ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КИПЕНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ БЫСТРЫХ РЕАКТОРОВ (КАРТОГРАММА РЕЖИМОВ, ТЕПЛООТДАЧА)

Авторы

Сорокин А.П.¹, Кузина Ю.А.¹, Денисова Н.А.¹, Сорокин Г.А.²

Организация

¹ АО «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского», Обнинск, Россия
² Национальный исследовательский университет Физико-технический институт, Москва, Россия

Сорокин А.П. – главный научный сотрудник, доктор технических наук. Контакты: 249033, Калужская обл., Обнинск, пл. Бондаренко 1. Тел.: (905) 641-20-99; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
Кузина Ю.А. – начальник отделения ядерной энергетики, кандидат технических наук.
Денисова Н.А. – ведущий инженер.
Сорокин Г.А. – доцент, кандидат технических наук.

Аннотация

Представлены результаты серии экспериментов, выполненных в АО «ГНЦ РФ – ФЭИ», по теплообмену и устойчивости циркуляции при кипении натрий-калиевого сплава на моделях одиночных ТВС и в системе параллельных ТВС с учетом влияния на процесс кипения различных факторов при естественной конвекции теплоносителя в циркуляционном контуре. Полученные данные показывают, что режим устойчивого пузырькового кипения в модельных ТВС отмечается лишь в ограниченной области тепловых потоков, его переход в режим неустойчивого пульсационного снарядного кипения определяется разными факторами; границы перехода от пузырькового к снарядному, дисперсно-кольцевому и дисперсному режимам течения двухфазного потока жидкого металла в пучках твэлов аппроксимируются простыми зависимостями. Возникновение колебательного процесса при кипении теплоносителя в одной из параллельных ТВС приводит к противофазному колебательному процессу в другой ТВС, в дальнейшем колебания в различных контурах носят противофазный характер. Гидродинамическое взаимодействие контуров может привести к значительному увеличению амплитуды колебаний расхода теплоносителя в них, «резонансу» пульсаций расхода, возможному «запиранию» или инверсии расхода теплоносителя в контурах, росту температуры теплоносителя и оболочки тепловыделяющих элементов (эффект межканальной неустойчивости) и к возникновению кризиса теплообмена. Демонстрируется обнаруженный в эксперименте эффект влияния шероховатости поверхности твэлов на теплообмен и режимы течения при кипении жидкого металла в сборках твэлов. Результаты экспериментов по теплообмену при кипении натрия в режимах естественной и вынужденной конвекции в модели ТВС с расположенной над активной зоной реактора натриевой полостью показывают, что существует возможность продолжительного охлаждения натрием твэлов в ТВС для этих условий. Представлены результаты анализа и обобщения данных по картограмме режимов течения двухфазного потока и теплоотдаче при кипении щелочных жидких металлов в сборках твэлов быстрых реакторов. Демонстрируется возможность моделирования теплообмена и устойчивости циркуляции при кипении щелочных жидких металлов как в одиночных ТВС, так и в системе параллельных ТВС в контурах с естественной циркуляцией теплоносителя с использованием поканальной модели теплогидравлического расчета двухфазных течений с разделением фаз. Приведены результаты сравнения данных расчетных и экспериментальных исследований.

Ключевые слова
реактор на быстрых нейтронах, тепловыделяющая сборка, эксперимент, численное моделирование, щелочные жидкие металлы, гидродинамика, теплообмен, кипение, устойчивость циркуляции, межканальная неустойчивость, теплоотдача, кризис теплообмена, картограмма режимов, режимы течения двухфазного потока

Полная версия статьи (PDF)

