CC BY
40
УДК 621.039.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРКАХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
А.Т. КОМОВ*, В.Н. БЛИНКОВ**, А.Н. ВАРАВВА*, А.В. ДЕДОВ*, И.В. ЁЛКИН**
*Московский энергетический институт (технический университет) **Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных
электростанций
Приводится описание нового теплогидравлического стенда, на котором планируется выполнение комплекса экспериментальных работ по исследованию теплообмена и гидродинамики в элементах тепловыделяющих сборок с твэлами, альтернативными классическим стержневым.
Ключевые слова: экспериментальный стенд, твэл, теплообмен, гидродинамика.
В настоящее время в большинстве реакторных установок (РУ) атомных электрических станций (АЭС) используются стержневые твэлы, собранные в тепловыделяющие сборки (ТВС). Основной недостаток таких ТВС заключается в сравнительно низких значениях удельной объёмной мощности реакторных установок и высоких температурах в центре твэлов. Практически все имеющиеся возможности для повышения удельной мощности РУ и понижения температуры топлива (повышения безопасности АЭС) при использовании традиционных ТВС исчерпаны.
Для повышения энергонапряженности РУ и понижения температуры топлива необходима разработка новых конструкций твэлов с альтернативными схемами съема тепла.
В последние годы работы по научно-техническому обоснованию эффективности использования твэлов в РУ нового поколения ведутся как в России, так и за рубежом. Одно из перспективных направлений поисковых работ связано с использованием новой конструкции твэлов в виде микротвэльных частиц (шаров), непосредственно охлаждаемых как однофазным, так и двухфазным теплоносителем, способных осуществлять перегрев пара непосредственно в активной зоне [1-8]. При этом микротвэльная шаровая засыпка размещается в кассетах с продольно-поперечным движением теплоносителя [1]. ТВС, собранные из таких кассет, обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными стержневыми, основные из них:
• во много раз увеличивается поверхность теплосъёма, что уменьшает плотность тепловых потоков и значительно снижает опасность возникновения кризиса теплоотдачи;
• значительно снижается температура топлива за счёт интенсивной передачи тепла от шаровых твэлов к теплоносителю;
• вследствие увеличения турбулизации обеспечивается однородность температурного поля по сечению потока, что положительно сказывается на снижении вероятности возникновения кризиса теплоотдачи;
• возможность использования РУ прямоточного типа, где имеет место полное испарение потока теплоносителя и перегрев пара в активной зоне [2];
© А.Т. Комов, В.Н. Блинков, А.Н. Варавва, А.В. Дедов, И.В. Ёлкин Проблемы энергетики, 2010, № 5-6
• возможность создания реактора с непрерывной перегрузкой микротоплива без снятия крышки корпуса и снижения мощности РУ.
Другой перспективный подход для решения проблемы состоит в увеличении поверхности отвода тепла, т.е. организации теплосъема как с наружной поверхности твэла (традиционная схема), так и с внутренней теплоотдающей поверхности (трубчатые твэлы) [9-13]. В этом случае повышение энергонапряженности и снижение максимальной температуры топлива достигается за счет:
• увеличения поверхности теплосъема - теплосъем осуществляется как с наружной (выпуклой), так и с внутренней (вогнутой) теплоотдающих поверхностей;
• образования обратных тепловых связей между выпуклой и вогнутой теплоотдающими поверхностями. Любое ухудшение теплосъема на одной из поверхностей приведет к перераспределению тепловых потоков, смещению максимума теплового потока к одной из поверхностей, улучшению тепловой обстановки на поверхности, где ухудшились условия теплосъема;
• образования обратных гидравлических связей. Обратная гидравлическая связь реализуется путем организации перетоков теплоносителя через отверстия из внутренних полостей твэлов в межтвэльное пространство (или наоборот), тем самым теплоноситель перемешивается по сечению ТВС, интенсифицируя теплосъем с теплоотдающих поверхностей.
В настоящее время в ряде стран ведутся активные работы по обоснованию ТВС с трубчатыми твэлами. Наиболее полные результаты получены в Массачусетском технологическом институте. Значительный цикл теплогидравлических исследований выполнен в Корейском институте инновационных научно-технических исследований.
