Исследования межкассетного взаимодействия теплоносителя между соседними ТВСА активной зоны реактора ВВЭР–1000 АЭС "Темелин"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследования межкассетного взаимодействия теплоносителя между соседними ТВСА активной зоны реактора ВВЭР-1000 АЭС «Темелин»

Введение

межкассетный теплоноситель реактор

Актуальной задачей для ГК «Росатом» является увеличение доли присутствия российских компаний на международном рынке. Укрепление позиций невозможно без совершенствования поставляемого оборудования, в том числе оптимизации конструкции тепловыделяющих сборок (ТВС).

АО «ОКБМ Африкантов» осуществляет разработку и проектирование ТВС для реакторов типа ВВЭР, расположенных как в России, так и за ее пределами. Одним из партнеров предприятия является чешская АЭС «Темелин», активная зона первого блока которой эксплуатируется с полной загрузкой из ТВСА-Т. Конструкция ТВСА-Т характеризуется применением комбинированных дистанционирующих решеток (КДР), состоящих из ячейковой дистанционирующей решетки (ДР) и пластинчатой перемешивающей решетки (ПР) с размещением дефлекторов по схеме «закрутка».

В настоящее время произведена частичная замена ТВСА-Т на более совершенную ТВСА-12 PLUS, которая отличается оптимизированным размещением ДР и применением ПР с размещением дефлекторов по схеме «порядная прогонка» [1].

Поскольку оба типа ТВС являются бесчехловыми, перемешивание теплоносителя происходит не только в пределах одной кассеты, но и между соседними кассетами. Данное явление необходимо учитывать в процессе оценки и обоснования теплотехнической надежности активной зоны реактора ВВЭР, что обусловило необходимость проведения комплекса исследований межкассетного взаимодействия теплоносителя [2].

Экспериментальный стенд

Для исследования межкассетного взаимодействия теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР в НГТУ им. Р.Е. Алексеева был создан аэродинамический экспериментальный стенд, представляющий собой разомкнутый контур, через который прокачивается воздух. В состав стенда входят: вентилятор высокого давления, ресиверная емкость, экспериментальная модель (ЭМ), расходомерное устройство, система подачи и отбора трассера, измерительный комплекс [3].

Во время работы стенда воздух посредством вентилятора высокого давления нагнетается в ресиверную емкость, далее проходит успокоительный участок, ЭМ и выбрасывается в атмосферу.

Исследования локальных гидродинамических характеристик потока теплоносителя внутри трубного пучка ЭМ заключались в измерении модуля вектора скорости, углов набегания потока и статического давления [4].

Изучение межъячеечного массообмена потока теплоносителя в ЭМ проводилось с применением метода диффузии примесей [5]. Данный метод основан на регистрации поперечного потока массы по некоторой переносимой субстанции. В качестве примеси выбран пропан, поскольку он обладает наиболее близкими к воздуху свойствами, возможностью быстрой и достаточно точной регистрации. Пропан подается в характерную ячейку пучка твэлов, после чего отслеживается его распространение по сечениям и длине ЭМ.

ЭМ, представляет собой фрагмент активной зоны реактора ВВЭР, включающий в себя сегменты двух топливных кассет ТВСА-12 PLUS, один сегмент кассеты ТВСА-Т и межкассетное пространство. ЭМ выполнена с соблюдением полного геометрического подобия.

Пояс ПР ТВСА-12 PLUS имеет турбулизирующие дефлекторы, расположенные по схеме «порядная прогонка», угол отгиба турбулизирующего дефлектора составляет 30є. Пояс КДР ТВСА-Т снабжен турбулизирующими дефлекторами, расположенными по схеме «закрутка вокруг твэла», угол отгиба турбулизирующего дефлектора составляет 38є.

Измерительный комплекс

В состав измерительного комплекса входят: газоанализатор, расходомер газа, ЭВМ с программным обеспечением, трубка Пито-Прандтля, пятиканальный пневмометрический зонд, блок аналоговых преобразователей давления.

Измерения концентрации углеводородов C_nH_m в газо-воздушной смеси осуществлялись газоанализатором. Принцип измерения C_nH_m основан на измерении величины поглощения инфракрасного излучения. Диапазон измеряемых концентраций 0 - 10000 ppm, погрешности измерений с учетом индивидуальной градуировки равны ±15 ppm (0 - 1000 ppm) и ±1,5% (1000 - 10000 ppm) [6].

