Расчетные и экспериментальные исследования гидродинамики теплоносителя в ТВС реактора PWR

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

РАСЧЕТНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

В ТВС РЕАКТОРА PWR

1 2 Добров А.А. , Синицына Е.Н.

1 Доброе Александр Алексеевич - старший преподаватель, кафедра ядерных реакторов и энергетических установок;

2Синицына Екатерина Николаевна - бакалавр, кафедра биоинженерии и ядерной медицины, Институт ядерной энергетики и технической физики Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,

г. Нижний Новгород

Аннотация: в работе приведены результаты экспериментального исследования распределения поперечных скоростей потока теплоносителя за перемешивающей решеткой модели фрагмента тепловыделяющей сборки ТВС-КВАДРАТ, а также результаты расчетов коэффициента межканального обмена массой, проведенные на базе экспериментальных данных.

Ключевые слова: ядерный реактор, гидродинамика, массообмен, теплоотдача, тепловыделяющая сборка.

Особенностью конструкции тепловыделяющих сборок ТВС-КВАДРАТ для реакторов PWR является применение пластинчатых перемешивающих дистанционирующих решеток (ПДР), задачей которых является выравнивание температур (энтальпий) по сечению сборок, повышение запасов до кризиса теплоотдачи и др. Это достигается использованием в решетках дефлекторов потока. Оптимальная конструкция решетки и дефлектора требует поиска вариантов, обеспечивающих наиболее благоприятное сочетание таких параметров, как интенсивность перемешивания, гидравлические потери и запасы до кризиса теплоотдачи [1].

Отдельного внимания с точки зрения гидродинамики и массообмена заслуживают затесненные зоны кассеты, например, периферийные ячейки или области, прилежащие к направляющим каналам (НК).

Для проведения исследований были разработаны две экспериментальные модели. Они представляют собой фрагменты ТВС-КВАДРАТ, выполненные в полном геометрическом подобии в увеличенном масштабе. Одна модель включает в себя 49 имитаторов твэлов, другая имеет 48 твэлов-имитаторов и 1 имитатор направляющего канала. В состав каждой модели также входят два пояса дистанционирующих решеток и пояс ПДР.

Пояс ПДР представляет собой решетку, набранную из взаимно -перпендикулярных пластин. Верхние кромки этих пластин снабжены дефлекторами, которые изменяют локальное поле скорости, тем самым улучшая перемешивание потока теплоносителя.

Для измерения направления и величины скорости в точке, а также давления в пространственном потоке в ячейке использовался пятиканальный пневмометрический зонд.

Для более полного анализа картины течения потока теплоносителя были построены векторные поля поперечной составляющей скорости в различных сечениях за ПДР. Для этого в математическом пакете Matlab был разработан специальный программный комплекс, позволяющий обрабатывать данные, полученные с помощью пневмометрического зонда.

На рис. 1 представлены векторные поля поперечной составляющей скорости для стандартной ячейки модели ТВС-КВАДРАТ и для ячеек, прилегающих к направляющему каналу. Для стандартной области было замечено, что сразу за дефлекторами перемешивание происходит в основном внутри ячейки, однако через небольшое расстояние поперечный поток движется по направлению дефлекторов. В ячейках около НК результатом воздействия дефлетора на поток теплоносителя является вихрь, дающий основное перемешивание лишь внутри ячейки.

а) стандартная ячейка

б) ячейки около НК

Рис. 1. Векторное поле поперечной составляющей скорости в ячейках

На основании экспериментальных данных были проведены расчетные исследования характеристик массообмена. Согласно геометрии ЭМ ее поперечное сечение условно разбивается на плоские элементарные ячейки. После разбиения, для каждой ячейки записывается уравнение баланса массы трассера, включающее в себя как осевой перенос массы так и поперечный. Обмен массой с соседними ячейками учитывается коэффициентом межканального обмена ц, который в данной расчетной модели разделен на конвективный и турбулентный. Конвективная составляющая определялась на основе полученных полей поперечной скорости как отношение осредненной поперечной скорости в межтвэльном зазоре к среднерасходной скорости через ячейку. Турбулентная состиавляющая подбиралась в результате расчетов, из условия наилучшего совпадения с результатами эксперимента.

На рис. 2 приведены результаты расчетов распределения концентрации трассера по длине в ячейке подачи для обеих ЭМ.

1.2

к со о;

э;

-а §

£

о о э;

Е О

аз а Е

и

О)

§

1

0.8 0.6 0.4 0.2 0

I I

—ЭМ без НК

—*—*- —*-*-

10

Ш

15

20

25

Рис. 2. Распределение концентрации трассера по длине в ячейке подачи для модели без НК и

модели с НК

По результатам расчетов значение суммарного коэффициента перемешивания для ячейки около НК оказалось на ~20% ниже, чем для стандартной ячейки.

Полученные результаты являются базой данных при расчетах теплотехнической надежности активных зон реакторов типа PWR.

Список литературы

1. Бородин С.С., Дмитриев С.М., Легчанов М.А. и др. Экспериментальные исследования локального массообмена теплоносителя в ТВС-КВАДРАТ реакторов типа PWR. // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева № 3, 2010г., Нижний Новгород.

CFD-РАСЧЕТ ПОЛЯ СКОРОСТИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

ВО ФРАГМЕНТЕ ТВС РЕАКТОРА ПЛАВУЧЕЙ АЭС

1 2 Добров А.А. , Синицына Е.Н.

1 Доброе Александр Алексеевич - старший преподаватель, кафедра ядерных реакторов и энергетических установок;

2Синицына Екатерина Николаевна - бакалавр, кафедра биоинженерии и ядерной медицины, Институт ядерной энергетики и технической физики, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,

г. Нижний Новгород

Аннотация: в статье приведены результаты компьютерного моделирования трехмерного поля скорости теплоносителя в модели фрагмента тепловыделяющей сборки реактора для плавучей АЭС.

Ключевые слова: АЭС, ядерный реактор, теплоноситель, вычислительная гидродинамика.

Современные компьютерные технологии позволяют интенсивно развиваться методам вычислительной гидродинамики (CFD - Computational Fluid Dynamics). Одним из важных направлений применения CFD программ является моделирование пространственных теплогидравлических процессов в активных зонах (АЗ) ядерных энергетических установок (ЯЭУ). Это связано с возможностью использования результатов CFD-моделирования при проведении детальных теплогидравлических расчетов АЗ и её элементов в ходе проектирования новых и модернизации существующих ЯЭУ.

В настоящее время прямой тепловой и гидравлический расчет АЗ с использованием CFD программ практически невозможен. Данная проблема связана с необходимостью построения в подобных областях расчетной сетки, состоящей из десятков, а иногда и сотен миллиардов контрольных объемов, что сложно реализуемо даже на самых мощных суперкомпьютерах. В связи с этим инженерный уровень определения теплогидравлических характеристик АЗ основан на использовании поячейковых (поканальных) методик.

Поячейковый подход предполагает представление проточной части тепловыделяющей сборки (ТВС) в виде системы параллельных каналов (ячеек), разделенных по высоте на расчетные участки, для каждого из которых решается система уравнений сохранения массы, импульса и энергии теплоносителя в одномерном приближении. Поячейковые программы позволяют проводить расчеты теплогидравлики АЗ за приемлемое время на персональных компьютерах.