В целях экспериментального исследования гидродинамики и теплообмена в ТВС с альтернативными твэлами в МЭИ в рамках реализации инновационно-образовательной программы создан экспериментальный стенд, позволяющий моделировать теплогидравлические условия в ТВС в широком диапазоне технологических параметров. Экспериментальное моделирование особенностей гидродинамики и теплообмена в трубчатых твэлах предполагается выполнить на рабочих участках с трубчатыми каналами и при наличии различных гидродинамических и тепловых обратных связей. Конструкция стенда предполагает также возможность включения в гидравлический контур рабочих участков, моделирующих микротвэльную шаровую засыпку с внутренним тепловыделением. Подобные рабочие участки оснащаются кассетами с металлическими шариками, имитирующими микротвэл. При этом внутреннее тепловыделение в модельных системах обеспечивается высокочастотным индукционным нагревом. Технологические параметры стенда соответствуют эксплуатационным параметрам реальных установок типа ВВЭР-1000 (давление до 16 МПа, температура до 3500С).
Технологическая система (ТС) стенда позволяет проводить экспериментальные исследования при параметрах, соответствующих штатным в реакторах ВВЭР. В состав ТС входят: гидравлический контур с элементами нагрева и охлаждения, электротехническое силовое оборудование, автоматизированные средства измерений и управления, а также высокочастотная система индукционного нагрева, построенная на базе генератора ВЧГ 9-60/0,44.
Теплогидравлический контур
Схема теплогидравлического контура представлена на рис. 1.
¡кмо охлачовцая
Рис. 1. Схема теплогидравлического контура
Теплогидравлический контур представляет собой замкнутую одноконтурную герметически плотную циркуляционную систему, заполненную дистиллированной водой и работающую под давлением 0,5...16,0 МПа. Рабочий участок расположен в сосуде высокого давления (СВД) 1. Циркуляция воды в контуре осуществляется насосом ЦЭН-149 2, обеспечивающим номинальный расход 8 м3/час и напор 106 Па. Изменение расхода производится задвижкой, расположенной на байпасной линии, или частотным преобразователем. Избыточное давление в контуре создается и поддерживается (паром или газом) с помощью компенсатора давления (КД) 3. Паровая "подушка" создается электронагревателем 8 путем частичного испарения насыщенной воды в автономном контуре естественной циркуляции КД. Газовая "подушка" создается подачей сжатого воздуха в газовый объем КД из баллона 9.
Предохранительный клапан 10 защищает оборудование от превышения разрешенного давления путем сброса среды при давлении, превышающем давление настройки.
Подогрев воды перед рабочим участком осуществляется контурными электронагревателями (ЭН) 4, 5. Теплообменник 7, выполняющий функцию экономайзера (ЭК) стенда, производит предварительный подогрев воды перед ее поступлением в электронагреватели.
Теплоноситель из напорного патрубка ЦЭН 2 поступает в измерительный участок (ИУ) 12, на котором измеряется общий расход теплоносителя. Далее поток разделяется на две части. Одна часть направляется через измерительный узел, составленный из трех параллельно соединенных ИУ 13, 14, 15 в трубчатую часть экономайзера, в которой происходит предварительный подогрев теплоносителя. Далее этот поток поступает в контурные электронагреватели ЭН 4, 5 и СВД со встроенным рабочим участком. После рабочего участка вода или пароводяная смесь поступает в корпусную часть экономайзера 7, после чего она поступает на вход насоса через смеситель с фильтром 18. Другая часть потока направляется в байпасную линию через запорно-регулирующую арматуру 17, затем в контурный холодильник 6 и далее, через смеситель с фильтром 18, на вход насоса. Смеситель представляет собой тройник, где происходит смешивание контурной воды, поступающей в ЭК, с потоком охлажденным в холодильнике 6. Такая схема охлаждения контурной воды оказывается наиболее рациональной и обеспечивает поступление в насос смешанной в смесителе воды при температуре ниже температуры насыщения на 15^20 оС, что необходимо для устойчивой работы циркуляционного насоса 2. Измерительный участок 16 служит для измерения расхода теплоносителя через байпасную линию.
Заполнение и подпитка контура производится насосом-дозатором 19 из бака 11 с запасом дистиллированной воды. Запас дистиллированной воды для работы стенда создается в вертикальном цилиндрическом баке атмосферного типа 11. Защита от переполнения производится переливной линией, заведенной в сливную воронку. В баке смонтировано пароприемное устройство, с помощью которого осуществляется барботаж и конденсация пара при срабатывании предохранительного клапана 10. Удаление избытка горячей воды в контуре производится через холодильник 20 и дроссель 21 в бак дистиллированной воды 11 с помощью запорного клапана с электроприводом 22.
