Верификация НФТГ/3D модели кода КОРСАР/ГП в области низких значений плотности теплоносителя на основе стационарных состояний кипящего реактора ВК 50

Размещено на http://www.allbest.ru/

6_я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
26-29 мая 2009 г.

Верификация НФТГ/3D модели кода КОРСАР/ГП в области низких значений плотности теплоносителя на основе стационарных состояний кипящего реактора ВК_50

В.Г. Артемов, В.Г. Коротаев, Ю.В. Юдов, А.С. Иванов, А.В. Пискарев, Л.М. Артемова

ФГУП "НИТИ им. А.П.Александрова", Сосновый Бор, Россия

Одной из важных особенностей расчетного кода (РК) КОРСАР/ГП [1] является возможность моделирования пространственных нейтронно-физических и теплогидравлических процессов в водо-водяных реакторах в сопряженной постановке (НФТГ/3D), которая в рамках кода осуществляется программным блоком расчета нейтронной кинетики в трехмерном пространственном приближении КАРТА с константным обеспечением на основе комплекса программ САПФИР_95&RC_ВВЭР [2].

Результаты верификации НФТГ/3D моделей кода КОРСАР/ГП для режимов работы реакторных установок с однофазным теплоносителем в активной зоне приведены, в частности, в [3]. В то же время существует необходимость обоснования корректности применения НФТГ/3D моделей кода в диапазоне плотностей теплоносителя 250…600 кг/м3, реализующемся при его кипении в активной зоне, поскольку в аварийных режимах ВВЭР со значительными возмущениями реактивности и энерговыделения кипение теплоносителя в а.з. весьма вероятно [4]. Кроме того, в проектируемых реакторах типа ВВЭР повышенной мощности рассматриваются варианты с подкипанием теплоносителя и в режимах нормальной эксплуатации.

Необходимо отметить, что реализованные в РК КОРСАР/ГП физические и математические модели обеспечивают моделирование теплогидравлических и нейтронно-физических процессов при поверхностном кипении недогретой до температуры насыщения воды и кипении насыщенной воды в различных режимах течения. Нейтронно-физическая модель - двухгрупповая, что является необходимым условием для расчета режимов с кипением теплоносителя. Нейтронно-физические константы готовятся при независимых вариациях плотности и температуры теплоносителя. Это обеспечивает адекватный учет изменения физических свойств среды при изменениях температуры и давления теплоносителя. Малогрупповые константы готовятся с использованием программы САПФИР_95, аттестованной в диапазоне изменения плотности водяного теплоносителя от 1000 до 200 кг/м3.

В связи с тем, что для действующих ВВЭР экспериментальные данные при кипении теплоносителя в ТВС активной зоны отсутствуют, для верификации кода КОРСАР были использованы данные, полученные в процессе эксплуатации исследовательского кипящего реактора ВК-50 (ФГУП "ГНЦ РФ НИИАР", г. Димитровград). Следует отметить, что работы по верификации НФТГ/3D программ в диапазоне плотности водяного теплоносителя 250…600 кг/м3 для реакторов ВВЭР в России еще не проводились.

Методические особенности НФТГ/3D расчета кипящих реакторов с ЕЦ теплоносителя. Численное моделирование кипящего аппарата с естественной циркуляцией (ЕЦ) теплоносителя является достаточно сложной задачей, поскольку при кипении теплоносителя в водо-водяном реакторе заметно повышается взаимное влияние нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик. Кипение теплоносителя создает также дополнительные трудности при моделировании контура естественной циркуляции из-за тесного взаимодействия в этом процессе напора ЕЦ, скоростей теплоносителя и распределения паросодержания в активной зоне реактора. Поэтому моделирование реактора ВК-50 с использованием кода КОРСАР/ГП выполнялось в два этапа.

На первом этапе была подготовлена и верифицирована модель контура естественной циркуляции. Критерием адекватности модели являлось получение согласованных с экспериментальными данными статических характеристик "мощность - скорость ЕЦ" и "давление - мощность". На следующем этапе полученные зависимости использовались в качестве граничных условий для теплофизического блока программы RC_ВВЭР, с использованием которой проводился расчет выгорания. Модель выгорания активной зоны была подготовлена в соответствии с ежесуточными данными эксплуатации реактора в 12-ю кампанию. После этого в заданных точках по кампании с использованием кода КОРСАР/ГП моделировались конкретные состояния, в которых проводились измерения энерговыделения.

