Расчетно-экспериментальное исследование повторного залива модельных тепловыделяющих сборок ввэр при максимальной проектной и запроектной авариях

На правах рукописи

базюк сергей сергеевич

расчетно-экспериментальное ИССЛЕДОВАНИЕ повторного залива модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР при максимальной проектной и запроектной авариях

Специальность: 01.04.14 – "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА – 2011

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре Инженерной теплофизики.

Научный руководитель: доктор технических наук, проф.

Кузма-Кичта Юрий Альфредович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Сергеев Виктор Васильевич

кандидат физико-математических наук

Волчек Александр Михайлович

Защита состоится 24 июня 2011 года в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.17, корп. Т, кафедра Инженерной теплофизики, комн. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан мая 2011 года

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения, просим посылать на адрес: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04

к.ф.–м.н., доцент __________ Мика В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За время существования атомной энергетики произошли аварии на различных АЭС и среди них - три наиболее крупные: Три Майл Айлэнд (28.03.1979), Чернобыльская (26.05.1986), Фукусима Даи-ичи (11.03.2011). Произошедшие катастрофы убеждают в необходимости проведения исследований максимальных проектных (МПА), запроектных (ЗПА) и тяжелых аварий на АЭС. Поэтому в настоящее время во всем мире, в том числе и в России, проводится более детальный анализ безопасности атомных станций на всех стадиях эксплуатации и, прежде всего, в условиях аварии ЯЭУ.

Знания о механизме каждой из стадий необходимы для анализа безопасности реакторной установки и поиска средств управления аварией. Исследование первой и второй стадий является наиболее целесообразным, так как принимаемые меры для предотвращения дальнейшего развития аварии в этих условиях наиболее эффективны. Однако если авария перешла в запроектную стадию, необходимо, чтобы и в этих условиях методы и средства управления аварией оставались эффективными для недопущения ее перехода в тяжелую стадию. Для разработки рекомендаций по управлению аварией на всех стадиях ее протекания для проектируемых и эксплуатирующихся АЭС необходимо исследовать повторный залив тепловыделяющих сборок (ТВС) в условиях, близких к реальным.

В настоящее время исследуется повторный залив с образованием водорода при моделировании проектных и запроектных аварий на одиночных имитаторах твэлов и модельных ТВС ВВЭР и PWR на стендах ПАРАМЕТР (подача охлаждающей воды снизу (НЗ), сверху (ВЗ) или комбинированным способом, Россия) и Quench (подача охлаждающей воды снизу, Германия).

Однако сложные геометрия каналов и структуры нестационарного многофазного потока, высокие параметры среды обусловливают трудности моделирования и недостаточную изученность процессов тепломассообмена, возникающих при аварийном охлаждении. Имеющиеся данные по повторному заливу модельных сборок ВВЭР крайне ограничены. Отсутствуют массивы данных и обобщающие соотношения по скорости фронта смачивания () одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР из штатных конструкционных элементов при заливе сверху и снизу в условиях разгерметизации и раздутия окисленных оболочек. Необходимо проводить верификацию существующих расчетных кодов для анализа процессов разогрева и охлаждения твэлов ВВЭР в условиях аварии с потерей теплоносителя при изменении площади проходного сечения. Необходимо разрабатывать методику оценки основных характеристик расхолаживания при повторном заливе снизу и сверху одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР в условиях МПА и ЗПА. На решение вышеприведенных задач направлена настоящая работа, что обуславливает ее актуальность.

Целью работы является расчетно-экспериментальное исследование повторного залива одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР из штатных конструкционных элементов при максимальной проектной и запроектной авариях.

Научная новизна:

- впервые получены массив данных и обобщающее соотношение для скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР при заливе снизу в условиях разгерметизации и раздутия окисленных оболочек. Установлена зависимость от температуры оболочки, массового расхода охлаждающей воды и подведенного тепла. Показано, что на скорость фронта смачивания влияют также раздутие и разгерметизация оболочки, окисление поверхности и возможно изменение до 3 раз по длине и сечению модельной ТВС. Обнаружено, что известные соотношения в исследованных условиях предсказывают скорость фронта смачивания до 23 раз больше, чем в эксперименте;

- впервые получены массив данных и обобщающее соотношение для скорости фронта смачивания модельных ТВС ВВЭР из штатных конструкционных элементов с окисленными оболочками при заливе сверху. Установлена зависимость от температуры оболочки, массового расхода охлаждающей воды. Обнаружено, что влияние температуры оболочки на скорость фронта смачивания более существенное, чем при заливе снизу;