Поддержание заданного расхода газа - трассера осуществлялось массовым расходомером, позволяющим измерять и регулировать потоки газов. Погрешность составляла не более 0,5%.

Измерение вектора скорости потока теплоносителя осуществлялось пятиканальным пневмометрическим зондом. Предельные отклонения проекций абсолютной скорости на оси X, Y, Z не превышали 7% от абсолютной скорости.

Отбор проб трассера в газоанализатор осуществлялся с помощью отборного зонда, выполненного в виде трубки Пито-Прандтля.

Снятие показаний с пятиканального пневмометрического зонда производилось блоком аналоговых преобразователей давления. Предел допускаемой основной погрешности данных приборов составляет ±0,25%.

Методика проведения исследований

Исследования межкассетного взаимодействия теплоносителя между соседними ТВСА активной зоны реактора ВВЭР включали следующие этапы:

1. Изучение межкассетного взаимодействия теплоносителя на ЭМ фрагмента активной зоны реактора ВВЭР, состоящего из двух сегментов ТВСА-12 PLUS и одного сегмента ТВСА-Т.

2. Изучение межкассетного взаимодействия теплоносителя на ЭМ фрагмента активной зоны реактора ВВЭР, состоящего из трех сегментов ТВСА-12 PLUS.

Методика исследований межкассетного взаимодействия теплоносителя на ЭМ фрагмента активной зоны реактора ВВЭР, состоящего из ТВСА-12 PLUS и ТВСА-Т, заключалась в следующем:

1. Экспериментальные исследования проводились в выделенной области межкассетного зазора ЭМ для верхнего и нижнего фрагмента активной части ТВСА-12 PLUS и ТВСА-Т (рисунки 1-2).

2. С помощью пятиканального пневмометрического зонда за поясами КДР и ПР измерялись локальные поля скорости потока в 24 сечениях по длине ЭМ.

3. По полученным данным строились графики распределения проекций составляющих абсолютной скорости.

Рисунок 1 - Схема расположения ДР, КДР в нижнем фрагменте активной части ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS

Рисунок 2 - Схема расположения ПР, ДР и КДР в верхнем фрагменте активной части ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS

Методика проведения исследований локального массообмена теплоносителя заключалась в следующем: газовый трассер через впускной зонд подавался в характерные ячейки области межкассетного зазора ЭМ до поясов ПР по ходу течения потока теплоносителя; с помощью отборного зонда производился замер концентрации трассера газоанализатором по центрам всех ячеек в характерных сечениях по длине ЭМ, затем на основе полученных данных строились картограммы и графики зависимости распределения концентрации трассера от относительной координаты. По полученным данным была получена подробная картина течения потока теплоносителя.

Обоснование представительности экспериментальных исследований

Важным этапом проведения экспериментальных исследований является подтверждение их представительности. Поскольку моделирование течения теплоносителя осуществляется воздухом на основе теории гидродинамического моделирования, можно утверждать, что в области автомодельности профиль относительной скорости (w_лок/w_{ср.расх}) остается практически неизменным. Следовательно, проведение исследований межкассетного взаимодействия теплоносителя на ЭМ в зоне автомодельности позволит перенести результаты эксперимента на натурные условия течения теплоносителя в штатных активных зонах. Для этого был проведен ряд испытаний, направленных на определение режимов течения теплоносителя в ЭМ, нахождение границ зон автомодельного течения теплоносителя и определение коэффициента местного гидравлического сопротивления ПР, ДР, КДР. По полученным результатам область автомодельного течения в ЭМ начинается в диапазоне чисел Re = (5-5,5)•10⁴, а все исследования межкассетного взаимодействия теплоносителя проводились при числе Re равном 80000 на участке стабилизированного автомодельного течения теплоносителя.

Результаты исследований межкассетного взаимодействия теплоносителя в нижнем фрагменте активной части ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS

Анализ результатов экспериментальных исследований межкассетного взаимодействия в нижнем фрагменте активной части ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS позволил сделать следующие выводы:

1. В области межкассетного пространства ЭМ отмечено, что перед КДР ТВСА-Т поперечный поток движется в ТВСА-12 PLUS, а перед ДР ТВСА-12 PLUS наоборот. Максимальное значение поперечной составляющей вектора скорости перед КДР и ДР соответствующих кассет одинаково, и составляет 30% от среднерасходной скорости (рисунок 3).

