DOI: 10.55176/2414-1038-2021-4-106-120
Авторы
Кузина Ю.А., Сорокин А.П., Денисова Н.А.
Организация
АО «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского», Обнинск, Россия
Кузина Ю.А. – начальник отделения ядерной энергетики, кандидат технических наук. Контакты: 249033, Обнинск, Калужская обл., пл. Бондаренко 1, Россия. Тел.: (484) 399-86-63; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
Сорокин А.П. – главный научный сотрудник, доктор технических наук.
Денисова Н.А. – ведущий инженер отделения ядерной энергетики.
Аннотация
Рассматриваются результаты экспериментальных исследований теплообмена, выполненных в ГНЦ РФ – ФЭИ на моделях ТВС активных зон и экранов быстрых реакторов БОР-60, БН-350, БН-600, БН-800 (относительный шаг решетки имитаторов твэлов изменялся в интервале 1,04≤s/d≤1,24) при естественной конвекции жидкометаллических теплоносителей, являющиеся базовыми для отработки расчетных кодов.
Модельные ТВС быстрых реакторов содержат 37 тепловыделяющих элементов (имитаторов твэлов), расположенных в треугольной решетке и заключенных в шестигранный чехол. Обогрев элементов осуществлялся нихромовыми нагревателями, обеспечивающими постоянный тепловой поток на внутренней поверхности элементов и по длине энерговыделения.
Центральный, боковой и угловой элементы выполнены поворотными. На их поверхности заделаны по 12 хромель-алюмелевых термопар в чехлах из стали X18H9T (диаметр чехла 0,8×0,5 мм, диаметр термоэлектродов 0,2 мм), измеряющих температуру теплоносителя в коллекторах моделей, а также в каждой ячейке на выходе из пучка. Дистанционирование элементов осуществляется с помощью проволочных навивок; используются также варианты гладких имитаторов твэлов.
Экспериментальные исследования на модельных ТВС выявили закономерности в формировании температурных полей в твэлах и теплоносителе. Естественная конвекция проявляется в области малых скоростей, способствует перемешиванию жидкости между каналами, выравниванию неравномерности подогрева теплоносителя в поперечном сечении ТВС и снижает азимутальную неравномерность температуры пристенных твэлов в ТВС.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что воздействие естественной конвекции проявляется в области чисел Ре≤10 (Rе≤2000) в решетках с относительными шагами (s/d<1,05) и в широких пучках (s/d<1,3 в большей степени в пучках гладких твэлов по сравнению с пучками оребренных твэлов. Введение вытеснителей в периферийные каналы ТВС не вносит принципиальных изменений в характер температурного поля в ТВС по сравнению с вариантом геометрии ТВС без вытеснителей.
Предпринята попытка обобщения экспериментальных данных с использованием критерия Gr*Pr, где Gr* – модифицированное число Грасгофа, рассчитываемое по локальному тепловому потоку на поверхности теплообмена и осевой координате, отсчитываемой от начала участка энерговыделения.
В зависимостях ΔTwmax = f(Gr*Pr2sup>) при Ре<100 для оребренных боковых элементов и Ре<10 для гладких боковых элементов наблюдаются две области изменения ΔTwmax в функции роста Gr*Pr2 – сначала происходит увеличение ΔTwmax до некоторого «предельного» значения, характерного для фиксированного Ре, а затем – падение ΔTwmax при больших значениях параметра Gr*Pr2. По мере увеличения числа Пекле происходит смещение «предельного» значения ΔTwmax в область бóльших значений Gr*Pr2; а при Ре=370 для оребренных элементов и Ре=26,5; 100 для гладких элементов предельное значение ΔTwmax не достигается в исследованном интервале изменения параметра Gr*Pr2. Для гладких боковых элементов предельные значенияΔTwmax примерно одинаковы для различных чисел Ре и составляют ΔTwmax≈10.
Ключевые слова
быстрый реактор, активная зона, тепловыделяющая сборка, твэл, жидкометаллические теплоносители, аварийный режим, естественная конвекция, тепловой поток, теплообмен, температура, подогрев, скорость, оребрение, периферийный, пристенный твэл, вытеснитель, число Рейнольдса, число Пекле, число Грасгофа
Полная версия статьи (PDF)
Список литературы
- IAEA/IWGFR/88, Specialists Meeting on “Evaluation of Decay Heat Removal by Natural Convection”, 22–23 February 1993, Oarai Engineering Center, PNC, Japan. 165 p. Доступно на: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/31/040/31040781.pdf?r=1 (дата обращения 26.10.2021).
- Жуков А.В., Сорокин А.П., Кузина Ю.А. Отвод остаточного тепла естественной конвекцией при аварийном расхолаживании быстрых реакторов: концепции и результаты исследований. Труды V международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2–5 февраля 1998. Обнинск: ОИАТЭ, 1998.