- обработаны температурные режимы 20 экспериментов по повторному заливу одиночных имитаторов твэлов (НЗ) и 23 – модельных 19-ти и 37-ми стержневых ТВС ВВЭР (НЗ и ВЗ) на стенде ПАРАМЕТР. Диапазоны изменения режимных параметров в опытах: с одиночными имитаторами – максимальная температура оболочки до залива Tст0 = 7601190 oC, расход подачи воды залива w = 12 78 кг/(м2·с), мощность, имитирующая остаточное тепловыделение, ql = 04,5 кВт/м, температура воды на входе в РУ Tвх = 20 оС; модельными ТВС ВВЭР – Tст0 = 5001160 oC (НЗ), Tст0 = 4601490 oC (ВЗ), w = 13 19,5 кг/(м2·с) (ВЗ), w = 4981 кг/(м2·с) (НЗ), Tнед = 80120 oC. Во всех экспериментах оболочки окисленные, а в ряде - раздутые и разгерметизированные;

- совместно с ОКБ “Гидропресс” подтверждена применимость расчетных моделей, реализованных в кодах КАНАЛ-97, КОРСАР/ГП, для анализа процессов разогрева и охлаждения твэлов ВВЭР при аварии с потерей теплоносителя в условиях изменения площади проходного сечения для теплоносителя до 5% вследствие раздутия их оболочек;

- усовершенствована балансовая методика оценки основных характеристик расхолаживания при повторном заливе снизу или сверху одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР в условиях МПА и ЗПА, удовлетворительно описывающая опытные данные в диапазоне температур до 1200 оС.

Достоверность представленных в диссертации результатов обосновывается использованием на стенде ПАРАМЕТР современных приборов высокого класса точности, воспроизводимостью опытных данных при различной скорости опроса датчиков, проведением необходимых тарировок измерительных средств и выполнением баланса подведенного и отведенного от ТВС тепла.

Полученные массивы данных по скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР согласуются с имеющимися представлениями об исследованных процессах.

Надежность предложенной методики оценки основных характеристик расхолаживания одиночного имитатора твэла и модельной ТВС при повторном заливе подтверждается тем, что она основана на балансе подведенного и отведенного тепла и согласуется с результатами расчета и опытными данными, полученными для штатных конструкционных элементов активной зоны реактора ВВЭР в диапазоне температур до 1200 оС.

Рассчитанные максимальная температура оболочки одиночного имитатора твэла ВВЭР, время ее достижения и основные характеристики повторного смачивания в условиях МПА по двум лицензионным (КАНАЛ-97 и КОРСАР/ГП) и специально разработанному для проведения испытаний на стенде ПАРАМЕТР (PARAM-TG) кодам согласуются с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы. Данные по температурным режимам твэлов, изготовленных из штатных конструкционных элементов, в условиях МПА и ЗПА использованы для верификации кодов КОРСАР/ГП, КАНАЛ-97, предназначенных для анализа безопасности АЭС с ВВЭР, и кода PARAM-TG, разработанного для расчетного сопровождения экспериментов на стенде ПАРАМЕТР.

Полученные температурные режимы, созданные массивы данных и обобщающие соотношения по скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР с окисленными, раздутыми и разгерметизированными оболочками могут быть применены при разработке и верификации моделей повторного залива при МПА и ЗПА как существующих, так и усовершенствованных теплогидравлических кодов улучшенной оценки.

Усовершенствованная балансовая методика позволила оценить основные характеристики расхолаживания одиночного имитатора твэла и модельной тепловыделяющей сборки ВВЭР и может быть использована при подготовке сценариев экспериментов по повторному заливу снизу или сверху как на стенде ПАРАМЕТР, так и на других установках.

Личный вклад автора состоит в:

- обработке температурных режимов 20 экспериментов по повторному заливу одиночных имитаторов твэлов (НЗ) и 23 – модельных 19-ти и 37-ми стержневых ТВС ВВЭР (НЗ и ВЗ) из штатных конструкционных элементов на стенде ПАРАМЕТР. Во всех экспериментах на одиночных имитаторах твэлов, а также в 9 – на модельных ТВС автор принимал непосредственное участие и выполнял пре- и посттестовые расчеты с помощью кода PARAM-TG;

- создании массивов данных и получении обобщающих соотношений по скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР с окисленными при заливе сверху и раздутыми, разгерметизированными и окисленными оболочками – при заливе снизу;

