МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЯДЕРНЫХ ПАРОПРОИЗВОДЯЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (СОЗДАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ТВЭЛА И ОПТИМИЗАЦИЯ ЕГО ПАРАМЕТРОВ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ)

Барелко В.В.; Быков Л.А.; Буряк Е.В.; Мешков А.П.; Чучко В.Ф.; Иванов И.В.; Пумир А.

2. V. G. Dorokhov, V. V. Barelko, B. S. Balzhi-nimaev. A novel processes of liquid phase reduction of nitrobenzene to aniline on the fiberglass pd-activated catalysts // Third International Symposium on Catalysis in Multiphase Reactors, May 2000, Naples Book of Reports, PP. 367-373 (Edited by AIDIC, 2000, Printed in Italy);

3. V. Barelko, B. Mitin, M. Serov, V. Do-rokhov, S. Serdyukov, M. Safonov. Catalytic perspectives of «metal wool» fiber materials prepared by super fast freezing extraction of filaments from melt ed media // Int. Conference "Chemreactor-15". Helsinki, Finland, June, 2001. Book of Abstracts, P. 309 (PP-27);

4. Wu. Chuntian, V. Dorokhov, A. Souknev, B. Balzhinimaev and V. Barelko. High Selective Fiber Glass Woven Catalysts Doped by Noble Metals in the Reactions of Aromatic Nitro-conpounds Reduction. Chemical Engineering Transactions, 2003, v.3, pp. 285-289 (Book of papers of 6th

Italian Conferenceon Chemical and Process Engineering, June 2003, Pisa, Italy);

5. Wu. Chuntian, V. Dorokhov, A. Suknev, B. Balzhinimaev, V. Barelko. High selective fiber glass woven catalysts dopen by noble metals in the reactions of aromatic nitro compounds reduction / / XVI International conference on chemical reactors Chemreactor-16. Berlin, Germany, December 1-5, 2003. Book of Abstracts, Novosibirsk, 2003, PP. 279-283;

6. В. Г. Дорохов, В. В. Барелко, Б. С. Баль-жинимаев, И.А. Юранов. Новый процесс восстановления нитробензола до анилина в жидкой фазе на стекловолокнистых катализаторах, активированных палладием // Химическая промышленность, 1999, № 8, С.44-48.

Новизна технических решений закреплена патентом: Катализатор для гидрирования ароматических нитросоединений. Патент № 2156654. Бюл. №27.09.2000.

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЯДЕРНЫХ ПАРОПРОИЗВОДЯЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (СОЗДАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ТВЭЛА И ОПТИМИЗАЦИЯ ЕГО ПАРАМЕТРОВ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ)

В. В. Барелко1, Л. А. Быков1, Е. В. Буряк2, А. П. Мешков2, В. Ф. Чучко2,

И. В. Иванов2, А. Пумир

3

1 Институт проблем химической физики (ИПХФ) РАН пр. Академика Семенова, 1, г. Черноголовка, Ногинский р-он, Московская обл., 142432 Тел.: 8 (495) 993-57-07, факс: 8 (496) 515-54-20, e-mail: barelko@icp.ac.ru

2РФЯЦ-ВНИИЭФ, пр. Мира, 37, г. Саров, Нижегородская обл., 607188

3INLN CNRS, France

Атомная электростанция (АЭС) представляет собою комплекс, включающий ядерный реактор и соответствующее оборудование и предназначенный для преобразования ядерной энергии в электрическую. Ядерные энергетические установки (ЯЭУ), являясь источником радиоактивных продуктов, представляют определенный риск для персонала, населения и окружающей среды. При проектировании ЯЭУ одним из основных принципов безопасности является принцип защиты в глубину, в соответствии с которым для предотвращения или ограничения неприятных последствий отказов оборудования и ошибок персонала АЭС предусматривается несколько уровней защиты. Важнейшим требованием принципа защиты в глубину является ограничение физических барьеров безопасности, первым из которых является тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). В современных ядерных реакторах, как правило, используются стержневые ТВЭЛы с

источником тепловой энергии в виде таблеток диоксида урана и02, которые загружаются в трубчатую (цилиндрическую) оболочку из стали или сплава циркония однородно по всей длине (однородная сборка уложенных друг на друга таблеток ядерного топлива). ТВЭЛы устанавливаются в активную зону (АЗ) ядерного реактора и обеспечивают генерацию основной части тепловой энергии и передачу ее теплоносителю. Более 90 % всей энергии, освобождающейся в реакторе при делении ядер, выделяется внутри ТВЭЛов и отводится обтекающим ТВЭЛы теплоносителем. ТВЭЛы работают в очень тяжелых условиях: плотность теплового потока от ТВЭЛа к теплоносителю достигает 1-2 МВт/м2, а температура колеблется до 3200 °С. ТВЭЛ должен сохранять механическую целостность в течение всего времени пребывания в реакторе, при хранении и транспортировке. Его расширение