Описание реактора и контура естественной циркуляции. Схема реактора ВК-50 приведена на рис. 1. Корпус реактора представляет собой цилиндрический сосуд высокого давления внутренним диаметром 3.55 м и высотой 11 м. Днище корпуса эллиптическое, крышка плоская. Внутри корпуса, на специальном выступающем буртике, подвешена цилиндрическая шахта диаметром 2920  50 мм. Шахта является основой несущей конструкции для активной зоны и других внутрикорпусных устройств.

Рис. 1. ВК-50. Схема реактора и контура естественной циркуляции

моделирование теплогидравлический нейронный реактор

Пространство между шахтой и корпусом реактора образует кольцевую камеру. Из верхней ее части через четыре паровых патрубка происходит отбор пара на турбину. Нижняя часть кольцевой камеры формирует опускной канал. Специальная разделительная обечайка диаметром 3207  16 мм делит общий опускной канал на два участка. Участок, который примыкает к корпусу, называется холодным опускным участком (ХОУ), а участок, примыкающий к шахте, - горячим опускным участком (ГОУ).

Внутри шахты реактора расположены активная зона, тяговый участок и верхняя камера. Тяговый участок сформирован установкой внутрь шахты специальной шестигранной выгородки внутренним размером "под ключ" 2110 мм. Верх выгородки тягового участка находится на отметке "+4.62", низ - на отметке "+1.92". Верхняя камера реактора занимает объем внутри шахты от тягового участка до крышки. В верхней части шахты предусмотрено 120 отверстий диаметром 100 мм для выхода пара из верхней камеры к паровым патрубкам корпуса. В нижней части верхней камеры размещено 16 переливных окон овального сечения (высота 800 мм, ширина 460 мм). Через переливные окна теплоноситель после тягового участка поступает в опускной канал.

Ввод теплоносителя в кассеты активной зоны организован через специальные чехлы с отверстиями, причем эти отверстия расположены в чехлах таким образом, что в кассеты периферийной части активной зоны поступает вода практически только из ГОУ, а в кассеты центральной части активной зоны - из ХОУ.

Подача питательной воды осуществляется в распределительные коллекторы, расположенные в верхней части кольцевой камеры реактора. Впрыск воды производится через систему раздающих трубок в каждый из опускных участков. Подавляющее большинство экспериментальных режимов на установке было проведено при подаче питательной воды только в ХОУ.

Охлаждение активной зоны реакторной установки ВК-50 осуществляется кипящей водой, с объемным паросодержанием на выходе из каналов до 0,8 и плотностью теплоносителя до 250 кг/м3. Охлаждение а.з. происходит в условиях естественной циркуляции (ЕЦ); схема контура ЕЦ также отображена на рис. 1. Подъемная часть контура включает чехлы подвода теплоносителя в кассеты активной зоны, собственно кассеты а. з. и тяговый участок. Опускная часть контура состоит из двух параллельных каналов ХОУ и ГОУ. В целом контур ЕЦ установки ВК-50 состоит из двух фактически самостоятельных контуров, определенным образом связанных между собой. Один контур ЕЦ замыкается через ХОУ, другой _ через ГОУ. Такие составляющие части этих контуров, как опускные участки, участки подвода воды к кассетам и кассеты активной зоны, практически изолированы друг от друга (то есть перетечками теплоносителя между ними можно пренебречь). Объединение этих контуров происходит только в пределах тягового участка и переливных окон, где формируется общий пароводяной поток, способствующий увеличению движущего напора обоих контуров ЕЦ. Такая схема контура ЕЦ обеспечивает устойчивость циркуляции теплоносителя во всех предусмотренных проектом режимах.

Физический уровень теплоносителя находится выше переливных окон. Высота окон определяет высоту зоны перелива воды из тягового в опускные участки. Пароводяной поток после выгородки тягового участка попадает в шахту реактора с бульшим сечением. Основной поток пара через зеркало испарения выходит в паровой объем верхней камеры, из которого через паровые отверстия шахты направляется к паровым патрубкам корпуса реактора.

Далее паро-водяная смесь с температурой насыщения через переливные окна шахты поступает в кольцевую камеру реактора. При этом некоторое количество пара увлекается (захватывается) водой в опускной участок. Пар, захватываемый в ХОУ, конденсируется при смешении с питательной водой, температура которой равна 104С.