- сопоставлении экспериментальных данных по максимальной температуре оболочки одиночного имитатора твэла ВВЭР, времени ее достижения и характеристик повторного смачивания в условиях МПА на стенде ПАРАМЕТР с результатами расчетов с помощью лицензионных кодов КОРСАР/ГП, КАНАЛ-97, выполненных совместно с ОКБ “Гидропресс”;

- усовершенствовании балансовой методики оценки основных характеристик расхолаживания одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР и проведении сопоставления с опытными данными, полученными для штатных конструкционных элементов в диапазоне температур до 1200 оС.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Результаты расчетно-экспериментального исследования температурных режимов при повторном заливе снизу и сверху одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР из штатных конструкционных элементов при максимальной проектной и запроектной авариях.
2. Массивы данных и обобщающие соотношения по окисленных, раздутых и разгерметизированных одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР при заливе снизу и сверху в условиях МПА и ЗПА.
3. Данные по температурным режимам одиночных имитаторов твэлов ВВЭР в условиях МПА, полученные в экспериментах на стенде ПАРАМЕТР, и результаты расчетов по коду PARAM-TG на стадии нагрева и по кодам КАНАЛ-97, КОРСАР/ГП совместно с ОКБ “Гидропресс” - на всех стадиях аварии, включая повторный залив, а также их сопоставление.
4. Балансовая методика оценки основных характеристик расхолаживания одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС ВВЭР при заливе снизу и сверху в условиях максимальной проектной аварии, применимая для штатных конструкционных элементов в диапазоне температур до 1200 оС.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на: XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, ЦАГИ, г. Жуковский, 2009 г.; Шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика”, МЭИ, г. Москва, 2010 г.; семинаре ИБРАЭ РАН, г. Москва, 22 сентября 2010 г.; Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5), МЭИ, г. Москва, октябрь 2010 г.; Семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика”, МЭИ, г. Москва, 2011 г.; заседании кафедры ИТФ МЭИ 6 апреля 2011 г.

Основное содержание диссертации отражено в 5 печатных работах, в том числе в одной статье в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Текст иллюстрируют 63 рисунка и 9 таблиц, список использованной библиографии составляет 48 пунктов. Общий объем диссертации составляет 125 машинописных страниц.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы.

В первой главе анализируются имеющиеся исследования повторного залива одиночных имитаторов твэлов и модельных ТВС, даны описания кодов КАНАЛ-97, КОРСАР/ГП и PARAM-TG, используемых для расчета основных характеристик МПА и ЗПА. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приводятся описания экспериментального стенда ПАРАМЕТР, рабочих участков и методики исследования скорости фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок в условиях максимальной проектной и запроектной аварий ВВЭР.

Основными элементами и устройствами стенда являются: рабочий участок с модельной ТВС; системы: электронагрева модельной ТВС и питания стенда, генерации и конденсации пара, аварийного залива модельной тепловыделяющей сборки снизу и сверху, обеспечения аргоном и гелием, контроля и анализа водорода, а также информационно-измерительная.

Рабочие участки. На стенде ПАРАМЕТР исследованы рабочие участки (РУ) с одиночными имитаторами твэлов и модельными ТВС. Одиночный имитатор твэла устанавливался в корпус 32х2х1490 мм, выполненный из стали 12Х18Н10Т. На боковой поверхности корпуса расположены штуцеры входа и выхода аргона, пара и охлаждающей воды для осуществления залива твэла снизу. Снаружи корпуса рабочего участка установлен слой теплоизоляции толщиной 34 мм из двуокиси циркония ZYFB-3 или шамотного кирпича ШВП-350. Электроизоляция нагревателя твэла обеспечивается верхним и нижним металлокерамическими узлами (МКУ). В верхнем фланце установлены МКУ для ввода и герметизации датчиков температуры и давления. Конструкция рабочего участка обеспечивает проведение испытаний имитаторов

твэлов при температуре оболочки до 1200 оС и давлении до 6,0 МПа.

Рис. 1. Рабочий участок стенда ПАРАМЕТР для испытаний модельных ТВС в условиях аварии с потерей теплоносителя (LOCA)

Корпус РУ для испытаний модельных ТВС (рис. 1) состоит из трех секций, соединенных фланцами. Верхняя секция предназначена для ввода в рабочий объем и герметизации имитаторов твэлов, термопар и трубок системы верхнего залива, подачи аргона при нижнем заливе,  вывода парогазовой смеси из рабочего участка в теплообменник - конденсатор, отвода и контроля объема воды, поступившей из модельной сборки при заливе сверху. Верхняя секция РУ состоит из корпуса, изготовленного из трубы 133х6 мм из нержавеющей стали и оснащенного кожухом водяного охлаждения, двух водоохлаждаемых фланцев, направляющего канала, экрана. В корпусе установлены штуцеры вывода парогазовой смеси, подачи аргона при нижнем заливе, отвода воды из модельной сборки при верхнем заливе.

