Сорокин А.П.1, Денисова Н.А.1, Иванов Е.Ф.1, Кузина Ю.А.1, Низовцев А.А.1, Привезенцев В.В.1, Сорокин Г.А.2
– главный научный сотрудник, доктор технических наук. Контакты: 249033, Калужская обл., Обнинск, пл. Бондаренко, 1. Тел.: +7 (484) 399-84-47; e-mail:
.
– заместитель генерального директора — директор отделения ядерной энергетики, кандидат технических наук.
– начальник лаборатории.
– ведущий научный сотрудник.
кандидат технических наук.
– доцент кафедры корпоративных информационных систем, кандидат технических наук.
Представлены и анализируются результаты исследований возможного возникновения кипения жидкого металла в активной зоне быстрого реактора при пониженных расходах теплоносителя или опрокидывании циркуляции в ТВС в аварийных режимах при несрабатывании аварийной защиты и отключении циркуляционных насосов (ULOF). Имеются лишь ограниченные полученные ранее данные по кипению натрия в этих режимах. Представлены результаты серии экспериментов по теплообмену и устойчивости циркуляции при кипении натрий-калиевого сплава в
моделях одиночных и системе параллельных ТВС активной зоны при естественной циркуляции теплоносителя в первом контуре быстрого реактора, выполненных в ГНЦ РФ – ФЭИ. Показано, что процесс кипения жидких металлов по сравнению с кипением воды имеет существенные особенности. Демонстрируется влияние шероховатости поверхности твэлов на теплообмен и
режимы течения при кипении жидкого металла в пучках. Приведены результаты сравнения данных расчетных и экспериментальных исследований. Демонстрируются результаты экспериментальных исследований теплообмена при кипении натрия в режимах естественной и вынужденной конвекции в модели ТВС с расположенной над активной зоной реактора «натриевой полостью», предназначенной для компенсации положительного натриевого пустотного эффекта реактивности при возникновении его кипения. Показано, что существует возможность продолжительного охлаждения натрием имитаторов твэлов в ТВС в этих условиях. Представлены результаты обобщения данных по теплоотдаче при кипении жидких металлов в пучках и картограмма режимов течения двухфазного потока жидких металлов в пучках.
1. Багдасаров Ю.Е., Кузнецов И.А. Расчётные исследования нестационарных и аварийных режимов работы и их роль в обеспечении безопасности. Атомная энергия, 1982, том 52, вып. 1, с. 3–10.
2. Sorokin G.A., Avdeev E.F., Zhukov A.V., Bogoslovskaya G.P., Sorokin A.P. Development of thermohydraulics codes for modeling liquid metal boiling in LMR fuel subassemblies. IAEA-TECDOC-1157. LMFR core thermohydraulics: Status and prospects, 2000, pp. 107–126.
3. Ашурко Ю.М., Андреева К.А., Бурьевский И.В., Волков А.В., Елисеев В.А., Егоров А.В., Кузнецов И.А., Коробейникова Л.В., Матвеев В.И., Соломонова Н.В., Хомяков Ю.С., Царапкина А.Н. Исследование влияния натриевого пустотного эффекта реактивности на безопасность быстрого натриевого реактора большой мощности. Известия вузов. Ядерная энергетика, 2014, № 3, c. 5–13.
4. Ашурко Ю.М., Волков А.В., Раскач К.Ф., Соломонова Н.В. Влияние нейтронно-физической модели на расчет тяжелой аварии с кипением натрия в быстром реакторе. Атомная энергия, 2017, том 122, вып. 4, с. 183–189.
5. Sorokin G.A., Sorokin A.P. Experimental and Numerical Investigations of Liquid Metal Boiling in Fuel Subassemblies under Natural Circulation Conditions. The Progress in Nuclear Energy Journal. Special Issue: Innovative Nuclear Energy System for Sustainable Development of the World. Proceeding of the First COE-INES International Symposium, 2005, vol. 47, no. 1–4, pp. 656–663.
6. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М., Новиков И.И., Федынский О.С. Теплопередача в жидких металлах. Жидкометаллические теплоносители. Москва, Атомиздат, 1958.
7. Кириллов П.Л. Теплообмен жидких металлов в круглых трубах (однофазный и двухфазный потоки). Дисс. док. тех. наук. М., ИВТАН, 1968.
8. Субботин В.И., Сорокин Д.Н., Овечкин Д.М., Кудрявцев А.П. Теплообмен при кипении жидких металлов в условиях естественной конвекции. М.: Наука, 1969. 208. с.
9. Боришанский В.М., Кутателадзе С.С., Новиков И.И., Федынский О.С. Жидкометаллические теплоносители. М.: Атомиздат, 1976.
10. Двайер О. Теплообмен при кипении жидких металлов. М.: Мир, 1980. 516. с.
