ОПРЕДЕЛЕНИЕ  РАБОЧИХ  ПАРАМЕТРОВ  ДВУХ  ТИПОВ  ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ  СБОРОК  ГАЗООХЛАЖДАЕМОГО  РЕАКТОРА  С  РАЗНЫМИ  ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ

Сулейменов  Нурболат  Айдынович

магистрант  кафедры  «Техническая  физика  и  теплоэнергетика»,

ГУ  имени  Шакарима,  Республика  Казахстан  г.  Семей

E-mail: 

Байгожина  Ажар  Амангельдыевна

магистрант  кафедры  «Техническая  физика  и  теплоэнергетика»,

ГУ  имени  Шакарима,  Республика  Казахстан  г.  Семей

E-mail: 

Сураев  Артур  Сергеевич

инженер  лаборатории  теплофизических  и  нейтронно-физических  характеристик  облучательных  устройств,  Институт  атомной  энергии,  НЯЦ  РК,  Республика  Казахстан

E-mail: 

Введение

Эффективность  энергетических  реакторов  определяется  затратами  сырья  на  их  работу  и  коэффициентом  полезного  действия  цикла  преобразования  тепловой  энергии  в  механическую.

В  существующих  реакторах  с  тяжеловодным  замедлителем,  обеспечивающим  возможность  полного  использования  природного  урана,  энергия  замедления  нейтронов  в  цикле  преобразования  тепловой  энергии  в  механическую  не  используется.  Однако,  существуют  возможности  развития  тепловых  реакторов  в  направлении  достижения  такого  воспроизводства  делящихся  веществ,  которое  позволит  иметь  длительность  кампании,  сравнимую  с  лучшими  показателями  современных  реакторов  [2,  7].

В  дальнейших  исследованиях  по  этой  тематике  была  предложена  схема  сопряжения  тяжеловодного  реактора  с  газовым  теплоносителем  с  паровым  турбоагрегатом  цикла  Ренкина,  основанная  на  том,  что  в  цикле  Ренкина  требуемое  для  работы  тепло  подается  пару  не  в  одном  процессе,  а  в  нескольких,  причем  проходящих  в  различных  интервалах  температур  [3].

Актуальность   работы  состоит  в  том,  что  расчет  рабочих  параметров  ТВС  тяжеловодного  реактора  с  газовым  теплоносителем,  сопряженного  с  циклом  Ренкина,  внесет  определенный  вклад  в  повышение  его  технических  характеристик.  Данный  реактор  выделяется  как  лидер  по  величине  термодинамического  КПД  (около  46  %).  Эффект  достигается  за  счет  полного  использования  энергии  деления  ядер,  в  том  числе  энергии  замедления  нейтронов,  высокого  давления  пара  в  цикле  Ренкина  и  тройного  перегрева  пара.  Достоинством  данного  цикла  является  высокая  сухость  отработанного  пара  (на  уровне  0,93),  что  снижает  затраты  на  изготовление  лопаток  турбины.

1  Этапы  проведения,  цель  и  задачи  работы

Целью  работы   является  определение  рабочих  параметров  двух  типов  ТВС  реактора  с  разными  теплоносителями. 

К  задачам  работы   относятся:

1.  построение  трехмерных  моделей  ТВС  газоохлаждаемого  реактора  с  помощью  программного  комплекса  Gambit  [6];

2.  определение  рабочих  параметров  двух  типов  ТВС  с  разными  теплоносителями  при  работе  реактора  на  номинальной  тепловой  мощности  1100  МВт  с  помощью  программного  комплекса  ANSYS  Fluent  [5];

3.  анализ  полученных  результатов.

2  Построение  трехмерных  расчетных  моделей  ТВС  реактора  с  газовым  теплоносителем

Первой  задачей  работы  стояло  построениев  ПО  Gambit  двух  3D  моделей  ТВС  реактора,  отличающихся  конструкцией  и  количеством  твэлов  (рисунок  1).  Из-за  симметричности  ТВС  реактора  были  построены  1/4  часть  ТВС  №  1  и  1/12  часть  ТВС  №  2.  Варианты  готовых  моделей  приведены  на  рисунках  2  и  3.