Описание загрузки активной зоны и размещения ОР СУЗ. В процессе эксплуатации реактора ВК-50 было проведено несколько загрузок активной зоны, отличающихся как типом кассет, так и их компоновкой. Отличительной чертой 12_й загрузки было то, что в начале кампании активная зона формировалась полностью из "свежих" тепловыделяющих сборок (ТВС). Практически все рабочие ТВС и топливные части рабочих органов ручных регуляторов (РО РР) имели обогащение 2.4%, из твэлов с обогащением 3,0% состояла только топливная часть центрального регулятора (РР-7). Для компенсации избыточной реактивности в начале кампании центральная часть активной зоны формировалась из 18-ти ТВС с бористым чехлом. Картограмма 12-й топливной загрузки активной зоны реактора ВК_50 представлена на рис. 2. Шаг расположения кассет составляет 185 мм, зазор между кассетами - 9 мм.

Рис. 2. ВК-50. Картограмма 12-й загрузки активной зоны реактора

Конструктивно активная зона размещается в нижней части реактора в выемной корзине. Она состоит из 91 канала, в которых располагаются 72 рабочих ТВС, 16 рабочих органов с ручным регулированием (РО РР) и 3 рабочих органа быстродействующей аварийной защиты (РО АЗ). Особенностью органов регулирования СУЗ является наличие в них топливной части, аналогично кассетам АРК реакторов типа ВВЭР_440.

Все кассеты активной зоны условно разделены на пять рядов, отсчет которых ведется от центрального РО РР (кассета 09-35 на рис. 2). Кассеты с первого по четвертый ряд представляют собой центральную часть активной зоны; подвод теплоносителя к ним осуществляется из ХОУ. Кассеты пятого ряда формируют периферийную часть активной зоны, в которую теплоноситель поступает из ГОУ.

Моделирование захвата пара в опускной участок. Расчетные исследования, проведенные при моделировании установки ВК-50, выявили существенное влияние интенсивности захвата пара из кольцевой камеры реактора в опускной участок на теплофизические и, как следствие, на нейтронно-физические параметры активной зоны. Изменение захвата пара сказывается и на величине движущего напора в контуре естественной циркуляции.

Количественной характеристикой процесса захвата пара является коэффициент захвата пара , определяемый как отношение расхода пара из верхней кольцевой камеры реактора в опускной участок к общему расходу пара :

, (1)

где через обозначен расход пара на турбину.

Предварительные расчеты показали, что численное моделирование с помощью "одномерного" кода такого сложного явления, как захват пара из кольцевой камеры реактора в опускной участок, представляет значительные трудности из-за сложной трехмерной картины течения двухфазной смеси. Поэтому коэффициент захвата пара в расчетной модели определялся на основании экспериментальных данных по недогреву воды на входе в активную зону.

Для условий подачи питательной воды только в ХОУ расход пара, захватываемого в опускной участок, оценивается на основании следующего балансового соотношения:

, (2)

где - расход питательной воды; - энтальпия питательной воды; - расход теплоносителя в ХОУ; - недогрев теплоносителя на входе в центральные каналы а.з. до линии насыщения; r - теплота парообразования. В стационарных условиях можно приближенно принять:

. (3)

Тогда соотношение (2) можно переписать в виде:

, (4)

где - недогрев питательной воды до линии насыщения.

При моделировании теплогидравлических процессов в реакторе ВК-50 с помощью РК КОРСАР/ГП количество пара, рассчитанное по соотношению (4), принудительно отбирается на выходе из активной зоны и смешивается с питательной водой, подаваемой в холодный опускной участок.

Результаты расчета статических характеристик реактора ВК_50. На рис. 3 приведено сопоставление экспериментальных и полученных расчетом по РК КОРСАР/ГП статических характеристик "мощность - скорость ЕЦ" реактора ВК_50.

Анализ результатов расчета показывает, что скорости ЕЦ в центральных кассетах выше по сравнению со скоростью ЕЦ в периферийных кассетах вследствие, во-первых, относительно более высокого уровня энерговыделения в центральной части активной зоны и, во-вторых, вследствие разного движущего напора в опускных участках из-за захвата пара. В холодном опускном участке пар полностью конденсируется питательной водой, в то время как в горячем образуется двухфазный поток, что приводит к уменьшению движущего напора ЕЦ через ГОУ и периферийные кассеты и к соответствующему снижению скорости.

В экспериментах получено невысокое значение недогрева теплоносителя на входе в центральную часть активной зоны (от 4.5 до 6.5оС), которое достаточно слабо зависит от уровня мощности (см. рис. 3,е). Это объясняется тем, что, хотя с увеличением мощности захват пара в опускной участок растет, одновременно увеличивается подача питательной воды.

Результаты расчета статической характеристики "давление - мощность" представлены на рис. 4, где, кроме собственно зависимости тепловой мощности реактора от давления, показано изменение с давлением расчетных значений основных теплогидравлических параметров.

