СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ
METHOD OF FUEL ASSEMBLY OPERATION

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в устройствах для нагрева воды, например, в ядерных энергетических установках.
Известен способ работы тепловыделяющей сборки, заключающийся в подаче теплоносителя на вход тепловыделяющей сборки, пропускании теплоносителя вдоль выпуклых теплоотдающих поверхностей тепловыделяющих элементов (твэл), выделении тепла в твэлах, отводе тепла с выпуклых теплоотдающих поверхностей твэл (Ф.Я.Овчинников, В.В.Семенов. Эксплуатационные режимы ВВЭР. M.: Энергоатомиздат. 1988 г. С.149)
Основной недостаток способа работы ТВС в том что, он не позволяет получить высокую энергонапряженностью сборки. Последнее обусловлено следующим. Поскольку запасы до кризиса теплообмена определяются по среднесмешанным параметрам сборки (по сечению) расчетные значения критических тепловых потоков КТП могут значительно отличаться от тех, которые имеют место в реальной ситуации. Это обусловлено тем, что в ТВС всегда присутствуют необогреваемые элементы (ПЭЛ, стержни СУЗ), наличие которых приводит к значительному снижению КТП, по сравнению с теми КТП, которые имеют место в ТВС с теплогидравлически равноценными ячейками. В настоящее время практически отсутствуют методики расчета КТП в ТВС с теплогидравлически неравноценными ячейками. Методики, используемые для оценок запасов до кризиса, несовершенны и определяют КТП с большой погрешностью. (Pometko R.S., Boltenko E.A. et all. The critical Heat Flux in WWER Fuel Subassembly Model with Nonuiform Crossectional Parameters Distubution / NURETH-8, September 30-October, 1997, Japan). Для того чтобы избежать аварийных ситуаций, связанных с неверным определением КТП, запасы до кризиса завышают, тем самым снижая энергонапряженность и, соответственно, экономичность ТВС.
Одна из причин низких значений КТП в ТВС такой конструкции в том, что теплоноситель по сечению ТВС слабо перемешивается. Последнее приводит к тому, что в ячейках ТВС теплоноситель имеет различные параметры (температуры, скорости и т.д.). Любое возмущение на входе передается практически на выход сборки. В связи с этим локальное ухудшение теплогидравлической обстановки в ячейке ТВС приводит к локальному ухудшению температурного режима твэла (при соответствующих тепловых потоках) - кризису теплосъема, выходу его и соответственно ТВС из строя.
Для повышения интенсивности теплосъема и критических тепловых потоков КТП с выпуклых теплоотдающих поверхностей возможно использование методов интенсификации теплосъема. Наиболее эффективным методом интенсификации теплосъема и повышения КТП является закрутка теплоносителя. В работе (Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока // Теплоэнергетика, 2003, №11, с.25- 30) показано, что применительно к выпуклым теплоотдающим поверхностям использование закрутки теплоносителя не целесообразно, поскольку закрутка потока теплоносителя применительно к выпуклым теплоотдающим поверхностям приводит к снижению интенсивности теплосъема и снижению КТП.
3
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ работы тепловыделяющей сборки, заключающийся в том, что подают теплоноситель на вход тепловыделяющей сборки, распределяют теплоноситель между межтвэльным пространством и внутренними полостями тепловыделяющих элементов (твэл), пропускают теплоноситель вдоль выпуклых и вогнутых теплоотдающих поверхностей твэл, выделяют тепло в твэлах, перераспределяют выделяемое тепло по толщине твэл, отводят выделяемое тепло за счет теплосъема с вогнутых и выпуклых теплоотдающих поверхностей твэл (Патент России 2220464, МКИ G21C 3/00, 3/30, 3/32. Тепловыделяющая сборка / В.Н.Блинков, Э.А.Болтенко // Заявка №2002104121 от 20.02.2002. Открытия. Изобретения. 2003. №36).
