CC BY
70УДК 621.039.546
С.М. Дмитриев, А.В. Комаров, В.А. Фарафонов
ПРИМЕНЕНИЕ КОЛЬЦЕВЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
В РЕАКТОРАХ ВВЭР СО СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
В данной статье приведён теплогидравлический расчёт кольцевого тепловыделяющего элемента при сверхкритических параметрах теплоносителя и сделаны соответствующие выводы об условии работы этих элементов при заданных параметрах.
Ключевые слова: температура, топливо, теплоноситель, оболочка, сердечник.
Введение
В настоящее время реакторы ВВЭР занимают ведущее место в ядерной энергетике и будут сохранять это положение в ближайшие 20 лет. За предшествующие 50 лет создана технология изготовления оборудования и строительства реакторных установок, накоплен значительный опыт эксплуатации. Но к сожалению из-за особенностей физических свойств воды в докритическом состоянии, а именно - слабой зависимости температуры насыщения от давления в интервале свыше 12 МПа - изменения температуры теплоносителя на выходе из реакторов ВВЭР не столь значительны, от 292 до 325°С. Вследствие низкой температуры выхода из реактора КПД установок ограничен ~ 33% [1] .
Наряду с указанным эволюционным путем развития ВВЭР намечается новое научно-техническое направление - разработка корпусных водоохлаждаемых реакторов со сверхкритическим давлением (ВВЭР СКД). Повышение давления до 25 МПа и температуры теплоносителя на выходе из реактора до 540 °С позволяют повысить КПД установок (до 45%) и снизить экологическое воздействие путем уменьшения потерь тепла в термодинамическом цикле от 67 (ВВЭР-1000) до 55% (ВВЭР СКД)[1].
В реакторах ВВЭР-СКД предлагается применить тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) кольцевого типа в которых теплосъём осуществляется как с наружней, так и с внутренней стороны. При использовании кольцевых ТВЭЛов снижается температура топлива и улучшается его теплопроводность, за счет уменьшения толщины топливного слоя [1]. В качестве материала оболочки ТВЭЛА используется нержавеющая сталь Х18Н10Т аустенитного класса [2].
Расчет кольцевого тепловыделяющего элемента реактора ВВЭР-СКД-И
Основная цель теплогидравлического расчёта кольцевого твэл реактора ВВЭР-СКД со сверхкритическими параметрами является определение максимальных температур топливного сердечника и определение условий работы топлива. В качестве прототипа выбрана двухконтурная установка ВВЭР-СКД-И со встроенным парогенератором.
Исходные данные и методика расчета
Все расчетные параметры - тепловые потоки, температуры, параметры теплоносителя - определяются для усредненного по активной зоне и максимально нагруженного тепловыделяющего элемента; последние из таких обозначаются индексом max. Расчет проводится для 9 точек по высоте активной зоны с координатами z = -1,75; -1,50; -1,00; -0,50; 0,00; 0,50; 1,00; 1,50; 1,75 м Результаты расчета сведены в таблицы и представлены графически.
© Дмитриев С.М., Комаров А.В., Фарафонов В.А., 2015.
Далее приведены основные характеристики реактора используемые в расчете:
1. Активная зона Тепловая мощность реактора Qт = 2500 МВт
Высота активной зоны Н0 = 3,5 м
Экстраполированная добавка к размерам зоны 5 = 0,08 м
2. Теплоноситель
Среднее давление в активной зоне Температура воды на входе в реактор Температура воды на выходе из реактора 3. Тепловыделяющая сборка Материал оболочки твэл Ядерное топливо
Расположение твэлов в решетке (упаковка) Доля энерговыделения в твэле Количество ТВС: Количество ТВЭЛ: Наружный диаметр ТВЭЛ: Внутренний диаметр ТВЭЛ:
p = 24,5 МПа tвх = 390°С Гвых = 540°С
Нержавеющая сталь Диоксид урана (UO2) Треугольная к- 0,94 итвс=163
Итвэл-312
d2 = 11 мм d1 = 6,5 мм
Параметры теплоносителя на входе и на выходе активной зоны
Таблица 1
Параметр Вход в активную зону Выход из активной зоны
Температура t, 0C 390 540
Энтальпия i, кДж/кг 2449 3312
Удельный объем v, 10-3 м3/кг 5,119 12,741
Плотность р, кг/м3 195,314 78,488
Теплогидравлический расчет кольцевого ТВЭЛ для реактора ВВЭР-СКД-И[3], [4]
Геометрические характеристики активной зоны ТВЭЛ и ТВС приведены в табл. 2, 3.
