CC BY
25УДК 621.039
А.В. Варенцов, Д.В. Доронков, Е.С. Купричева, Д.Н. Солнцев, В.Д. Сорокин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОГО МАССООБМЕНА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
ДИСТАНЦИОНИРУЮЩИМИ РЕШЕТКАМИ В ТВС РЕАКТОРА КЛТ-40С
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Представлены результаты и анализ экспериментальных данных по исследованию локального массооб-мена и гидродинамики потока теплоносителя в ТВС реактора КЛТ-40С с дистанционирующими решетками.
Ключевые слова: ядерный реактор, тепловыделяющая сборка, гидродинамика теплоносителя, межканальный массообмен, дистанционирующая решетка.
Введение
Приоритетным направлением развития атомной энергетики России является создание установок для комплексного электро- и теплоснабжения изолированных потребителей в удаленных районах, не имеющих централизованного энергоснабжения. В нашей стране это крупные населенные пункты и порты вдоль Северного Морского пути и побережья Дальнего Востока, месторождения полезных ископаемых; за рубежом - прибрежные районы развивающихся стран. Также возможно использовать энергоисточники данного типа для опреснения морской воды в регионах с дефицитом пресной воды.
В настоящее время ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова» реализует проект атомной энергетической установки малой мощности на плавучих средствах. Энергоисточником такого «плавучего энергоблока» является реакторная установка КЛТ-40С. С одной стороны, разработка и комплексное научно-техническое обоснование активной зоны реактора КЛТ-40С является весьма важной задачей, с другой - кассетная активная зона реактора КЛТ-40С для первой в мире плавучей АЭС должна удовлетворять международным требованиям. Таким образом, решение этих задач обеспечит повышение технико-экономических показателей, инвестиционной привлекательности и экспортного потенциала российских плавучих АЭС.
Разработанная в «ОКБМ им. И.И. Африкантова» тепловыделяющая сборка (ТВС) для активных зон реактора КЛТ-40С должна отвечать всем требованиям к современному ядерному топливу, а именно: надежности, безопасности, экономичности и технологичности. Следовательно, для обоснования теплотехнической надежности активной зоны необходимо детально изучить и проанализировать локальные характеристики гидродинамики и массообме-на потока теплоносителя в ТВС реактора КЛТ-40С.
Экспериментальный стенд и методика проведения исследований
Учитывая сложность математического описания трехмерного течения жидкости в пучке твэлов, основным методом изучения гидродинамики сборок твэлов и активных зон реакторов в целом является экспериментальное исследование масштабных и полноразмерных моделей кассет и активных зон на аэро- и гидродинамических стендах [1]. Поэтому исследования локальных характеристик межъячеечного массообмена потока теплоносителя проводились на аэродинамическом экспериментальном стенде (рис. 1) методом диффузии газового трассера на масштабной модели, которая представляет собой ТВС реактора КЛТ-40С. Модель выполнена с коэффициентом геометрического подобия Кг = 5,9 и состоит из шести-
© Варенцов А.В., Доронков Д.В.,. Купричева Е.С., Солнцев Д.Н., Сорокин В.Д., 2012.
гранного чехла, семидесяти восьми цилиндрических твэлов-имитаторов, шести цилиндрических СВП-имитаторов, трех поясов дистанционирующих решеток.
Рис. 1. Общий вид экспериментального стенда
Пояс дистанционирующей решетки представляет собой трехуровневый набор пластин ДР, заключенных в общий бандаж (рис. 2). Исследуемый пояс дистанционирующей решетки располагается на расстоянии 1500 мм от выходного сечения экспериментальной модели, что соответствует 255 мм натурного пролета между двумя ДР.
Рис. 2. Пояс дистанционирующей решетки
Для исследования локальных характеристик межъячеечного массообмена и гидродинамики потока теплоносителя в модели ТВС РУ КЛТ-40С применялся метод диффузии примесей (метод трассера). Метод трассера основан на регистрации поперечного потока массы по некоторой переносимой субстанции (в данном случае газа) и относится к категории методов определения коэффициентов перемешивания [2].
Для измерения концентрации углеводородов CnHm в газо-воздушной смеси использовался газоанализатор, принцип которого основан на измерении величины поглощения инфракрасного излучения. Для управления и постоянного мониторинга экспериментальных данных, получаемых газоанализатором, разработан программный комплекс. В программном комплексе реализованы возможности построения графика изменения концентрации в зависимости от времени, а также непосредственный мониторинг динамики изменения концентрации в режиме реального времени и записи значений в файл [3].