Средняя секция предназначена для размещения модельной ТВС, теплоизоляции, системы регистрации и контроля параметров испытаний, а также компенсации температурных расширений обечайки. Корпус средней секции выполнен из стальной трубы 133х6 мм и оборудован кожухом водяного охлаждения. В корпусе соосно располагаются модельная тепловыделяющая сборка, цилиндрическая циркониевая обечайка 69,7х1,2 мм, слой теплоизоляции. Верхняя и нижняя разделительные мембраны вместе с компенсирующим сильфоном служат для герметизации исследуемой ТВС.

Нижняя секция рабочего участка служит для раздельной подачи пара, аргона и охлаждающей воды снизу в рабочий объем модельной сборки. Корпус нижней секции изготовлен из двух труб из нержавеющей стали 156х6х690 мм, 203х3х210 мм и снабжен нагревателем. В корпусе установлены штуцеры подвода пара, аргона, охлаждающей воды при нижнем и аварийном заливах. Верхний и нижний водоохлаждаемые фланцы используются для ввода токоподводов, термопар и слива воды.

Методика исследования. Согласно сценарию эксперимента происходят разогрев ТВС в потоке пара до максимальной температуры, предокисление оболочек при этой температуре и залив ТВС водой снизу или сверху. Согласно методике на каждой кривой (рис. 2) на стадии залива выделялись три характерные точки с резким изменением градиента температуры во времени, и скорость фронта смачивания определялась по формуле:

,

(1)

где индекс к показывает соответствующую характерную точку, для которой выполняется расчет; i – номер термопары на данном имитаторе твэла.

Рис. 2. Методика определения скорости фронта смачивания

При анализе данных обнаружено, что в диапазоне изменения режимных параметров, имеющих место в эксперименте, различие в значениях скорости фронта смачивания, определенных по трем указанным на рисунке 2 точкам, составляет не более 23%. Однако проще определить по моменту времени, когда температура оболочки достигает значения Ts.

В главе 3 представлены данные по температурным режимам и скоростям фронта смачивания одиночных имитаторов твэлов и модельных тепловыделяющих сборок. Всего было обработано 20 экспериментов по повторному заливу одиночных имитаторов твэлов (НЗ) и 23 – модельных 19-ти и 37-ми стержневых ТВС ВВЭР (НЗ и ВЗ) из штатных конструкционных элементов, проведенных на стенде ПАРАМЕТР. Диапазоны изменения режимных параметров в опытах: с одиночными имитаторами – максимальная температура оболочки до залива Tст0 = 7601190 oC, массовая скорость охлаждающей воды w = 1278 кг/(м2·с), мощность, имитирующая остаточное тепловыделение, ql = 04,5 кВт/м, температура воды на входе в РУ Tвх = 20 оС; с модельными ТВС ВВЭР – Tст0 = 5001160 oC (НЗ), Tст0 = 4601490 oC (ВЗ), w = 1319,5 кг/(м2·с) (ВЗ), w = 4981 кг/(м2·с) (НЗ), Tнед = 80120 oC. Во всех экспериментах оболочки окисленные, а в ряде - раздутые и разгерметизированные.

На рис. 3а,б представлены температурные режимы оболочек 19 стержневых

модельных ТВС ВВЭР при заливе снизу в условиях МПА и сверху – в условиях ЗПА соответственно, полученные ранее на стенде ПАРАМЕТР и обработанные в настоящей работе.

Рис. 3. Термограммы при повторном заливе 19 стержневой модельной ТВС ВВЭР: а) снизу, б) сверху

Рис. 4. Поперечное сечение 19 стержневой модельной ТВС

На рисунке приведены кривые расхода воды (R3), мощности нагревательных секций (P1 P4), термограммы для различных термопар и обозначения (например, Т2112), содержащие информацию по их расположению (рис. 4): первая цифра обозначает ряд твэлов в ТВС, вторая – номер твэла в ряду, на котором установлена термопара, последующие – координату сечения по длине (х 100 мм).