Рисунок 3 - Распределение относительной скорости в межкассетном пространстве ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS

2. В зазорах между твэлами, прилежащими к межкассетному пространству, перед КДР ТВСА-Т поперечный поток теплоносителя движется в ТВСА-12 PLUS, а перед ДР ТВСА-12 PLUS наоборот. Максимальная поперечная составляющая вектора скорости перед КДР и ДР соответствующих кассет одинакова, и составляет 40% от среднерасходной скорости (рисунки 4-5).

Рисунок 4 - Распределение относительной скорости в ряду твэлов ТВСА-12 PLUS, прилежащем к межкассетному пространству

Рисунок 5 - Распределение относительной скорости в ряду твэлов ТВСА-Т, прилежащем к межкассетному пространству

3. Глубина распространения возмущений потока теплоносителя в кассеты ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS, вызванных обтеканием ДР и КДР, ограничивается четырьмя рядами твэлов.

Результаты исследований межкассетного взаимодействия теплоносителя в верхнем фрагменте активной части ТВСА-Т и ТВСА-2 PLUS

Основным отличием нижнего и верхнего фрагментов активной части ТВСА-12 PLUS и ТВСА-Т является применение в ТВСА-12 PLUS ПР.

Конструкция ПР ТВСА-12 PLUS предусматривает два варианта расположения дефлекторов (рисунок 6), организующих течение потока теплоносителя.

а) б)

а - «вертикальное» расположение дефлектора, б - «наклонное» расположение дефлектора

Рисунок 6 - Стандартная ячейка с различными вариантами расположения дефлектора ПР ТВСА-12 PLUS

1. По результатам измерения вектора скорости в области межкассетного пространства верхнего фрагмента активной части ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS выявлено:

а) в области межкассетного пространства перед КДР ТВСА-Т поперечный поток движется в ТВСА-12 PLUS, а перед ПР и ДР ТВСА-12 PLUS наоборот. Значение поперечной составляющей вектора скорости в данной области перед КДР и ПР составляет 30% от среднерасходной скорости (рисунок 7);

б) в областях межкассетного пространства, граничащих с ячейками ТВСА-12 PLUS с «вертикальным» расположением дефлекторов, значение поперечной составляющей вектора скорости перед ДР достигает 30% от среднерасходной скорости, а в областях, граничащих с ячейками, имеющими «наклонное» расположение дефлекторов, значение поперечной составляющей вектора скорости перед ДР составляет 15% от среднерасходной скорости (рисунок 7).

Рисунок 7 - Распределение относительно скоростей в межкассетном пространстве ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS

2. В зазорах между твэлами ТВСА-12 PLUS, прилежащими к межкассетному пространству, реализуется максимальный поперечный поток теплоносителя, который вызван обтеканием КДР ТВСА-Т и направлен в ТВСА-12 PLUS. Значение поперечной составляющей вектора скорости перед КДР составляет 50% от среднерасходной скорости (рисунки 8-9).

3. На формирование потока теплоносителя за ПР ТВСА-12 PLUS, помимо поперечного потока теплоносителя, вызванного обтеканием ДР, оказывает влияние расположение турбулизирующих дефлекторов. В зазорах между твэлами ТВСА-12 PLUS, прилежащими к межкассетному пространству, с «вертикальным» расположением дефлекторов ПР поперечная составляющая вектора скорости составляет 50% от среднерасходной скорости, а с «наклонным» расположением дефлекторов ПР поперечная составляющая вектора скорости составляет 30% от среднерасходной скорости (рисунки 8-9).

Рисунок 8 - Распределение относительной скорости в зазорах между твэлами ТВСА-12 PLUS с «вертикальным» расположением дефлекторов ПР

Рисунок 9 - Распределение относительной скорости в зазорах между твэлами ТВСА-12 PLUS с «наклонным» расположением дефлекторов ПР

4. Результаты измерения вектора скорости в ряду твэлов ТВСА-Т, прилежащем к межкассетному пространству, показали, что в зазорах между твэлами непосредственно перед КДР ТВСА-Т реализуется поперечный поток теплоносителя, движущийся в ТВСА-12 PLUS, а перед ДР ТВСА-12 PLUS наоборот. Поперечная составляющая вектора скорости перед КДР составляет 20% от среднерасходной скорости, а перед ДР =30% от среднерасходной скорости (рисунок 10).