Рисунок  1.  Расположение  твэлов  в  ТВС

Рисунок  2.  Модель  ТВС№  1

Рисунок  3.  Модель  ТВС  №  2

Основные  размеры  и  материалы  элементов  для  построения  моделей  ТВС  представлены  в  таблице  1.

Таблица  1.

Конструктивные  параметры  ТВС  №  1  и  №  2

3  Определение  рабочих  параметров  двух  типов  ТВС  при  работе  реактора  на  номинальной  тепловой  мощности  1100  МВт

В  ходе  данного  этапа  необходимо  определить:

·     расходы  теплоносителя  и  замедлителя  в  ТВС;

·     скорости  теплоносителя  и  замедлителя  в  ТВС;

·     перепады  давления  теплоносителя  и  замедлителя  по  высоте  ТВС;

·     мощности  на  прокачку  теплоносителя  и  замедлителя;

·     распределения  температур  теплоносителя  по  высоте  ТВС;

·     максимальные  температуры  топливного  сердечника,  гелиевого  зазора  и  оболочки  твэла;

·     общий  тепловой  поток  через  стенку  ТВС.

Условия  проведения  расчета

Начальные  условия  для  проведения  расчетов  ТВС  реактора  с  газовым  теплоносителем  представлены  в  таблице  2. 

Проведение  расчета  сводится  к  заданию  таких  величин  расхода  теплоносителя  и  замедлителя,  чтобы  значения  их  температур  на  выходе  удовлетворяли  значениям,  которые  указаны  в  таблице  2.  Данные  значения,  а  также  теплофизические  свойства  (плотность,  теплоемкость,  теплопроводность  и  вязкость)  для  каждого  материала  элемента  конструкции  ТВС  вносились  в  программу  ANSYS  Fluent  с  использованием  справочной  литературы  [1,4,8];

Расчет  в  программе  ANSYS  Fluent  проводился  с  количеством  итераций  равным  1000.  Распределение  энерговыделения  по  высоте  принято  постоянным. 

Таблица  2. 

Условия  для  проведения  расчета

Результаты  расчета

В  результате  проведенного  расчета  рассматриваемых  конструкций  ТВС  были  получены  данные,  которые  приведены  в  таблице  3.

Таблица  3.

Результаты  расчета  моделей  ТВС

Опираясь  на  рисунок  1  рассмотрим  графики  распределения  температуры  центрального  твэла  по  его  высоте  на  внешней  и  внутренней  стенке  оболочки,  а  также  на  оси  и  поверхности  топливного  сердечника  в  каждом  ряду  при  использовании  водорода  и  гелия  в  качестве  теплоносителя  (рисунки  4  и  5).

Синими  линиями  показаны  температура  ТВС  №  1,  зелеными  линиями  —  ТВС  №  2.  Как  видно  из  графиков  в  связи  с  увеличением  поверхности  теплосъема  и  уменьшением  энергонапряженности  топливных  сердечников  при  использовании  ТВС  №  2  достигаются  меньшие  температуры  топливного  сердечника  и  оболочки.

Рисунок  4.  Распределение  температуры  в  центральном  твэле  по  его  высоте  (H ₂)

Рисунок  5.  Распределение  температуры  в  центральном  твэлепо  его  высоте  (He )

На  рисунках  6  и  7  приведены  распределения  температуры  по  высоте  на  осях  топливных  стержней  твэлов,  расположенных  в  разных  рядах  ТВС  в  соответствии  с  рисунком  1  при  использовании  водорода  и  гелия  в  качестве  теплоносителя.  Синими  линиями  выведена  температура  первого  варианта  ТВС,  зелеными  линиями  —  температура  второго  варианта.

Рисунок  6.  Распределение  температуры  на  осях  топливных  стержней  (H ₂)

Рисунок  7.  Распределение  температуры  на  осях  топливных  стержней  (He )

Максимальные  температуры  осей  топливных  стержней  даны  в  таблице  4.

