Статья опубликована в рамках: XIX Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 15 апреля 2014 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Энергетика

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Сулейменов Н.А., Байгожина А.А., Сураев А.С. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ДВУХ ТИПОВ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК ГАЗООХЛАЖДАЕМОГО РЕАКТОРА С РАЗНЫМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XIX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 4(19). URL: http://sibac.info/archive/technic/4(19).pdf (дата обращения: 27.01.2020)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику

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

Параметр

Значение

Вариант  ТВС

1

2

Топливо

UO2

Теплоноситель

H2

He

H2

He

Оболочка  твэла  и  канала

Zr

Количество  ТВС  в  реакторе

549

Количество  твэлов  в  ТВС

59

91

Высота  ТВС,  мм

2200

Внешний  радиус  ТВС,  мм

47

Толщина  оболочки,  мм

3

Внешний  радиус  твэла,  мм

3,45

2,875

Толщина  оболочки  твэла,  мм

0,4

Толщина  гелиевого  зазора,  мм

0,1

Радиус  топливного  сердечника,  мм

2,95

2,375

         

 

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

Параметр

Значение

Мощность  реактора  тепловая,  МВт

1100

Мощность  ТВС,  кВт

2  003,64

Теплоноситель

H2

He

Температура  теплоносителя  на  входе  в  ТВС,  К

633

Температура  теплоносителя  на  выходе  из  ТВС,  К

773

Давление  теплоносителя  на  входе  в  ТВС,  атм

60

Замедлитель

H2O

Температура  замедлителя  на  входе  в  реактор,  К

473

Температура  замедлителя  на  выходе  из  реактора,  К

483

Давление  замедлителя  на  входе  в  реактор,  атм

25

 

Результаты  расчета

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

Таблица  3.

Результаты  расчета  моделей  ТВС

Параметр

Значение

1  вариант

2  вариант

Вид  теплоносителя

Н2

Не

Н2

Не

Расход  теплоносителя  в  ТВС,  кг/с

0,73

2,074

0,79

2,24

Расход  замедлителя  в  ТВС,  кг/с

13,4

7,32

Перепад  давления  теплоносителя  по  высоте  ТВС,  атм

0,37

1,4

0,57

2,2

Перепад  давления  замедлителя  по  высоте  ТВС,  атм

0,02

0,02

Средняя  скорость  теплоносителя  на  входе  в  ТВС,  м/с

83,1

117,7

93,7

132,2

Средняя  скорость  теплоносителя  на  выходе  из  ТВС,  м/с

102,1

145,1

115,3

163,3

Средняя  скорость  замедлителя  на  входе  в  реактор,  м/с

2,48

1,53

Средняя  скорость  замедлителя  на  выходе  из  реактора,  м/с

2,51

1,65

1,73

Максимальная  температура  твэла,  К

1662

1665

1399

1402

Максимальная  температура  гелиевого  зазора,  К

1166

1173

1037

1040

Максимальная  температура  оболочки  твэла,  К

1063

1070

924

927

Общий  тепловой  поток  через  стенку  ТВС,  кВт

465

330

Мощность  на  прокачку  теплоносителя  в  реакторе,  МВт

7,6

39,7

12,5

67,3

Мощность  на  прокачку  замедлителя  в  реакторе,  кВт

17,4

9,5

 

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

Параметр

Значение

Вариант  ТВС

1

2

Вид  теплоносителя

H2

He

H2

He

Температура  топливного  стержня  1  ряда,  К

1661,83

1665,27

1399,48

1402,29

Температура  топливного  стержня  2  ряда,  К

1605,25

1608,28

1356,35

1358,64

Температура  топливного  стержня  3  ряда,  К

1579,56

1582,55

1337,86

1340,13

Температура  топливного  стержня  4  ряда,  К

1567,65

1570,6

1334

1336,34

Температура  топливного  стержня  5  ряда,  К

1507,74

1511,29

1325,89

1328,38

Температура  топливного  стержня  6  ряда,  К

-

-

1282,94

1285,37

 

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

 

 

 

 

Т,  К

Т,  К

Описание: C:\Users\Suleimenov\Desktop\22-1 473-1662.png

Описание: Безимени-7.jpg

473

473

572

572

671

672

770

771

869

870

968

970

1067

1069

1167

1168

1266

1267

1365

1367

1464

1466

1563

1565

1662

1665

Теплоноситель

H2

He

 

Рисунок  8.  Распределение  температурного  поля  в  ТВС  №  1

 

 

Т,  К

Т,  К

Описание: C:\Users\Suleimenov\Desktop\3-1 473-1399.png

Описание: Безимени-7.jpg

473

473

550

550

627

628

705

705

782

783

859

860

936

938

1013

1015

1090

1092

1168

1170

1243

1247

1322

1325

1399

1402

Теплоноситель

H2

He

 

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.

 

Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику

Оставить комментарий