Таблица 2
Геометрические характеристики активной зоны
Параметр Значение
Площадь сечения шестиугольной ячей- г 2 ки /яч, м 0,04742
Эквивалентный диаметр активно зоны Д,, м 3,138
Высота активной зоны с учетом экстраполированной добавки Н, м 3,66
Объем активной зоны V, м3 28,29
Таблица 3
Геометрические характеристики ТВЭЛ и ТВС
Параметр Наружная сторона ТВЭЛа Внутренняя сторона ТВЭЛа
Диаметр оболочки твэла da6, мм 9,6 7,9
Диаметр топливного сердечника твэла de, мм 9,4 8,1
Площадь сечения стержней ТВС f 2 Уст, м 0,02168
Проходное сечение ячейки ^яч ,м2 0,02574
Гидравлический Периметр ТВС Пг, м2 17,907
Площадь сечения стержней 2 Уст, м 0,03203
Проходное сечение теплоносителя Sяч ,м2 0,01539 0,1035
Гидравлический периметр сечения для прохода теплоносителя Пг, м 11,536
Гидравлический диаметр сечения для прохода теплоносителя dr, м 0,005335 0,0065
Гидравлический диаметр ТВС dr, м 0,05749
Тепловой периметр сечения для прохода теплоносителя Пт, м 10,7895 6,371
Тепловой периметр оболочки твэла Поб, м 9,410 7,743
Тепловой периметр газового зазора твэла П3, м 9,214 7,939
Тепловой диаметр теплоносителя dx, м 0,0654
Расчет тепловых потоков и параметров теплоносителя по высоте активной зоны
Коэффициент неравномерности энерговыделения по объему активной зоны принят (по стандартному проекту ВВЭР), KV :
Kv = 2,6.
Коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте
Kz =-= '-51 • (1)
. жИ „ „ ^ .ж- 3,5 v '
2H sin-0 2 - 3,66 sin-—
2И 2 - 3,66
Линейный тепловой поток в центральной плоскости реактора приходящийся на одну ТВС:
Линейный тепловой поток в центральной плоскости реактора в расчете на средненагружен-
ный твэл q 0, кВт/м
0т г 25000000-103 (2)
q,n = - K7 =--1,51 = 6617 . w
0 NH0 Z 163 - 3,5
Линейный тепловой поток в центральной плоскости реактора в расчете на максимально нагруженный твэл ^о^, кВт/м
max_ Q
q' •» " NH,
т .Ку = 250000000'I03 .2,6 = „394.
О
163 • 3,5
(3)
Расход теплоносителя через активную зону G, кг/с
Q 2500
G =■
h„„ - h
3312 - 2449
= 2897.
(4)
(5)
^^ кг / с
Средний расход теплоносителя через одну ТВ С ТВС'
— 9Я07
— = —^ = = 17.775 . ТВС 2 63
Расход теплоносителя в расчете на один твэл —, кг/с
- = —^ = 17.775 = 0 57 .
тюл «твэл 312
Значения линейных тепловых потоков в расчетных точках по высоте активной зоны определяются по следующим формулам:
(6)
Чх (z) = Чх,о cos ^; qmax(z) = q^ cos ^.
H H
Распределение тепловой нагрузки на единицу поверхности твэла:
(7)
(8)
* %(ё1 + ё2)
В таблице 4 приведены численные значения тепловых потоков, приходящихся на одну ТВС и твэл усреднённые по высоте:
Таблица 4
Значения тепловых потоков для твэла и тепловыделяющей сборки
z, м -1,75 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 1,75
ql, кВт/м 454 1849 4325 6017 6617 6017 4325 1849 454
gima, КВт/м 783 3192 7465 10384 11419 10384 7465 3192 783
Расчет расходов теплоносителя, омывающего наружную и внутреннюю сторону твэла
Так как теплоноситель поступает во внутренний и внешний каналы из общего объёма и выходит в общий объём, то распределение расходов 01 и 02 находим из уравнения неравенства перепадов давления:
Ар1 = Др2. (9)
Следует иметь в виду, что перепад давления АР в свою очередь зависит от температуры, особенно при значительном подогреве теплоносителя. При использовании водного теплоносителя, подогрев сравнительно невелик, влиянием температуры можно пренебречь, в этом случае:
и — 2
(10)
Ар = (£м •-
H0 ч Р•w 'м ' ътр dz } 2 Для приближенных расчётов принимаем ^=0,016.