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № б (50) 2007 Л "2 Л

или распухание не должно превосходить границ, при которых обеспечиваются нормальные условия охлаждения. ТВЭЛ считается поврежденным, если вследствие нарушения целостности оболочки продукты деления попадут в теплоноситель. Разрушение оболочки начинается, когда напряжения превышают предел прочности, определяемый в зависимости от температуры. Для обеспечения целостности первого основного барьера безопасности необходимо поддержание заданного температурного режима работы ТВЭЛов и предотвращение механического и коррозионного воздействия на оболочку, выходящих за допустимые по условиям прочности пределы. Нарушение барьера, повреждение ТВЭЛов определяется как расплавление (частичное или полное), разрыв или разгерметизация первоначально бездефектной оболочки ТВЭЛов сверх установленных пределов, происходящее, в частности, вследствие неблагоприятной комбинации плотности энерговыделения и условий охлаждения.

Основными целями исследования представленной работы являются:

— обеспечение условий для локализации случайно возникшей на поверхности ТВЭЛа зоны перегрева и предотвращение опасности фронтального распространения этой аварийной зоны перегрева по всей длине ТВЭЛа;

— увеличение уровня опасного порога тепловых возмущений, которые могут вызвать зону перегрева на поверхности ТВЭЛа, то есть повышение устойчивости ТВЭЛа к локальным возмущениям;

— увеличение максимально допустимого значения съема энергии с единицы массы ядерного топлива, загруженного в ТВЭЛ, с целью подъема уровня безопасности («запаса прочности») ядерного реактора.

Существенным недостатком гомогенной загрузки ТВЭЛов, которая используется до настоящего времени, с однородным (равномерным по всей длине) энерговыделением является неустойчивость теплового режима их работы по отношению к возмущениям, случайно возникающим на локализованном участке ТВЭЛа. Такие возмущения могут вызывать в возмущенной зоне спонтанный переход нормального (штатного) теплового режима работы ТВЭЛа (соответствующего пузырьковому кипению рабочей жидкой среды) в аварийный высокотемпературный режим пленочного кипения, который затем распространяется по всей длине ТВЭЛа. Описанное явление, известное в физике как «кризис кипения», приводит к разрушению парогенерирующей установки и сопровождается крупными социальными катастрофами. В данной работе предлагается ТВЭЛ для ядерных паропроизводящих энергетических установок, в которых источник энергии (ядерное топливо) имеет периодическую структуру загрузки, включающую активные части (содержащие

источник энергии) и пассивные (без топлива). Расчеты, производимые с помощью модели, и экспериментальное моделирование предлагаемой конструкции позволят разработать практические рекомендации на проектирование, производство и эксплуатацию ТВЭЛов нового типа.

Сотрудники ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ и ИПХФ РАН имеют большой опыт работы в области теоретических и экспериментальных исследований применительно к проблеме кризиса кипения. Федеральное Государственное Унитарное Предприятие РФЯЦ-ВНИИЭФ имеет лицензию на право конструирования и разработки оборудования для АЭС.

Выполнение всего комплекса исследований и задач, запланированных в проекте, предполагает несколько взаимосвязанных между собой направлений работ, охватывающих проведение инженерных и теоретических расчетов, компьютерное моделирование исследовательской установки для ТВЭЛа, разработку и выпуск технической документации, изготовление исследовательской установки, а также выполнение экспериментальной программы и опытного моделирования установки для подтверждения метода повышения уровня безопасности ядерных паропроизводящих энергетических установок.

Научный подход данной работы и предлагаемое инженерное решение построены на основе ранее развитых авторами представлений об автоволновом механизме явления «кризиса кипения». Проведенный на предварительном этапе теоретический анализ показал, что поставленные задачи могут быть решены путем использования принципа периодической загрузки топлива в ТВЭЛ вместо однородной загрузки, которая является традиционной схемой в атомной энергетике.

Предлагаемый метод решения поставленных задач предполагает использование новой конструктивной схемы ТВЭЛа, реализующей принцип дискретной загрузки источника энергии (ядерного топлива) для предотвращения опасности возникновения взрывного явления «кризиса кипения» (спонтанный переход от штатного «пузырькового» режима кипения к аварийному «пленочному»).

Первые результаты теоретических исследований для вышеупомянутой предлагаемой модели представлены в следующих работах:

1.ПумирА., Барелко В. Устойчивость активных систем с пространственно-циклической активностью: анализ простой модели и применение к проблеме кризиса кипения // Chaos 2002, Т. 12, №3. C. 610-616;

2. В. В. Барелко, А. Пумир, В. Крински. Теп-ловыводящий элемент паропроизводящих энергетических установок». Патент РФ №2221288, Бюл. №1, 10.01.2004 (международный патент :РСТ/Ки03/003-48, 06.04.04).

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (50) 2007

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Барелко В.В., Быков Л.А., Буряк Е.В., Мешков А.П., Чучко В.Ф.