Рисунок 10 - Распределение относительной скорости в ряду твэлов ТВСА-Т, прилежащем к межкассетному пространству

5. Глубина распространения возмущений потока теплоносителя в ТВСА-12 PLUS и ТВСА-Т, вызванных обтеканием КДР, ограничивается тремя рядами твэлов.

6. В ТВСА-12 PLUS и ТВСА-Т возмущения потока теплоносителя, вызванные обтеканием ДР распространились до четвертого ряда твэлов каждой из кассет.

Результаты исследования межкассетного взаимодействия теплоносителя между соседними ТВСА-12 PLUS

Комплексный анализ результатов экспериментальных исследований межкассетного взаимодействия между соседними ТВСА-12 PLUS при подаче трассера в межкассетный зазор позволил заключить следующее:

1. В области межкассетного зазора происходит процесс вытеснения части потока теплоносителя из-под уголков жесткости (рисунок 11).

Рисунок 11 - Распределение концентрации трассера по длине ЭМ при подаче трассера в межкассетный зазор

2. В области ряда твэлов ТВСА-12 PLUS, прилежащего к межкассетному пространству, на движение потока теплоносителя помимо дефлекторов оказывают влияние зубчатые края обода ПР. Интенсивность массообменных процессов в данной области выше в тех ячейках, где ориентация турбулизирующих дефлекторов и зубчатых краев обода ПР совпадает (рисунок 12).

Рисунок 12- Распределение концентрации трассера по длине ЭМ для области ряда твэлов ТВСА-12 PLUS, прилежащего к межкассетному пространству, при подаче трассера в межкассетный зазор

3. Установлено, что перераспределение потока теплоносителя из области межкассетного зазора в соседние ТВСА-12 PLUS охватывает два ряда твэлов (рисунок 13).

Рисунок 13 - Распределение концентрации трассера в выходном сечении ЭМ при подаче трассера в межкассетный зазор

Анализ результатов исследований межкассетного взаимодействия между соседними ТВСА-12 PLUS при подаче трассера в ячейку ряда твэлов, прилежащего к межкассетному пространству, позволил заключить следующее:

1. Трассер из зоны подачи распространился в соседнюю кассету ТВСА-12 PLUS, охватив два периферийных ряда твэлов (рисунок 14). Данный факт говорит о "существенном" перераспределение теплоносителя при межкассетном взаимодействии между двумя ТВСА-12 PLUS.

Рисунок 14 - Распределение концентрации трассера в выходном сечении ЭМ при подаче трассера в ячейку ряда твэлов, прилежащего к межкассетному пространству ТВСА-12 PLUS

2. В области ряда твэлов ТВСА-12 PLUS, прилежащего к межкассетному пространству, наблюдается направленное внутрь кассеты движение потока теплоносителя, обусловленное соответствующим расположение зубчатых краев обода ПР. Данное явление негативно сказывается на интенсивности межкассетного взаимодействия теплоносителя (рисунок 15).

Рисунок 15 _ Распределение концентрации трассера по длине ЭМ при подаче трассера в ячейку ряда твэлов, прилежащего к межкассетному пространству ТВСА-12 PLUS

3. Анализ распределения расхода теплоносителя проводился в области межкассетного зазора ТВСА-12 PLUS. Была определена осевая скорость и рассчитаны расходы теплоносителя через ячейки выделенной области с учетом площади их проходного сечения.

Конструкция ПР ТВСА-12 PLUS предусматривает два варианта взаимного расположения дефлектора и зубчатого края обода ПР (рисунок 16), организующих течение потока теплоносителя в области межкассетного зазора.

а) б)

а) противоположное расположение дефлектора и края обода ПР; б) сонаправленное расположение дефлектора и края обода ПР

Рисунок 16 - Участки кассеты ТВСА-12 PLUS с различным взаимным расположением дефлекторов и зубчатых краев обода ПР

Анализ распределения расходов теплоносителя позволил заключить, что в области кассеты ТВСА-12 PLUS с противоположным расположением дефлектора и зубчатого края обода ПР наблюдается уменьшение расхода теплоносителя на 10%, а в областях сонаправленным расположением дефлектора и зубчатого края обода ПР наоборот.