Коэффициент местного сопротивления для теплоносителя, омывающего наружную строну твэла, складывается из сопротивлений 15 дистанционирующих решёток, коэффициент местного сопротивления которых равен 0,6, поэтому = 9.
Коэффициент местного сопротивления для теплоносителя, омывающего внутреннюю сторону твэла, складывается из сопротивлений на входе во внутренний канал (внезапное сужение) и из сопротивления на выходе из внутреннего канала (внезапное расширение), поэтому ^м1=1,5.
Тогда
— 2
АРх = (5 м + 5 ^-Т0) •
а„
Н 0 р • wi
2
л ^ с Н0 р • w22
АР2 = (5м + 5тр-Т^) ■ 2
Р dг2
(11)
(12)
2
Плотность в этих выражениях р=584,954 берётся при средней температуре теплоносителя.
Расходы теплоносителя, охлаждающего внутреннюю и наружную строну твэла, соответственно равны:
= ^ • р • £ят, (13)
С2 = • р • £яч2 . (14)
Дополнив эти уравнения очевидным неравенством G=G1+G2, получим систему уравнений, из которой находим 1)
G = 8.542—, с
G2 = 9,233 —, с
^ „ ^ ^ м W = 6,346—, с
w2 = 4,782—.
с
Nu( z) =
Re(z) = w( z) = -
a(z)• dz
Ц z)
w(z) • dr V( z) G
Numax =
Remax =
a
x( z) • dr
X max( z) max( z) • dr
w
• P( z)
w
X/ \ (z) =■
V max( z)
G
I4 • Pmax(z)
(15)
Расчет среднего коэффициента теплоотдачи
Средние значения коэффициентов теплоотдачи a(z) на участках вокруг расчетных точек могут быть рассчитаны по формулам
Nu(z) = A • (Re(z))0,8 (Pr(z))0,4.
Nu(z)max = A • (Remax(z))0,8(Prmax(z))0,4. где А - коэффициент, зависящий от способа упаковки твэлов в ТВС; Nu(z), Numax(z) - средние на расчетных участках значения чисел Нуссельта; Re(z), Remax(z) - на расчетных участках средние числа Рейнольдса. При треугольной упаковке твэлов А рассчитывается по формуле
A = 0,0165 + 0,02-(1 - 0,91х-2>х0,15 = 0,0278 Для чисел Нуссельта и Рейнольдса имеют место соотношения:
(16) (17)
(18)
(19)
где w(z) и wmax(z) - скорость теплоносителя в расчетных точках в ячейке со средненагру-женным и максимально нагруженным твэлами соответственно. Значения коэффициентов теплоотдачи, определяемые по формулам:
a( z) = ^ • Nu( z), d„
s
s
яч
л max/ \
а max( z ) = --z • Numax( z)
(21)
Расчет температурного поля твэлов
На рис. 1 представлен разрез твэла и распределение поля температур в нем
Рис. 1. Распределение температур в кольцевом твэле
Теплоноситель общим расходом О поступает на вход в канал с температурой Т\, омывает кольцевой твэл как внутри, так и снаружи и на выходе из твэла после смещения имеет температуру Т2 . Поскольку теплоотвод идёт в обе стороны, внутри топливного сердечника устанавливается нейтральная поверхность, представляющая собой для любого сечения окружность радиусом г0 , на которой температура сердечника Тс максимальна. При этом тепловой поток разделяется на два ^(х^-направленный внутрь и ^(х^-направленный наружу.
В общем случае нейтральный радиус г0 зависит от г. На входе в твэл Тт1(х)= Тт2(х) = Т1з соответственно известны теплофизические параметры теплоносителя для этого сечения. По известным данным можно найти в конечном итоге коэффициенты теплоотдачи от стенки к теплоносителю во внутреннем и наружном каналах.
Распределение температуры наружной поверхности оболочки твэла по высоте активной зоны
ди (z)
П„ а(^• с/ (22)
10нб (z) = t ( z) + *•
(с Г( z)
„тах/ \
(^ = с ах( z) + К---. (23 )
Пт атах(z) • ср1 тах
По среднему значению температуры наружной поверхности оболочки твэла, равному примерно 600°С, из таблиц теплофизических свойств циркония определяем теплопроводность оболочки твэла: ^об = 24,6 Вт/м-К.