Список литературы

Багдасаров Ю.Е., Кузнецов И.А. Расчетные исследования нестационарных и аварийных режимов работы и их роль в обеспечении безопасности. Атомная энергия, 1982, т.52, вып. 1, с. 3–10.
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, June 2000, pp. 107–126.
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.
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, т. 122, вып. 4, с. 183–189.
Sorokin G.A., Sorokin A.P. Experimental and Numerical Investigations of Liquid Metal Boiling in Fuel Subassemblies under Natural Circulation Conditions. Proceeding of the First COE-INES International Symposium, INES-1. October 31 – November 4, 2004, Tokyo, Japan. 2005. The Progress in Nuclear Energy Journal, 2005, Special Issue: Innovative Nuclear Energy System for Sustainable Development of the World. vol. 47, no. 1–4, pp. 656–663.
Кутателадзе С.С., Боришанский В.М., Новиков И.И., Федынский О.С. Теплопередача в жидких металлах. Жидкометаллические теплоносители. М.: Атомиздат, 1958. 414 с.
Кириллов П.Л. Теплообмен жидких металлов в круглых трубах (однофазный и двухфазный потоки): дисс. … докт. тех. наук. М.: ИВТАН, 1968.
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.
БоришанскийВ.М., Кутателадзе С.С., Новиков И.И., Федынский О.С. Жидкометаллические теплоносители. М.: Атомиздат, 1976. 328 с.
Двайер О. Теплообмен при кипении жидких металлов. Пер. с англ. под ред. В.И. Субботина. М.: Мир, 1980. 516 с.
Зейгарник Ю.А., Литвинов В.Д. Кипение щелочных металлов в каналах. М.: Наука, 1983. 125 с.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Yamaguchi K. Flow Pattern and Dryout under Sodium Boiling Conditions. Nuclear Engineering and Design, 1987, vol. 99, no. 3, pp. 247–263.
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, July 19–23, 1982, pp. 291–300.
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.
Kaizer A., Huber F., Bottoni M., Dorr B. Contribution to Sodium Boiling Heat Transfer, Pressure Drop and Void Distributions In Multi-pin geometry. of NURETH-IV. Karlsruhe, Germany, 1989, vol. 1, pp. 610–616.
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.
Bergeonneau P., Rameau B. Conditions for Locally Stable Boiling in a Pin Bundle. Science and Technology Fast Reactor Safety, BNES. London, 1986, pp. 445–456.
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.
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.
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, т. 87, вып. 5, с. 337–342.
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.
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. of the 11 International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-11). Avignon, France, October 2–6, 2005.
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, с. 43–51.
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, с. 176–194. Доступно на: https://vant.ippe.ru/year2018/3/thermal-physics-hydrodynamics/1548-17.html (дата обращения 31.01.2024).
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.
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.
Kasahara F., Ninokata H., Sorokin A.P., Bogoslovskaya G.P. Analysis of liquid-metal boiling under the natural circulation condition. of the NTHAS2: Second Japan – Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety. Fukuoka, Japan, October 15–18, 2000.
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 расчетное моделирование теплообмена при кипении жидкого металла в системе параллельных тепловыделяющих сборок в режиме естественной конвекции. Известия вузов. Ядерная энергетика, 2005, № 4, c. 92–106.
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, т. 21, № 1, с. 58.
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.
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, т. 6, № 4, с. 682–690.
Кириллов П.Л. Банк данных по теплообмену в жидких металлах. Часть 2. Теплообмен при кипении жидких металлов: Препринт ФЭИ-3276. Обнинск: ФЭИ, 2017. 40 с.
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.
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.
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, 1968.
Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. Пер. с англ. М.: Мир, 1972. 440 с.
Ягов В.В. Теплообмен в однофазных средах и при фазовых превращениях: учебное пособие для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. 542 с.
Гогонин И.И. Зависимость теплообмена при кипении от свойств геометрических параметров теплоотдающей стенки. Теплофизика высоких температур, 2006, т. 44, № 6, с. 918–925.
Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия, 1977. 289 с.
Галин Н.М., Кириллов П.Л. Тепломассообмен (в ядерной энергетике). М.: Энергоатомиздат, 1987. 289 с.
Присняков В.Ф. Кипение. Киев: Наукова думка, 1988. 240 с.
Теплофизическая стендовая база атомной энергетики России и Казахстана. Редакционная коллегия: ПершуковВ.А., Архангельский Н.В., Кононов О.Е., Сорокин А.П. Саров: ФГУП «РФЯЦ – ВНИИЭФ», 2016. 160 с.
СорокинА.П., Кузина Ю.А., Иванов Е.Ф. Особенности теплообмена при кипении жидкого металла в аварийных режимах в ТВС быстрых реакторов. Атомная энергия, 2019, т. 126, вып. 2, с. 69–76.
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.
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. of 11^th International Heat Transfer Conference. Kyongju, Korea, August 23–28, 1998, vol. 2, pp. 357–361.
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.
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.
Хабенский В.Б., Герлига В.А. Нестабильность потока теплоносителя в элементах оборудования. Санкт-Петербург: Наука, 1994.
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.
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.
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. International Conference on Nuclear Engineering, ASME, 1996, vol. 1, Part 1, pp. 373–383.

УДК 621.039.526.034+621.039.546.8:536.26

Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Ядерно-реакторные константы, 2024, № 1, c. 154–178

БРОНД-3.1

Архив

2024, Выпуск 1