11. Зейгарник Ю.А., Литвинов В.Д. Кипение щелочных металлов в каналах. М.: Наука, 1983. 125 с.
12. Kottowski H.M., Savateri C. Evaluation of Sodium Incident Overheat Measurements with Regard to the Importance of Experimental and Physical Parameters. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1977, vol. 20, no. 42, pp. 1281–1300.
13. Kikuchi Y., Takahushi T., Haga K. Incipient Boiling of Sodium in Single-Pin Annular Channel. Journal of Nuclear Science and Technology, 1974, vol. 11, no. 5, pp. 172–186.
14. Kikuchi Y., Haga K., Takahashi T. Experimental Study of Steady State Boiling of Sodium Flowing in a Single-Pin Annular Channel. Journal of Nuclear Science and Technology, 1975, vol. 12, no. 2, pp. 83–91.
15. Kikuchi Y. Transient Boiling of Sodium in Seven Pin Bundle under Loss of Flow Conditions. Journal of Nuclear Science and Technology, 1978, vol. 15, no. 9, pp. 658–667.
16. Kikuchi Y., Daigo Y., Ohtsubo A. Incipient Boiling of Sodium in Seven-Pin Bundle under Forced Convection Conditions. Journal of Nuclear Science and Technology, 1978, vol. 15, no. 7, pp. 533–542.
17. Kikuchi Y. Boiling in 19-Pin Bundle under Loss-of-Flow Conditions in Local Blockage. Nuclear Engineering and Technology, 1981, vol. 66, no. 5, pp. 357–366.
18. Wantland J.L. et al. Dynamic Boiling in a 19-Pin Simulated LMFBR Fuel Assembly. Transactions of the American Nuclear Society, 1977, vol. 27, pp. 567–569.
19. Huber F. Loss of Flow Experiments in Sodium in an Electrically Heated 37-Pin Bundle with Sinusoidal Axial Heat Flux Distribution. Proceeding of the LMFBR Safety Topical Meeting. Lion – Ecullu, France, 1982, pp. 341–349.
20. Huber F., Peppler W. Boiling and Dryout behind Local Blockages in Sodium Cooled Rod Bundles. Nuclear Engineering and Design, 1984, vol. 82, no. 1–3, pp. 341–363.
21. Seiler J.M. Studies of Sodium Boiling Phenomena in Out of Pile Rod Bundles for Various Accidental Situations in LMFBR: Experiments and Interpretation. Nuclear Engineering and Design, 1982, vol. 82, no. 1–3, pp. 227–239.
22. Seiler J.M., Cognet Y, Leborgue E., et al. French LMFBR Core Thermal Hydraulic Studies for Nominal and Accident Conditions. Nuclear Engineering and Design, 1990, vol. 124, no. 3, pp. 403–416.
23. Huber F., Kaizer A., Mattes K., et al. Steady State and Transient Sodium Boiling in a 37-Pin Bundle. Nuclear Engineering and Design, 1987, vol. 100, no. 3, pp. 377–386.
24. Kaizer A., Huber F. Sodium Boiling Experimental a Low Power under Natural Convection. Nuclear Engineering and Design, 1987, vol. 100, no. 3, pp. 367–376.
25. Yamaguchi K. Flow Pattern and Dryout under Sodium Boiling Conditions. Nuclear Engineering and Design, 1987, vol. 99, no. 3, pp. 247–263.
26. Haga K. Temperature Rise due to Fission gas Release in Locally Blocked LMFBR Subassembly Simulators. Proceedings of the LMFBR Safety Topical Meeting. Lion – Ecully, France, 1982, pp. 291–300.
27. Votani M., Haga K. Experimental Investigation of Sodium Boiling in Partially Blocked Fuel Subassemblies. Nuclear Engineering and Design, 1984, vol. 82, no. 3, pp. 319–328.
28. Kaizer A., Huber F., Bottoni M., Dorr B. Contribution to Sodium Boiling Heat Transfer, Pressure Drop and Void Distributions In Multi-pin geometry. NURETH-IV, 1989, vol. 1, pp. 610–616.
29. Yamaguchi K., Nakamura H., Haga K. Boiling and Dryout Condition in Disturbed Cluster Geometry and Their Applications to the LMFBR Local Fault Assessment. Nuclear Science and Engineering, 1984, vol. 3, pp. 464–474.
30. Bergeonneau P., Rameau B. Conditions for Locally Stable Boiling in a Pin Bundle. Science and Technology Fast Reactor Safety. London, BNES, 1986. Pp. 445–456.
31. Жуков А.В., Сорокин А.П., Худаско В.В. Влияние теплогидравлических факторов на безопасность ТВС реакторов. Учебное пособие. Обнинск: Обнинский институт атомной энергетики, 1990. 82 с.