Для обоснования представительности экспериментальных исследований массообмен-ных и гидродинамических характеристик модели ТВС активной зоны реактора КЛТ-40С необходимо соблюдение равенства местного гидравлического сопротивления натурных ди-станционирующих решеток ТВС реактора КЛТ-40С и дистанционирующих решеток экспериментальной модели. Результаты исследований зависимости коэффициента местного гидравлического сопротивления пояса дистанционирующей решетки от числа Re представлены на графике (рис. 3). Анализ результатов исследований коэффициентов гидравлического сопротивления показывает, что выбранная конструкция и геометрические характеристики ди-станционирующей решетки в диапазоне чисел Re от 40000 до 90000 обеспечивают их необходимое гидравлическое сопротивление. По результатам проведенных исследований коэффициент гидравлического сопротивления дистанционирующей решетки ЭМ в зоне автомодельного течения составил др = 0,29.
Все экспериментальные исследования проводились в диапазоне чисел Re от 4 -104 до 9 -104 на участке автомодельного течения теплоносителя, что подтверждено соответствующими исследованиями.
0.8 0.7 0.6 0.5
0.4
я, 0.3
ЛД
0.2
0.1
20000
40000 Re
60000
80000 Ю0000
Рис. 3. Зависимость коэффициента местного гидравлического сопротивления пояса ДР ТВС реактора КЛТ-40С от числа Яе
Результаты исследования распределения концентрации трассера и аксиальной скорости за поясом дистанционирующей решетки ТВС реактора КЛТ-40С
На основе полученных данных были построены графики зависимости концентрации трассера по длине экспериментальной модели от относительной координаты для характерных зон в поперечном сечении (рис. 4) за поясом дистанционирующей решетки, а также кар-
тограммы, позволяющие качественно визуально оценить распределение трассера в поперечном сечении экспериментальной модели.
Рис. 4. Расположение зон измерения в поперечном сечении ЭМ
5OO 475 45O 425 4OO 375 350 325 300 275 25O 225 2OO 175 150 125 100 75 50 25 0
( \
J
_ _4
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
12 3 4
6 7 8 9
I/d
11 12 13 14 ,¡- 16 17 18 19 21 22 2 3 24 26 27 28 29 31 32 33 34 0 ¡- 36 37 38 39 ЛП 41 42 43 44 „
10 15 20 25 30 35 40 45
0
5
Рис. 5. Распределение концентрации трассера по длине экспериментальной модели за поясом дистанционирующей решетки для зон № 86, 80, 92 и 93
Рассмотрев, как изменяется концентрация трассера из зоны инжекции №86 в соседние ячейки (рис. 5), можно отметить, что посредством механизма турбулентного переноса часть поперечного потока теплоносителя из каждой ячейки переходит в соседнюю ячейку, смешиваясь при этом с основным осевым потоком.
На рис. 6 представлена картограмма распределения концентрации пропана в выходном сечение экспериментальной модели ТВС реактора КЛТ-40С. Следует отметить, что ди-станционирующие решетки, состоящие из пластин, не приводят к интенсивному перемешиванию потока теплоносителя, так как распространение пропанового трассера в поперечном сечении ЭМ за дистанционирующей решеткой охватывает не более 11 -ти ячеек вокруг точки инжекции. Это обусловлено меньшей перемешивающей способностью пластинчатой ди-станционирующей решетки, а также тем, что ТВС реактора КЛТ-40С имеет раздвинутый пучок твэлов (х = зМ = 1,46). С другой стороны, такая пластинчатая решетка имеет «невысокое» гидравлическое сопротивление дР = 0,29.
Рис. 6. Распределение концентрации трассера в выходном сечении экспериментальной модели ТВС реактора КЛТ-40С
На рис. 7 представлены графики изменения относительного расхода теплоносителя за поясом ДР по длине экспериментальной модели. Из анализа данного графика можно судить о разности расходов через характерные ячейки, относительно стандартной:
• в ячейке, прилегающей к СВП-стержням (№63) расход составляет 40% от расхода в стандартной ячейке;
• в периферийной ячейке (№34) расход составляет 50% от расхода в стандартной ячейке;
• в ячейке, прилегающей к вытеснителю (№51), расход составляет 60% от расхода в стандартной ячейке.
0.8 -
0.6 -
с!