Средства измерений и автоматизации
Теплофизический стенд оснащен автоматическими системами сбора информации и управления. При выполнении исследований регистрируются следующие параметры: давление, перепад давлений, температура воды и стенки рабочего участка, расход теплоносителя, мощность вспомогательных нагревателей и мощность, выделяемая на рабочем участке, а также технологические параметры, необходимые для управления стендом и получения требуемых значений давления, расхода и температуры теплоносителя на входе в рабочий участок.
Высокочастотная система нагрева (ВСН)
ВСН обеспечивает нагрев шаровой засыпки из металлических шариков, моделирующей микротвэльную засыпку. Нагрев шариков осуществляется воздействием токов высокой частоты, которые обеспечивают внутреннее тепловыделение (имитация тепловыделения в микротвэле). ВСН строится на базе высокочастотного генератора ВЧГ 9 - 60 / 0,44 (рис. 2), который состоит из блока питания 1 с тиристорным регулятором и генераторным блоком 2 с генераторной лампой. Генератор обеспечивает на выходе колебательную мощность 60 кВт при частоте 0,44 МГц. Технологический блок 3 (блок нагревательного контура) представляет собой собственно нагревательный контур и блок трансформаторной связи с индуктором 4. Технологический блок подключен к блоку генератора с помощью радиочастотного кабеля 5.
Рис. 2. Блок-схема высокочастотной системы нагрева
Индуктор посредством переходников жестко крепится к технологическому блоку. Расстояние от технологического блока до оси индуктора 500мм. Длина индуктора - 500 мм, внутренний диаметр - 60 мм. Генератор с технологическим блоком размещены в 4 металлических шкафах высотой 2,3 м, занимающих общую площадь 6 м2. Общая масса 1900 кг. ВСН была разработана и изготовлена в (ВНИИ ТВЧ) им. В. И. Вологдина (г. Санкт-Петербург).
Основные технические характеристики генератора и технологического
блока.
Напряжение питающей сети - 380 В.
Мощность, потребляемая от сети, - 85 кВт.
Мощность колебательная номинальная - 60 кВт.
Мощность тепловая (выделяемая в индукторе) не менее 40 кВт.
Общий расходы воды для охлаждения элементов генератора и технологического блока - 2,6 м3/час.
Металлические шарики помещаются в контейнер заданной формы и размеров, который закрепляется в корпусе рабочего участка, выполненного по оригинальной технологии из специально разработанного композитного материала. Корпус рабочего участка, с одной стороны, должен удовлетворять максимальным технологическим параметрам при проведении эксперимента (давление до 16 МПа, температура теплоносителя внутри корпуса 350° С, теплоноситель - дистиллированная вода), а с другой стороны, он должен быть радиопрозрачным для частоты 0,44 МГц. По результатам исследований и расчетов в качестве основных компонентов для материала корпуса были выбраны кремнеземная лента марки КЛ-11-5,0 (наполнитель) и кремнийорганическая смола марки КН-9К. Стеклотекстолиту, полученному на этой основе, присвоена марка СТР-КЛ-5,°.
Рабочий участок представляет собой цилиндр длиной 740 мм с наружным диаметром 56 мм, внутренним диаметром 33 мм. На концах композитной трубы по внешнему диаметру выполнена резьба, на которую наворачиваются металлические фланцы. С помощью фланцев рабочий участок включается в
гидравлический контур экспериментального стенда. Разработка и изготовление рабочего участка проведена при участии ОАО «Композит» (г. Королев Московской области).
Ниже приведены основные технологические и эксплуатационные параметры теплофизического стенда:
теплоноситель - дистиллированная вода, максимальное рабочее давление - 16 МПа, максимальная температура теплоносителя - 348° С, массовый расход теплоносителя - °,°°5 - 1,36 кг/с,
потребляемая электрическая мощность на максимальных технологических режимах - 4°° кВт,
общий расход охлаждающей воды на максимальных тепловых нагрузках — 25,6 м3/час.
Проведены наладка и испытания отдельных устройств и блоков, а также пусконаладочные испытания стенда в целом. Проведенные испытания показали работоспособность стенда. Разработка, изготовление, монтаж и пуско-наладка теплогидравлического стенда выполнены совместно с ОАО "ЭНИЦ".
Работа выполняется в рамках задания Федерального агентства по образованию Минобрнауки по аналитической ведомственной программе «Развитие научного потенциала высшей школы», грант № 2.1.2 /476.