- Zhukov A.V., Sorokin A.P., Kuzina J.A. Results of Decay Heat Removal Researches for Fast Reactors on Problems of Emergency Reactor Cooldown (Review of Studies). Proc. of the Meeting 4-th Working Groups on Fast Reactors Technology. Obninsk, June 15–20, 1998.
- Рачков В.И., Сорокин А.П., Жуков А.В. Теплогидравлические исследования жидкометаллических теплоносителей в ядерных энергетических установках. Теплофизика высоких температур, 2018, т. 56, № 1, c. 121–136.
- Sobolev V.A., Voronov V.N., Kuzavkov N.G. Analysis of Decay Heat Removal from the Core Using Passive Cooling System. Proc. of the International Topical Meeting “Sodium Cooled Fast Reactor Safety”. Obninsk, 1994, vol. 4, pp. 12–23.
- Kamide H., Ieda Y., Toda S., Isozaki T., Sugawara S. Multi-bundle Sodium Experiments for Thermohydraulics in Core Subassemblies during Natural Circulation Decay Heat Removal Operation. Proc. of the Specialists Meeting on “Evaluation of Decay Heat Removal by Natural Convection”, 22–23 February 1993, Oarai Engineering Center, PNC, Japan. IAEA/IWGFR/88, 1993. Доступно на: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/31/040/31040792.pdf?r=1 (дата обращения 26.10.2021).
- Aubry S., Lambert M. Thermal-Hydraulic Study of LMFBR Fuel Assemblies under Accident Cooling Conditions during Internal Storage or Handling. Science and Technology of Fast Reactor Safety. Proc. of the Intern. Conf. Guernsey, 1986. London, BNES, 1987, pp. 219–223.
- Fort J.A., Bates J.M., Rector D.R., Khan E.U. Investigation of Flow Recirculation in Rod Bundle during Natural Convection Flow and Power Transient. Proc. of the Second International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Santa Barbara, California, USA, Jan. 11–14, 1983. PNL-SA–10409. Доступно на: https://inis.iaea.org/search/searchsinglerecord.aspx?recordsFor=SingleRecord&RN=14768127 (дата обращения 26.10.2021).
- Wydler P., Sigg В., Dutton P. Studies of Decay Heat Removal by Natural Convection using the SONACO Sodium-Cooled 37-Pin Bundle. Science and Technology of Fast Reactor Safety. Proc. of the Intern. Conf. Guernsey, 1986. London, BNES, 1987, pp. 185–190.
- Каталог стендов, реакторов нулевой мощности и других экспериментальных установок. Изд. СЭВ, КНТС 1-2, 1978, с. 20–22.
- Жуков А.В., Сорокин А.П., Свириденко Е.Я., Худаско В.В. Экспериментальное и расчетное моделирование теплогидравлики теплообменных аппаратов ЯЭУ. Модельные сборки, датчики, методики. Жидкометаллический стенд. Учебное пособие для слушателей курсов повышения квалификации и специального факультета. Обнинск: Изд. ОИАТЭ, 1992, с. 59–76.
- Теплофизическая стендовая база атомной энергетики России и Казахстана. Под ред. Першукова В.А., Архангельского А.В., Кононова О.Е., Сорокина А.П. Саров: ФГУП «РФЯЦ – ВНИИЭФ», 2016. 160 с.
- Субботин В.И., Жуков А.В., Пашек М. и др. Экспериментальное исследование на моделях температурных режимов работы твэл реактора БОР-60. Препринт ФЭИ-137, Обнинск, 1969.
- Subbotin V.I., Zhukov A.V., Pashek M. et al. Experimental Study on Model of the Operating Temperature Regimes of the Fuel Elements of a BOR-60 Reactor. HeatTransfer, Soviet Research, 1971, vol. 3, no. 5, pp. 15–26.
- Жуков А.В., Кудрявцева Л.К., Свириденко Е.Я. и др. Экспериментальное исследование на моделях температуры тепловыделяющих элементов. В сборнике «Жидкие металлы». М., Атомиздат, 1967, С. 170–194.
- Жуков А.В., Сорокин А.П., Кириллов П.Л. и др. Методические указания и рекомендации по теплогидравлическому расчету активных зон быстрых реакторов. РТМ 1604.008-88, ГКИАЭ-ФЭИ, Обнинск: ОНТИ ФЭИ, 1989.
- Субботин В.И., Ушаков П.А., Жуков А.В. и др. Температурные поля тепловыделяющих элементов активных зон реакторов с жидкометаллическим охлаждением. Атомная энергия, 1967, т. 22, вып. 5, с. 372–378.
- Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск: Изд-во «Наука», 1970. 660 с.
- Коляскин В.И., Кудрявцева Л.К., Ушаков П.А. Теплоотдача к сплаву натрий-калий в ячейке плотной упаковки стержней при смешанной конвекции. Теплофизика высоких температур, 1973, т. 11, № 4, с. 81–87.
УДК 536.24
Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Ядерно-реакторные константы, 2021, выпуск 4, 4:10