32. Сорокин А.П., Ефанов А.Д, Иванов Е.Ф., Марцинюк Д.Е., Богословская Г.П., Рымкевич К.С., Мальков В.Л. Расчетно-экспериментальные исследования условий устойчивого теплообмена при возникновении кипения жидкого металла в режиме аварийного расхолаживания быстрого реактора. Известия вузов. Ядерная энергетика, 1999, № 2, c. 59–70.
33. Сорокин А.П., Ефанов А.Д., Иванов Е.Ф., Марцинюк Д.Е., Богословская Г.П., Рымкевич К.С., Мальков В.Л. Теплообмен при кипении жидкого металла в режиме аварийного расхолаживания быстрого реактора. Атомная энергия, 1999, том 87, вып. 5, с. 337–342.
34. Ефанов А.Д., Сорокин А.П., Иванов Е.Ф., Богословская Г.П., Колесник В.П., Марцинюк С.С., Мальков В.Л., Сорокин Г.А., Рымкевич К.С. Исследования теплообмена и устойчивости кипения жидкометаллического теплоносителя в контуре естественной циркуляции. Теплоэнергетика, 2003, № 3, с. 20–26.
35. Efanov A.D., Sorokin A.P., Ivanov Eu.F., Bogoslovskaya G.P., Kolesnik V.P., Martsinyuk S.S., Sorokin G.A., Rymkevich K.S. An investigation of the heat transfer and stability of liquid-metal coolant boiling in a natural circulation circuit. Thermal Engineering, 2003, vol. 50, no. 3, pp. 194–201.
36. Efanov A.D., Sorokin A.P., Ivanov Eu.F., Bogoslovskaya G.P., Ivanov V.V., Volkov A.D. Liquid-metal boiling heat transfer in a system of channels under natural circulation conditions. Proc. Eleventh International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-11). Avignon, France, 2005.
37. Ефанов А.Д., Сорокин А.П., Иванов Е.Ф., Богословская Г.П., Иванов В.В., Волков А.Д., Сорокин Г.А., Зуева И.Р. Теплообмен при кипении жидкого металла в системе каналов в режиме естественной циркуляции. Теплоэнергетика, 2007, №. 3, c. 43–51.
38. Efanov A.D., Sorokin A.P., Ivanov E.F., Sorokin G.A., Bogoslovskaia G.P., Ivanov V.V., Volkov A.D., Sorokin G.A., Zueva I.R., Fedosova M.A. Heat transfer under natural convection of liquid metal during its boiling in a system of channels. Thermal Engineering, 2007, vol. 54, no. 3, pp. 214–222.
39. Сорокин А.П., Кузина Ю.А., Иванов Е.Ф. Теплообмен при кипении жидкометаллических теплоносителей в ТВС быстрых реакторов в аварийных режимах. Вопросы Атомной Науки и Техники. Серия: Ядерно-реакторные константы, 2018, №. 3, c. 176–194.
40. Sorokin G.A., Ninokata H., Sorokin A.P., Endo H., Ivanov Eu.F. Numerical Study of Liquid Metal Boiling in the System of Parallel Bundles under Natural Circulation. Journal of Nuclear Science and Technology, 2006, vol. 43, no. 6, pp. 623–634.
41. Волков А.В., Кузнецов И.А. Усовершенствованная модель кипения натрия для анализа аварий в быстром реакторе. Известия вузов. Ядерная энергетика, 2006, №. 2, c.. 101–111.
42. Kasahara F., Ninokata H., Sorokin A.P., Bogoslovskaya G.P. Analysis of liquid-metal boiling under the natural circulation condition. NTHAS2: Proc. Second Japan – Korea symposium on nuclear thermal hydraulics and safety. Fukuoka, Japan, 2000.
43. Сорокин Г.А., Ниноката Х., Эндо Х., Ефанов А.Д., Сорокин А.П., Иванов Е.Ф., Богословская Г.П., Волков А.Д., Зуева И.Р. Экспериментальное и расчётное моделирование теплообмена при кипении жидкого металла в системе параллельных тепловыделяющих сборок в режиме естественной конвекции. Известия вузов. Ядерная энергетика, 2005, №. 4, c. 92–106.
44. Боришанский В.М., Андреевский А.А., Жохов К.А., Быков Г.С., Светлова Л.С. Теплоотдача при кипении калия в трубе в области умеренного паросодержания. Атомная энергия, 1966, том 21, № 1, с. 58.
45. Аладьев Р.Т., Горлов И.Г., Додонов Л.Д. и др. Теплообмен при кипении калия в трубах с равномерным теплоподводом. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1966, №. 2, с. 136.