Основной недостаток способа заключается в том, что этот способ работы не позволяет достичь высокой энергонапряженности тепловыделяющей сборки. Например, в случае отклонения режима работы ТВС от номинального расход через ТВС начнет снижаться и ТВС будет работать в нерасчетном режиме. В этом случае на выходе сборки будет иметь место кипение теплоносителя, т.е. сборка будет работать в кипящем режиме. В этом случае как на вогнутой, так и выпуклой теплоотдающих поверхностях может наступить, так называемый, кризис теплоотдачи «второго рода», значения КТП снизятся значительно (до 2-3 раз). Поскольку на сборке тепловые потоки достаточно велики, достижение кризиса приведет к значительному повышению температуры стенок (2000-3000°С) и выходу сборки из строя.
Для повышения запасов до кризиса, в том числе и в аварийных режимах, необходимо использовать методы интенсификации теплосъема. Наиболее эффективный метод интенсификации теплосъема - закрутка теплоносителя.
Известно использование закрутки потока с помощью элементов, размещенных на выпуклых тепловыделяющих поверхностях твэл. (Жуков А.В., Сорокин А.П., Матюхин Н.М. Межканальный обмен в ТВС быстрых реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1989. с.89., Чесна Б. Теплоотдача и гидродинамика в газооохлаждаемых стержневых тепловыделяющих сборках / Под редакцией Ю.Вилемаса, Каунас. Литовский энергетический институт, 2003. с.64. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990, с.320-323). Закручивающие устройства представляют собой проволоку, навитую на выпуклую теплоотдающую поверхность тепловыделяющих поверхностей. Закручивающие устройства выполняют роль дистанционирующих устройств и интенсификаторов теплосъема.
Основной недостаток тепловыделяющих сборок (ТВС) такого типа заключается в низкой эффективности закручивающих устройств, используемых в качестве интенсификаторов. Так, например, в (Чесна Б. Теплоотдача и гидродинамика в газооохлаждаемых стержневых тепловыделяющих сборках / Под редакцией Ю. Вилемаса, Каунас. Литовский энергетический институт, 2003 г.) на с.187. указано, что теплоотдача сборки с относительным шагом навивки проволоки T/d=69,8 и относительным шагом упаковки S/d=1,23 в стабилизированном участке течения на 30% меньше по сравнению с теплоотдачей в трубе.
В наших опытах также установлено, что использование закрутки потока в парогенерирующих устройствах, в которых присутствуют выпуклые теплоотдающие поверхности, приводит к обратному эффекту - снижению критических тепловых потоков (КТП), преждевременному наступлению кризиса, входу канала в закризисные режимы и выходу из строя реакторной установки (РУ) (Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока // Теплоэнергетика, 2003, №11, с.25-30).
Таким образом повышение интенсивности теплосъема и КТП с помощью методов интенсификации на выпуклых теплоотдающих поверхностях твэл затруднено.
Предлагается способ работы тепловыделяющей сборки, заключающийся в том, что подают теплоноситель на вход тепловыделяющей сборки, распределяют теплоноситель между межтвэльным пространством и внутренними полостями тепловыделяющих элементов (твэл), пропускают теплоноситель вдоль выпуклых и вогнутых теплоотдающих поверхностей твэл, выделяют тепло в твэлах, перераспределяют выделяемое тепло по толщине твэл и отводят выделяемое тепло за счет теплосъема с вогнутых и выпуклых теплоотдающих поверхностей твэл.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении удельной мощности ТВС, что обеспечивается тем, что перераспределение выделяемого тепла между теплоотдающими поверхностями твэл и отвод тепла с вогнутых и выпуклых теплоотдающих поверхностей твэл осуществляют за счет того, что теплоноситель, поступающий на вход внутренних полостей твэл и (или) омывающий вогнутые теплоотдающие поверхности твэл, закручивают
Достижение технического результата обеспечивается за счет значительного повышения интенсивности теплосъема и критического теплового потока на вогнутой теплоотдающей поверхности твэл с помощью закрутки теплоносителя и последующего перераспределения тепловых потоков по толщине твэл за счет тепловых обратных связей.
На фиг.1 представлена схема тепловыделяющей сборки ТВС, на фиг.2 - поперечное сечение ТВС, на фиг.3 - трубчатый тепловыделяющий элемент.