Summary
The description of new test equipment for heat and hydraulic investigations is given. It is created for fullfilling experimental work complexes to investigate heat transfer and hydrodynamics in heat release assemblage elements with fuel elements alternative to standart rod assemblies.
Key words: test equipment, fuel element, heat transfer, hydrodynamics.
Литература
1. Пономарев-Степной Н.Н., Кухаркин Н.Е., Хрулев А.А., Дегальцев Ю.Г. и др. Перспективы развития микротвэлов в ВВЭР // Атомная энергия. 1999. Т. 86. Вып. 6.
2. Филиппов Г.А., Богоявленский Р.Г., Авдеев А.А. Перспективы создания прямоточных микротвэльных ядерных реакторов с перегревом пара // Тяжелое машиностроение. 2°°2. №1. С. 7 - 11.
3. Гольцев А.О., Кухаркин Н.Е., Мосевицкий И.С., Пономарев-Степной Н.Н. Концепция безопасного водо-водяного реактора с тепловыделяющими блоками на основе микротвэлов ВТГР // Атомная энергия. 1993. Т.75. Вып.6.
4. Гришанин Е.И., Денисов Е.Е., Любин А.Я., Фальковский Л.Н. Разработка математической модели для расчета параметров теплоносителя в тепловыделяющей сборке легководного реактора с микротвэлами // Тяжелое машиностроение. 1995. № 9. С. 11- 2°.
5. Меламед Л.Э., Тропкина А.И. Математическое моделирование гидродинамических систем, содержащих коллекторы с засыпками // Тяжелое машиностроение. 2°°2. №1. С. 4° - 42.
6. Лозовецкий В.В., Смирнов Л.П. Теплообмен при пузырьковом и переходном режимах кипения в засыпке шаровых элементов // Атомная энергия. 2003. Т. 94. Вып.5.
7. Авдеев А.А., Балунов Б.Ф., Рыбин Р.А. Гидродинамическое сопротивление при течении двухфазной смеси в шаровой засыпке // Теплофизика высоких температур. 2003. Том 41. № 3. С. 432 - 438.
8. Филиппов Г.А., Меламед Л.Э., Мастюкин В.П. Экспериментальное исследование гидродинамики двухфазных потоков (смеси и струи) в засыпках с шаровыми частицами // Теплофизика высоких температур. 2004. Т. 42. №6. С. 954 - 960.
9. М. Caner, E.T. Dugan, «ThO-UO Annular Fuel Pins for High Burnup Fuels», Ann. Nucl. Energy, 27, 759 (2000).
10. D. Fing, P. Hejzlar, M.S. Kazimi, «Thermal Hydraulic Design of High Power Density Fuel for PWRs», NURETH-10, Seoul, Korea, 2003.
11. J. Zhao, H.C. No, M.S. Kazimi, «Mechanical Analysis of High Power Internally Cooled Annular Fuel», Nucl. Technology, 146 (2004).
12. Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока // Теплоэнергетика. 2003. № 11. С. 25-30.
13. Патент России 2220464 МКИ3С 21C3/00, 3/30, 3/32. Тепловыделяющая сборка/ В.Н. Блинков, Э.А. Болтенко // Заявка № 2002104121 от 20.02.2002. Открытия. Изобретения. 2003. № 36.
Поступила в редакцию 19 октября 2010 г.
Комов Александр Тимофеевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой ОФиЯС Московского энергетического института (технического университета) МЭИ(ТУ). Тел.: 8 (495) 362-77-31. E-mail: KomovAT@mpei.ru.
Блинков Владимир Николаевич - д-р техн. наук, профессор, директор ОАО «Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций». Тел.: 8 (49643) 330-74. E-mail: blinkov@erec.ru.
Варава Александр Николаевич - канд. техн. наук, профессор, доцент кафедры ОФиЯС Московского энергетического института (технического университета). Тел.: 8 (495) 362-78-65. Е-mail: VaravaAN@mpei.ru.
Дедов Алексей Викторович - канд. техн. наук, доцент кафеды ОФиЯС Московского энергетического института (технического университета). Тел.: 8(495) 362-78-65; 8-903-7895756. Е-mail: DedovAV@mpei.ru.
Ёлкин Илья Владимирович - д-р техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций» Тел.: 8 (49643) 330-74. E-mail: elkin@erec.ru.