46. Грачев Н.С., Зелинский В.Н., Кириллов П.Л., Субботин В.И., Турчин Н.М. Теплообмен и гидродинамика при кипении калия в трубах. Теплофизика высоких температур, 1968, том 6, №. 4, с. 682–690.
47. Кириллов П.Л. Банк данных по теплообмену в жидких металлах, Часть 2. Теплообмен при кипении жидких металлов. Препринт ФЭИ-3276. Обнинск, 2017. 40 с.
48. Зейгарник Ю.А., Кириллов П.Л., Ушаков П.А., Ивановский М.Н. Теплообмен жидких металлов при кипении и конденсации. Теплоэнергетика, 2001, №. 3, с. 2–8.
49. Zeigarnick Yu.A., Litvinov V.D. Heat transfer and Pressure Drop in Sodium Boiling in Tubes. Nuclear Science and Engineering, 1980, vol. 73, no. 1, pp. 19–28.
50. Aladiev L.T., Gorlov I.G., Dodonov L.D. Potassium Boiling Heat Transfer in Tubes with Uniform Heat Flux. Investigations of Heat Transfer, Hydrodynamics and Material Thermophysical Properties. Moscow, Nauka Publ., 1968.
51. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. 440. с.
52. Ягов В.В. Теплообмен в однофазных средах и при фазовых превращениях: учебное пособие для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. 542. с.
53. Гогонин И.И. Зависимость теплообмена при кипении от свойств геометрических параметров теплоотдающей стенки. Теплофизика высоких температур, 2006, том 44, №. 6, с. 918–925.
54. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия, 1977. 289 с.
55. Галин Н.М., Кириллов П.Л. Тепломассообмен (в ядерной энергетике). М.: Энергоатомиздат, 1987. 289 с.
56. Присняков В.Ф. Кипение. Киев: Наукова думка, 1988. 240. с.
57. Першуков В.А., Архангельский Н.В., Кононов О.Е., Сорокин А.П. Теплофизическая стендовая база атомной энергетики России и Казахстана. Саров: ФГУП «РФЯЦ – ВНИИЭФ», 2016. 160 с.
58. Сорокин А.П., Кузина Ю.А., Иванов Е.Ф. Особенности теплообмена при кипении жидкого металла в аварийных режимах в ТВС быстрых реакторов. Атомная энергия, 2019, том 126, вып. 2, с. 69–76.
59. Сорокин А.П., Иванов Е.Ф., Мальков В.Л., Колесник В.П., Марцинюк Д.Е., Рымкевич К.С., Корхов О.А. Экспериментальные исследования теплообмена и устойчивости кипения жидкометаллического теплоносителя в контуре естественной циркуляции. Препринт ФЭИ-2631. Обнинск, 1997. 32. с.
60. Sorokin A.P., Ivanov E.F., Bogoslovskaya G.P., Martsinyuk D.E., Kolesnik V.P., Malkov V.G., Rymkevich K.S. Boiling of Liquid Metal in Natural Circulation Loop. Proc. 11th International Heat Transfer Conference. Kyongju, Korea, 1998, vol. 2, pp. 357–361.
61. Aritomi M., Chiang J.H., Nakahashi T., Wataru M., Mori M. Fundamental Study on Thermo-Hydraulics during Stop-Up in Natural Circulation Boiling Water Reactor, (I) Thermo-Hydraulics Instabilities. Nuclear Science and Technology, 1992, vol. 29, no. 7, pp. 631–661.
62. Chiang J.H., Aritomi M. Fundamental Study on Thermo-Hydraulics during Stop-Up in Natural Circulation Boiling Water Reactor, (II) Natural Circulation Oscilation Induced by Hydrostatic Head Fluctuation. Nuclear Science and Technology, 1993, vol. 30, no. 3, pp. 203–211.
63. Хабенский В.Б., Герлига В.А. Нестабильность потока теплоносителя в элементах оборудования. Санкт-Петербург: Наука, 1994.
64. Podowski M.Z., Rosa M.P. Modeling and Numerical Simulation of Oscillatory Two-phase Flows with Application to Boiling Water Nuclear Reactors. Nuclear Engineering and Design, 1997, vol. 177, no. 2, pp. 179–184.
65. Zanocco P., Gimenez M., Delmastro D. Modeling Aspects in Linear Stability Analysis of a Self-Pressurized, Natural Circulation Integral Reactor. Nuclear Engineering and Design, 2004, vol. 231, no. 3, pp. 283–301.
66. Koncoro H., Iwahashi K., Rao Y.F., Fukuda K. Experimental Study on the Stability Characteristics of Two-phase Flows in Parallel Boiling Channels under Natural-Circulation Conditions. Proc. International Conference on Nuclear Engineering, ASME. New Orleans, Louisiana, 1996, vol. 1, part. 1, pp. 373–383.