ТВС, фиг.1, включает в себя следующие элементы:
1 - корпус ТВС, служит для размещения тепловыделяющих элементов твэлов и создания требуемых по условиям работы режимных параметров;
2 - входная камера, служит для подачи теплоносителя и распределения его между внутренними полостями твэлов и межтвэльным объемом (подключена к источнику подачи теплоносителя);
3 - выходная камера, служит для сбора теплоносителя, выходящего из твэлов и межтвэльного объема (подключена к потребителю);
4 - тепловыделяющие элементы твэлы, фиксированы в трубных решетках, снабжены внутренними полостями 7, соединенными на входе и выходе с входной и выходной камерами. Твэлы также снабжены отверстиями 8, соединяющими внутренние полости твэлов и межтвэльный объем ТВС (выполнение отверстий не обязательно);
5 - трубная доска, служит для фиксации твэлов;
6 - трубная доска, служит для фиксации твэлов;
7 - внутренние полости твэлов;
8 - отверстия для соединения внутренних полостей твэлов и межтвэльного объема;
9 - дистанционирующие решетки.
Для закручивания теплоносителя, омывающего вогнутую тепловыделяющую поверхность твэлов возможно использовать различные способы. На фиг.4 показан способ закрутки теплоносителя с помощью закручивающих элементов, устанавливаемых на входе во внутренние полости твэл. В качестве закручивающих элементов могут быть использованы, например, закручивающие ленты, фиг.4а, закручивающие вставки, фиг.4б, или однозаходные винтовые вставки, фиг.4в. Закручивающие элементы устанавливаются либо в сам твэл, либо, например, на участках твэла, где размещены отверстия, фиг.5. Отверстия обеспечивают гидравлическую обратную связь между внутренними полостями твэл и межтвэльным пространством, фиг.5. Закручивающие элементы могут быть размещены также по всей длине твэлов со стороны вогнутой теплоотдающий поверхности, фиг.6а и фиг.6б. В этом случае закрутка кроме управления тепловой обратной связью и перераспределением теплоносителя на входе в твэлы будет также изменять и перетоки теплоносителя по длине твэл за счет гидравлической обратной связи.
Тепловыделяющая сборка, ТВС, работает следующим образом. Теплоноситель, поданный на вход тепловыделяющей сборки ТВС, распределяется между внутренними полостями твэлов и межтвэльным объемом, омывая выпуклые и вогнутые теплоотдающие поверхности твэл. Теплоноситель, омывающий вогнутые теплоотдающие поверхности твэл, закручивают. Закрутка может быть выполнена либо с помощью входных закручивающих элементов, установленных на входе во внутренние полости твэл, либо за счет размещения закручивающих элементов внутри внутренних полостей твэл. Распределение расходов теплоносителя происходит в соответствии с гидравлическими сопротивлениями внутренних полостей твэлов и межтвэльного объема. Далее теплоноситель, проходя через межтвэльный объем и внутренние полости твэлов, за счет тепловыделения в твэлах нагревается до требуемого значения и выходит из ТВС.
При ухудшении условий теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности коэффициент теплоотдачи со стороны выпуклой поверхности снижается и соответственно снижается тепло, передаваемое со стороны выпуклой поверхности,
Соответственно, тепло передаваемое со стороны вогнутой теплоотдающей поверхности тепло увеличится.
вп
вн
ствп
ствн
жвп
жвн
v
вп
вн
вп
вп
вн
max
Где Q, Q - тепло, передаваемое со стороны выпуклой и вогнутой теплоотдающих поверхностей соответственно, Т, Т - температура стенки выпуклой и вогнутой поверхностей соответственно, Т, Т - температура жидкости (газа) со стороны выпуклой и вогнутой поверхностей соответственно, q - плотность объемного тепловыделения, α, α - коэффициенты теплоотдачи со стороны выпуклой и вогнутой теплоотдающих поверхностей соответственно, l - длина участка с ухудшенным теплосъемом на выпуклой теплоотдающей поверхности, d, d, d - диаметры выпуклой, вогнутой поверхности и поверхностей с максимальной температурой в твэле (dt/dr=0).