На каждой кривой можно выделить три характерных участка: предварительного охлаждения, резкого спада температуры и зону с примерно постоянной температурой. Резкие колебания температуры оболочки ряда термограмм вызваны наводками. Температура и время, соответствующие возникновению резкого спада Tc(), существенно различаются из-за неодинаковых условий в точках измерений.

При анализе полученных в работе результатов по скорости фронта смачивания использованы данные посттестовых материаловедческих исследований на стенде ПАРАМЕТР, включающие окружную деформацию оболочек по длине твэлов и состояние поверхности (рис. 5, 6).

Рис. 5. Характерное распределение блокировки проходного сечения 19 стержневой модельной ТВС по длине при исследовании МПА	Рис. 6. Внешний вид раздутого и разгерметизированного твэла после проведения эксперимента

Установлено, что при нижнем заливе в условиях МПА скорость фронта смачивания в области недеформированной ТВС примерно постоянная. В зоне деформированной ТВС изменяется до 3 раз по длине и сечению (рис. 7) и происходят перераспределение потока и изменение направления движения фронта смачивания. На стенде ПАРАМЕТР исследовалось охлаждение сборки в условиях ЗПА при верхнем заливе и установлено, что оболочки твэлов ТВС не разрушаются при . Обнаружено, что на ближайшей к месту входа воды и наиболее нагретой дистанционирующей решетке происходит торможение фронта смачивания.

Рис. 7. Изменение скорости фронта смачивания по длине ТВС при нижнем заливе в условиях МПА

На основании полученных данных установлены зависимости скорости фронта смачивания от начальной температуры оболочки твэла, расхода охлаждающей воды и подведенного тепла, имитирующего остаточное тепловыделение. Массивы полученных экспериментальных данных по скорости фронта смачивания модельных тепловыделяющих сборок описываются следующими уравнениями с погрешностью 20%:

(2)

где - мощность, подводимая к ТВС, кВт; для НЗ: A = 0,477·102, a = 0,178, k1 = 1,021, k2 = -1,817, k3 = -1,645; для ВЗ: A = 2,43·102, a = 0, k1 = 0,944, k2 = -2,0.

На рис. 8а,б показаны полученные опытные данные, а также известные и предложенные корреляции. Обнаружено, что в исследованных условиях до 23 раз меньше, чем по результатам расчета согласно известным соотношениям. Относительно малый разброс опытных данных в области высоких температур при верхнем заливе (рис. 8б) можно объяснить тем, что избыточное давление в твэлах было пониженным, вследствие чего не происходили раздутие и разгерметизация оболочек исследуемых ТВС.

В главе 4 представлены данные по температурным режимам одиночных имитаторов твэлов ВВЭР в условиях МПА, полученные в экспериментах на стенде ПАРАМЕТР, и согласно расчетам по существующим кодам. Для расчета выбраны лицензионные коды КАНАЛ-97, КОРСАР/ГП, описывающие все стадии аварий в диапазоне температур оболочки твэла до 1200 оС, и код

Рис. 8. Зависимость скорости фронта смачивания модельных ТВС ВВЭР от начальной температуры оболочки твэла и массовой скорости при различных способах подачи воды: а) снизу в условиях МПА, б) сверху в условиях ЗПА

PARAM-TG, предназначенный для сопровождения экспериментов на стенде ПАРАМЕТР на этапе нагрева модельной ТВС. Расчеты по кодам КАНАЛ-97, КОРСАР/ГП проведены совместно с ОКБ “Гидропресс”. С целью верификации кодов были отобраны и проанализированы четыре эксперимента: два – на модели твэла с стальной оболочкой без топливных таблеток, и два – на штатном имитаторе твэла ВВЭР.

На рис. 9 приведено сравнение измеренной температуры (Т6) стальной оболочки имитатора твэла с рассчитанной по кодам КАНАЛ-97, КОРСАР/ГП и PARAM-TG при моделировании остаточного тепловыделения. Все коды удовлетворительно предсказывают изменение температуры оболочки во времени на стадии нагрева имитатора до достижения Тmax. Максимальная температура оболочки имитатора твэла, рассчитанная по кодам КАНАЛ-97, PARAM-TG, КОРСАР/ГП, превышает измеренную на 2%, 4% и 8% соответственно. Код PARAM-TG точнее описывает температурный режим оболочки после отключения электрической мощности до подачи охлаждающей воды, чем коды КАНАЛ-97 и КОРСАР/ГП. На стадии повторного залива снизу длительность расхолаживания оболочки до температуры насыщения согласно коду КАНАЛ-97 больше на 5% , КОРСАР/ГП – на 11%, чем в опыте.