Расчет стационарных состояний реактора ВК_50. Результаты расчета полей энерговыделения для некоторых из исследованных моментов 12-й кампании реактора ВК_50 показаны на рис. 5, где показаны каналы верхнего левого секстанта картограммы активной зоны. Координаты каналов приведены на рис. 5,г: пара цифр означает номера столбца и ряда на рис. 2, в которых находится данный канал. Ячейки, соответствующие ТВС, в которых проводились измерения, на рис. 5,г выделены темным фоном.

На рисунках, представляющих результаты расчета в сравнении с экспериментальными данными, для каждой ячейки указаны значения относительной мощности ТВС, экспериментальное (Exp) и полученное расчетом с использованием кода КОРСАР/ГП (KORSAR), а также погрешность расчетных данных относительно экспериментальных (Del,%). Темным фоном выделены ячейки с наибольшим отклонением расчетных значений энерговыделения от экспериментальных и с максимальным экспериментальным значением энерговыделения.

Анализ результатов проведенных расчетов показывает, что имеется систематическое расхождение расчетных данных с экспериментальными для периферийных каналов активной зоны, расположенных на границе с отражателем, где расчетные значения энерговыделения в каналах завышены. Именно в периферийных каналах 04_30 и 08_26, где абсолютный уровень энерговыделения ниже, чем в центральных, наблюдается и наибольшая относительная погрешность расчетных значений мощности - 10%. В центральных каналах (ряды с 1_го по 3-й) погрешность расчетных данных относительно экспериментальных не превышает 5,5%. Наибольшая погрешность воспроизведения расчетом значений относительного энерговыделения в ТВС с максимальной мощностью, характеризующей коэффициент неравномерности энерговыделения по радиусу активной зоны, не превосходит 4,5%.

Распределение энерговыделения по высоте активной зоны кипящего реактора имеет характерный профиль с ярко выраженным максимумом в нижней части зоны, где кипение теплоносителя только начинается, и плотность его относительно велика. На рис. 6 в качестве примера приведены результаты моделирования высотных полей энерговыделения для одного из моментов кампании реактора.

Рис. 5 - ВК-50. Относительное энерговыделение в ТВС
в различные моменты кампании реактора

Нумерация ТВС на рис. 6 приведена в соответствии с картограммой активной зоны, представленной на рис. 2, с указанием номера "теплогидравлического" ряда, в котором находится ТВС. Моделирование производилось по программе КОРСАР/ГП с использованием полноконтурной модели реактора ВК_50 и с учетом эффектов выгорания топлива. Поля, полученные расчетным путем, сравниваются с распределениями энерговыделения, определенными по экспериментальным измерениям нейтронного потока в ТВС. Активационные измерения проводились в "сухих" гильзах, введенных в центральные трубки кассет. Распределение энерговыделения получалось пересчетом по измеренным значениям токов родиевых ДПЗ в представлении двухгруппового спектра нейтронов. Погрешность рассчитанных таким образом экспериментальных значений энерговыделения составляет 8%.

Рис. 9. ВК_50. 174,2 эфф.сут./115 МВт. Распределение энерговыделения по высоте ТВС

Список литературы

1. Артемов В.Г, Гусев В.И., Коротаев В.Г., Егоров А.П., Пискарев А.В., Гудошников А.Н., Кувшинова О.В. Разработка нестационарных нейтронно-физических и теплогидравлических моделей различных типов реакторов на основе кодов КОРСАР и САПФИР. - 4-я международная научно-техническая конференция "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР". Подольск, 23-26 мая 2005. Сборник тезисов докладов, с. 69.

2. Комплекс программ САПФИР_95&RC_ВВЭР с библиотекой констант БНАБ-78/С-95. - НТЦ ЯРБ Ростехнадзора, аттестационный паспорт программного средства №206 от 15.12.2006.

3. В.Г.Артемов, В.И.Гусев, А.Н.Гудошников, А.П.Егоров, В.Г.Коротаев, О.В.Кувшинова, А.В.Пискарев. Разработка, тестирование и верификация второй базовой версии расчетного кода КОРСАР с пространственной нейтронной кинетикой для расчетов в обоснование безопасности реакторов типа ВВЭР. - 4-я международная научно-техническая конференция "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР". Подольск, 23-26 мая 2005. Сборник тезисов докладов, с. 67.

4. Быков М.А., Зайцев С.И., Беляев Ю.В., Алехин Г.В., Егоров А.П., Гусев В.И. - Развитие комплекса ТРАП-97. Учет пространственных эффектов в реакторе. - "Теплоэнергетика", №1, 2006, сс. 48-52.

Размещено на Allbest.ru