Таблица  4. 

Максимальные  температуры  на  осях  топливных  стержней

На  рисунках  8,  9  даны  распределения  температурного  поля  ТВС  №  1  и  №  2. 

Рисунок  8.  Распределение  температурного  поля  в  ТВС  №  1

Рисунок  9.  Распределение  температурного  поля  в  ТВС  №  1

Выводы

Сравнивая  результаты  полученных  значений  максимальных  температур  (таблица  4)  и  распределений  температурного  поля,  представленных  на  рисунках  4,  5,  6,  7  можно  сделать  следующие  выводы:

·     температура  теплоносителя  на  выходе  ТВС  равная  500  °С  достигается  без  превышения  допустимых  температур  материалов  сердечников  твэлов  и  их  оболочек  в  обоих  вариантах  расчета;

·     максимальная  температура  топливного  сердечника  составляет  1665  К,  что  не  превышает  температуру  плавления  UO₂  равную  2920  К  [4];

·     максимальная  температура  оболочки  твэла  составляет  1070  К  и  не  превышает  температуру  плавления  Zr  равную  2123  К  [4];

·     мощность  на  прокачку  водорода  в  ТВС  №1  равна  7,6  МВт  (0,69  %  от  мощности  реактора),  а  в  ТВС  №  2  —  12,5  МВт  (1,1  %  от  мощности  реактора);

·     мощность  на  прокачку  гелия  в  ТВС  №1,  равна  39,7  МВт,  (3,6  %  от  мощности  реактора),  а  в  ТВС  №  2  —  67,3  МВт,  (6,1  %  от  мощности  реактора);

·     мощность  на  прокачку  замедлителя,  в  обоих  ТВС  пренебрежимо  мала  и  составляет  не  более  0,0016  %  от  мощности  реактора;

С  точки  зрения  повышения  величины  КПД  и  повышения  экономичности  реакторной  установки,  конструкция  ТВС  №  1  показывает  себя  с  лучшей  стороны  по  сравнению  с  конструкцией  ТВС  №  2.  Однако  при  использовании  ТВС  второго  варианта  в  конструкции  реактора,  достигаются  меньшие  температуры  топливного  сердечника  и  оболочки,  следовательно,  данный  факт  может  обеспечить  более  долгосрочную  работу  твэлов  в  реакторе.

Список   литературы:

1.Варгафтик  Н.Б.  Справочник  по  теплофизическим  свойствам  газов  и  жидкостей.  М.:  Наука,  1972.

2.Котов  В.М.  Возможности  газоохлаждаемых  реакторов  с  водным  замедлителем  /  Котов  В.М.,  Витюк  Г.А,  Сураев  А.С  //  Атомная  энергия.  —  2014.  —  Т.  116.  —  Вып.  1.  —  С.  6—10.

3.Сопряжение  тяжеловодного  газоохлаждаемого  реактора  с  циклом  Ренкина  /  В.М.  Котов,  Г.А.  Витюк,  Р.А.  Иркимбеков,  Р.А  Мухаметжарова.  Курчатов,  2011.

4.Чиркин  В.С.  Теплофизические  свойства  материалов  ядерной  техники.  М.:  Атомиздат,  1968.

5.Fluent  —  Version:  3d,  pbns,  lam  (3d,  pressure-based,  laminar).  Revision:  13.0.0  for  the  ANSYS  Release  Version  13.0,  2010.

6.Gambit  2.4.6,  Fluent  inc,  2008.

7.Kotov  V.M.  Termal  Reactors  with  High  Reproduction  of  Fission  Materials  /  V.M.  Kotov  //  Nuclear  Power  —  Practical  Aspects.  Edited  by  Wael  Ahmed.  —  P.  179—218. 

8.Parvo  95:  Теплофизические  свойства  воды  и  водяного  пара  /  М.Ю  Иванов.  Version  3.3,  2002—2004.