Заключение

На основе комплексного анализа экспериментальных данных по исследованию межкассетного взаимодействия теплоносителя между соседними ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS сделаны следующие выводы:

1. В области межкассетного пространства нижнего фрагмента активной части ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS перед КДР ТВСА-Т поперечный поток движется в ТВСА-12 PLUS, а перед ДР ТВСА-12 PLUS наоборот. Максимальное значение поперечной составляющей вектора скорости составляет 30% от среднерасходной скорости.

2. В зонах межкассетного пространства верхнего фрагмента активной части ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS, граничащих с ячейками ТВСА-12 PLUS с «вертикальным» расположением дефлектора ПР, поперечная составляющая вектора скорости составляет 30% от среднерасходной скорости, а в зонах, граничащих с ячейками с «наклонным» расположением дефлектора ПР, 15% от среднерасходной скорости.

3. Максимальное значение поперечной составляющей вектора скорости в нижнем и верхнем фрагментах активной части ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS реализуется в зазорах между твэлами, прилежащих к межкассетному пространству. Значение поперечной составляющей вектора скорости составляет (40-50) % от среднерасходной скорости.

4. Максимальное распространение возмущений поперечной составляющей вектора скорости потока теплоносителя в нижнем и верхнем фрагментах активной части ТВСА-Т и ТВСА-12 PLUS ограничивается четырьмя рядами твэлов.

Анализ экспериментальных данных по исследованию межкассетного взаимодействия теплоносителя между соседними ТВСА-12 PLUS позволил сделать следующие выводы:

1. В области ряда твэлов ТВСА-12 PLUS, прилежащего к межкассетному пространству, наблюдается направленное движение потока теплоносителя, обусловленное соответствующим расположением зубчатых краев обода ПР. Интенсивность массообменных процессов в данной области выше в тех ячейках, где ориентация дефлекторов и зубчатых краев обода ПР совпадает.

2. В области межкассетного зазора происходит вытеснение части потока теплоносителя из-под уголков жесткости кассет ТВСА-12 PLUS.

3. В области кассеты ТВСА-12 PLUS с противоположным расположением дефлектора и зубчатого края обода ПР наблюдается уменьшение расхода теплоносителя на 10%, а в областях с сонаправленным расположением дефлектора и зубчатого края обода ПР наоборот.

Полученные результаты могут быть использованы в качестве базы данных для верификации CFD-кодов и программ детального поячеечного расчета активных зон водо_водяных ядерных реакторов с целью уменьшения консерватизма при обосновании теплотехнической надежности активных зон.

Список использованной литературы

1. Дмитриев, С.М. Основное оборудование АЭС с корпусными реакторами на тепловых нейтронах/ С.М. Дмитриев [и.т.д.] - М.: Машиностроение. - 2013.

2. К вопросу о методологии обоснования теплотехнической надежности активных зон водяных энергетических реакторов / А.А. Баринов [и др.] // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - 2014. - №2. - С. 98-108.

3. Экспериментальные исследования гидродинамических и массообменных характеристик потока теплоносителя в ТВСА ВВЭР / С.С. Бородин [и др.] // Атомная энергия. - 2012. - Т. 113. - Вып. 5. - С. 252-257.

4. Расчетно-экспериментальные исследования локальной гидродинамики и массообмена потока теплоносителя в ТВС-Квадрат реакторов PWR с перемешивающими решетками / А.В. Варенцов [и др] // Теплоэнергетика. - 2014. - №8. - С. 20-27.

5. Жуков, А.В. Межканальный обмен в ТВС быстрых реакторов: Теоретические основы и физика процесса/ А.В. Жуков, Н.М. Матюхин, А.П. Сорокин. - М.: Энергоатомиздат. - 1989.

6. Особенности локальной гидродинамики и массообмена теплоносителя в ТВС реакторов ВВЭР и PWR с перемешивающими решетками / С.С. Бородин [и др.] // Тепловые процессы в технике. - М.: Наука и Технологии. - 2013 - Т. 5. - Вып. 3. - С. 98-107.

Размещено на Allbest.ru