового потока за счет перечисленных выше погрешностей расчета для «горячей» ячейки расположенной у НК приведены в таблице 1.

Типы ячеек

Тип 1 (МТ) - все межтвэльные ячейки, кроме МТП (например, ячейка № 7);

Тип 2 (НК) - ячейки около НК и ЦТ (например, ячейка №1 или №26);

Тип 3 (П) - периферийные ячейки (например, ячейка №602);

Тип 4 (У) - угловые ячейки (например, ячейка номер №601);

Тип 5 (МТП) - межтвэльные ячейки, граничащие с периферийными и угловыми (например, ячейка №489);

Рис. 1 Разбиение на ячейки поперечного сечения ТВС реактора ВВЭР-1000

Значения методических коэффициентов запаса по критическому тепловому потоку для ячейки n-го типа определяется как статистическая сумма составляющих, приведенных в таблице 1.

, (2)

К механическим составляющим коэффициента запаса по критическому тепловому потоку относятся следующие факторы:

- увеличение наружного диаметра твэла до максимального значения;

- увеличение наружного диаметра направляющего канала до максимального значения;

- уменьшение шага между твэлами до минимального значения значения;

- обусловленная механическими факторами погрешности мощность энерговыделения кассеты;

- обусловлення механическими факторами погрешность расчета относительной мощности “горячего” твэла в пределах “горячей” кассеты;

- погрешность определения коэффициента гидравлического сопротивления ТВС;

- погрешность расчета распределения гидравлического сопротивления по ячейкам ТВС;

- изменение ширины межкассетных зазоров.

Величина вероятного значения механического коэффициента запаса для ячейки n-го типа определяется с использованием статистической суммы относительных отклонений, приведенных в таблице 1, аналогичного выражению (2). При этом учитывается, что составляющие, которые относятся к диаметру и мощности твэлов, контактирующих с рассматриваемой ячейкой, учитываются столько раз, сколько имеется твэлов в ячейке, а составляющая, определяющая изменение шага между твэлами - столько раз, сколько пар стержней находится в ячейке.

Таблица 1

Результаты расчета инженерных коэффициентов запаса и их составляющих для ячейки около НК ТВС реактора ВВЭР-1000

2. Примеры использования инженерного коэффициента запаса по критическому тепловому потоку

В настоящий момент, в большинстве случаев, запас до наступления кризиса теплоотдачи определяется выражением:

(3)

где q_real - действительный локальный тепловой поток с самого «горячего» твэла рассматриваемой ячейки;

x_h - относительная энтальпия теплоносителя в ячейке; при определении x_h на каждом расчетном аксиальном интервале подогревы теплоносителя, рассчитанные по реальному тепловыделению, умножаются на инженерный коэффициент запаса по подогреву теплоносителя ;

- инженерный коэффициент запаса по тепловому потоку;

- предельная погрешность расчета критического теплового потока по нижней границе с односторонней доверительной вероятностью 95 %, определяемая по соотношению: = 1,645+;

- среднеквадратичная погрешность формулы;

- среднеарифметическая погрешность формулы [1];

= 6,9 %; = - 0,6 % ;

Предлагается вычислять запас до наступления кризиса теплоотдачи по следующему выражению:

(4)

где x - относительная энтальпия теплоносителя в ячейке, рассчитанная по реальному тепловыделению;

- инженерный коэффициент запаса по критическому тепловому потоку.

Пример с результатами использования в расчётах DNBR инженерного коэффициент запаса по критическому тепловому потоку представлен в таблице 2. Расчёт проведен для кассеты реактора ВВЭР-1000 с увеличенной на 10% мощностью установки. В расчёте были заданы входные параметры теплоносителя и мощность ТВС с отклонением в неблагоприятную сторону. Использование этого коэффициента позволяет увеличить расчётные запасы для наиболее «горячих» ячеек более, чем на 10%, по сравнению с вариантом, использующим инженерный коэффициент запаса по подогреву теплоносителя.

Таблица 2

Запасы до кризиса теплоотдачи по типам ячеек (вариант расчёта для ТВС ВВЭР-1000 при увеличении мощности реактора до 110% номинальной)

3. Статистический подход к учёту отклонений интегральных параметров реактора

Выше при определении перечня факторов, определяющих значения инженерных коэффициентов запаса, принималось во внимание, что этими коэффициентами традиционно учитываются только погрешности, обусловленные особенностями тепловыделяющей сборки и неточностью программ, предназначенных для расчета активной зоны. Отклонения режимных параметров применялись как детерминистские величины, то есть, в расчёте задавались наихудшие с точки зрения DNBR комбинации интегральных параметров. В данном разделе перечень факторов для определения инженерного коэффициента запаса был дополнен рассмотрением погрешностей расчета критического теплового потока, обусловленных погрешностями режимных параметров. К таким факторам были отнесены:

- учет повышения тепловой мощности реактора в пределах погрешности поддержания и определения;

- учет понижения расхода теплоносителя через реактор в пределах погрешности поддержания и определения;

- учет повышения температуры теплоносителя на входе в реактор в пределах погрешности поддержания и определения;

- учет понижения давления на выходе из активной зоны в пределах погрешности поддержания и определения.

В таблице 3 представлены значения составляющих инженерного коэффициента запаса по критическому тепловому потоку, обусловленные отклонениями режимных параметров. В нижней строке приведен полный инженерный коэффициент при статистическом учёте отклонений режимных параметров. Нетрудно заметить, что по сравнению с инженерным коэффициентом из таблицы 1 произошли небольшие изменения ( изменился с 0,87 до 0,86), но при расчёте DNBR используются параметры без отклонений, что приводит к значительному увеличению запасов до кризиса теплоотдачи. Для представленного в таблице 2 варианта расчёта выигрыш в DNBR составляет 20-25%.

Таблица 3

Результаты расчета инженерных коэффициентов запаса и их составляющих, обусловленных отклонениями режимных параметров для ячейки около НК ТВС реактора ВВЭР-1000

Заключение

теплофизический инженерный запас тепловой

Показана возможность перехода в расчётах DNBR к использованию инженерного коэффициента запаса по критическому тепловому потоку.

В приведенном примере использования для расчёта запасов до кризиса в кассете реактора ВВЭР-1000 выигрыш в расчётном запасе DNBR составил 11% для ячеек около направляющих каналов, которые являются наиболее опасными с точки зрения возникновения кризиса теплоотдачи.

Статистический учёта в составе инженерного коэффициента запаса по критическому тепловому потоку отклонений режимных параметров дает выигрыш в расчётном DNBR 20-25%.

Представленная методика расчёта запасов до кризиса теплоотдачи может быть использована для уменьшения консерватизма при анализе безопасности РУ.

Список литературы

1. В.И.Астахов, Ю.А. Безруков, С.А. Логвинов, В.Г. Брантов. Исследование влияния профиля тепловыделения по длине на кризис теплообмена в пучках стержней. В сб. «Семинар ТФ-78. Теплофизические исследования для обоснования надежности и безопасности ядерных реакторов водо-водяного типа». Будапешт, 1978.

2. Кобзарь Л.Л., Олексюк Д.А. Развитие и верификация программы SC-1, предназначенной для поячейкового теплогидравлического расчета активных зон ВВЭР / Сб. докладов на 2-й Всероссийской научно-технической конференции “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР”, Подольск, 2001.

Размещено на Allbest.ru