Рассмотрим случай нарушения теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности твэл. На вогнутой теплоотдающей поверхности благодаря закрутке теплоносителя ухудшения теплосъема нет. В этом случае срабатывает обратная тепловая связь между вогнутой и выпуклой теплоотдающими поверхностями твэла. тепло в твэле перераспределяется, плотность теплового потока на выпуклой поверхности становится ниже, на выпуклой теплоотдающей поверхности восстанавливается нормальный режим теплосъема.
2
Пример конкретного выполнения. Допустим, что ТВС набрана из трубчатых твэлов наружным диаметром 9,1 мм и внутренним - 4 мм. В этом случае суммарная теплоотдающая поверхность твэла - 0,144 м. Предполагая, что средняя плотность теплового потока осталась прежней, т.е. q=0,58 МВт/м, получим, что мощность рассматриваемой ТВС Nтвс=0,58·0,144312·163≈4246 МВт, т.е. тепловая мощность ТВС только за счет увеличения поверхности теплосъема может быть увеличена ~ на 41,5%, электрическая мощность при этом составит ~ 1400 МВт, запасы до кризиса при этом будут повышены. Учитывая наличие тепловых обратных связей, а также тот известный экспериментальный факт, что КТП на вогнутой теплоотдающей поверхности выше, чем на выпуклой, возможно повысить средний тепловой поток. В этом случае тепловую мощность ТВС можно довести до 4500-5000 МВт, электрическая мощность при этом составит 1500-1700 МВт. При этом запасы до кризиса не снизятся. В случае отклонения режима работы ТВС от номинального расход через ТВС начнет снижаться и ТВС будет работать в нерасчетном режиме. В этом случае на выходе сборки будет иметь место кипение теплоносителя, т.е. сборка будет работать в кипящем режиме. В этом случае как на вогнутой, так и выпуклой теплоотдающих поверхностях может наступить, так называемый, кризис теплоотдачи «второго рода», значения КТП снизятся значительно (до 2-3 раз). Поскольку на сборке тепловые потоки достаточно велики, достижение кризиса приведет к значительному повышению температуры стенок (2000-3000°С) и выходу сборки из строя. Предположим, что сборка работает по предлагаемому способу, т.е. имеет место закрутка теплоносителя на входе и (или) вдоль вогнутой теплоотдающей поверхности твэл. В этом случае КТП (запасы до кризиса) на вогнутой теплоотдающей поверхности повысятся в 2-3 раза (Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока // Теплоэнергетика, 2003, №11, с.25-30). Примерно так же повысятся запасы до кризиса на выпуклой теплоотдающей поверхности (за счет тепловой обратной связи). В случае аварийного режима и достижения кипящего режима кризис «второго рода» не будет достигнут, значения КТП будут снижены незначительно (по сравнению с поверхностью без закрутки). За счет обратной тепловой связи часть тепла, которое отводилось с выпуклой теплоотдающей поверхности, будет передано с вогнутой теплоотдающей поверхности. Кризис теплоотдачи достигнут не будет, температура оболочек твэл не повысится. Оценки дают, что в номинальном режиме электрическая мощность ТВС по сравнению с прототипом может быть увеличена в 1,5-2 раза и доведена до 3000 МВт (электрическая). При аварийных режимах запасы до кризиса будут значительны, кризис «второго рода» практически не будет достигнут, значения КТП будут снижены незначительно (по сравнению с поверхностью без закрутки). На фиг.7 показано распределение температуры по толщине твэла в случае нормального теплосъема с обеих поверхностей (выпуклая и вогнутая), фиг.7а, и в случае ухудшенного теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности, фиг.7б. В предельном (аварийном) случае, когда теплосъем с выпуклой поверхности вообще прекратится, все тепло будет передаваться с вогнутой поверхности, а максимальная температура твэла будет равна температуре теплоносителя со стороны вогнутой поверхности.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить энергонапряженность ТВС за счет значительного повышения критического теплового потока на вогнутой теплоотдающей поверхности твэл и последующего перераспределения тепловых потоков по толщине твэл за счет тепловых обратных связей.