0.4 -
0.2 -
♦
О
зона 34 зона 51 зона 63
40
l/d
0
1 2
3 4 _ 6 7 8 9 „„ 11 12 13 14 16 17 18 19 „ 21 22 23 24 __ 26 27 28 29 31 32 33 34 __ 36 37
5 10 15 20 25 30 35
38 39
0
Рис. 7. График распределения расходов по длине экспериментальной модели
в ТВС реактора КЛТ-40С
Выводы
На основе комплексного анализа экспериментальных данных по исследованию характеристик межъячеечного массообмена и гидродинамики потока теплоносителя в КЛТ-40С с дистанционирующими решетками сделаны следующие выводы:
1. Посредством механизма турбулентного переноса, часть поперечного потока теплоносителя из каждой ячейки переходит в соседнюю ячейку, смешиваясь при этом с основным осевым потоком.
2. Дистанционирующая решетка ТВС реактора КЛТ-40С вносит возмущение в поток теплоносителя, вследствие чего возрастает интенсивность массообмена, характеризующаяся степенью турбулентности потока.
3. Применение дистанционирующих решеток, состоящих из пластин, не приводит к интенсивному перемешиванию потока теплоносителя. Это обусловлено меньшей перемешивающей способностью пластинчатой дистанционирующей решетки, а также тем, что ТВС реактора КЛТ-40С имеет раздвинутый пучок твэлов. С другой стороны, такая пластинчатая решетка имеет «невысокое» гидравлическое сопротивление.
Полученные результаты могут быть использованы в качестве базы экспериментальных данных для верификации СББ-кодов и программ детального поячеечного расчета активных зон водо-водяных ядерных реакторов, с целью уменьшения консерватизма при обосновании теплотехнической надежности активных зон.
Работа выполнена при поддержке Совета по Грантам Президента РФ, грант №МК-3172.2011.8.
Библиографический список
1. Бородин, С.С. Исследования массообменных характеристик и эффективности перемешивающих решеток ТВСА-АЛЬФА реакторов ВВЭР / С.С. Бородин [и др.] // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену: в 8 т. Т. 1. М., 2010. С. 177-180.
2. Балыбердин, А.С. Особенности гидродинамики и массообмена теплоносителя в ТВСА-АЛЬФА реактора ВВЭР / А.С. Балыбердин [и др.] // Изв. вузов. Сер. Ядерная энергетика. 2010. №1. С. 42-48.
3. Бородин, С.С. Исследование эффективности перемешивающих решеток в обоснование выбора оптимальной конструкции ТВСА-АЛЬФА реактора типа ВВЭР / С.С. Бородин [и др.] // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2010. № 1. С. 101-108.
Дата поступления в редакцию 31.01.2012
A.V. Varentsov, D.V. Doronkov, E.S. Kupricheva, D.N. Solntsev, V.D. Sorokin
INVESTIGATION OF LOCAL MASS TRANSFER AND EFFICIENCY OF SPACER GRIDS OF FUEL ASSEMBLY OF REACTORS KLT-40S
Nizhniy Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alexseev
Purpose: Experimental research of local hydrodynamics and mass transfer of heat carrier in the KLT-40S nuclear reactor FA features.
Design/methodology/approach: The main method of hydrodynamics and mass transfer in the nuclear reactor FA investigation is an experimental research of a full-size cassette model and active zones of aero- and hydrodynamics stands. For the local characteristics of intercellular mass transfer and hydrodynamics of the heat carrier in the KLT-40S nuclear reactor FA research the gas diffusion method was used.
Findings: The heat carrier flow features of the KLT-40S reactor were revealed. Local hydraulic resistance quotient of a spacer grid was estimated experimentally. Local hydrodynamic and mass transfer characteristics to figure out effective intercellular mass transfer of spacer grids in the KLT-40S nuclear reactor FA were found.
Research limitations/implications: The special databank was created on the base of the experiment results. The data are used for verifying CFD-codes to reduce conservatism on esteeming the KLT-40S reactor heat engineering reliability. The results of the research were accepted are now used by Join Stock Company OKBM Afrikantov. Originality/value: Topically of this article is in local hydrodynamics and heat carrier mass transfer research, and revealing features and conformity of heat carrier flow in the nuclear reactor FA to physical laws. Therefore we can prove heat engineering reliability of the KLT-40S reactor active zone.
Key words: nuclear reactor, fuel assembly, hydrodynamics of heat carrier, mass transfer, spacer grid.