Температура внутренней поверхности оболочки твэла
Ч, (2)5 об
* о" (*) = 'об, (*) + ^
ПобЛ об
(* об, г (г)=(с, гч г)^Г521.
Побг ^ об
(24)
(25)
Коэффициент теплоотдачи (проводимость) контактного слоя для внутренней стороны твэла::
5заз^вн1 = 0,0127, = /(§заз /¿вн!) = 3-103 Вт/(м2-К).
а
заз!
Коэффициент теплоотдачи (проводимость) контактного слоя для наружной стороны
твэла:
а
заз2
&аз^вн2 = 0,0104, = /(5заз /¿вн2) = 2,2-103 Вт/(м2-К).
Температура наружной поверхности топливного сердечника
Ч1(г)
* сн (г) = 'о8! (г) + к
Пз а заз
/ \ / \ шах/ ч
('Г )ШаХ( Г) = (С )ШаХ( Г) + К- .
Пза заз
(26)
(27)
Для определения температуры внутренней поверхности топливного сердечника в расчетных точках необходимо знать теплопроводность топливного сердечника. Так как теплопроводность диоксида урана обратно пропорциональна температуре топлива, то теплопроводность будем рассчитывать по максимальной температуре, которая устанавливается на нейтральной поверхности, расположенной на радиусе г0, так как теплопроводность при этой температуре будет наименьшая.
Теплопроводность топливного сердечника при температуре ^ рассчитывается по зависимости:
4 ('с ) =
4-103
130 + (*с + 273)
+ 3,4 -10-14 -('с + 273)4.
(28)
Температура топливного сердечника с наружной стороны
*е2( Г) = £ (г) + К. Ч2(
4пХ с (г)
¿2 ^
1 -
2<(-2
()2 - Г02(!)
>0( 2)
2
Максимальная температура топливного сердечника с наружной стороны:
(*с2 )ШаХ( г) = ('сн2 )ШаХ(!) + -
4пХ Шах( г)
1 --
2г0шах( г)
- 1п-
^
2
(|)2 - -0шах2(г) Г0шах(г)
(29)
(30)
Температура топливного сердечника с внутренней стороны:
(г) = £ (г) + К- Ч»( 2)
4пХ с ( г)
2Г2( г)
- (¿1)2 + гЛ г)
- 1п
г0( г ) 2
-1
(31)
Максимальная температура топливного сердечника с внутренней стороны:
( \
/ \ / \ max/ \
У" г>4«rx( z)-
m,ax( z)
2r0max( z)
" (Ь2 + >0max2(Z)
V 2
• ln
r0max( z) di
~2 J
(32)
Очевидно, что температура топливного сердечника одна, и не важно с какой строны мы будем её находить, поэтому можно записать очевидное равенство:
Td(z)= Td(z), (ТсФ)ГХ=(Тс2&Г
(33)
Вполне очевидно, что сумма тепловых потоков qu(z) и qi2(z) равна общему тепловому потоку
qi(z)
qi(z)= qii(z)+ qi2(z), qi(z)max= qil(z)max+ qi2(z) max.
(34)
Если предположить, что объёмное тепловыделение по сечению кольцевого твэла постоянно, то получаем:
Чп(z) - hi (z) •
hi 2 (z) = hi (z) •
^ z) - (d1)2
(4т )2 - (т)2
V 2 2 J r02( z)+(^
(dr)2 - (т)2
V 2 2
(
max/ \ _ max/ ч
q/i (z) - q (z) ■
q7max( z) - 4l (z) •
r0max(z) ( dl ) (^)2 - (^
2 2 J
^ rb2nar(z) + (df)2 ^ (35) (^)2 - (^
V 2 2
Решая систему уравнений, в конечном итоге находим ди(г) и Далее находим энтальпию теплоносителя в следующей точке по уравнениям
h(z) - hlBx + h(z) - h2Bx +
q ,1 • ^ Gi
4l 2 •Az G
h(z)max - hiBxmax + h(z)max - h2Bxmax +
max
q/i
Gi (36)
max
G '
Полученные значения энтальпий и теплофизические параметры теплоносителя, омывающего внутреннюю стенку твэла, приведены в табл. 5:
Таблица 5
Теплофизические параметры теплоносителя, омывающего внутреннюю стенку твэла
Координата расчетной точки z, м -1,75 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 1,75
Энтальпия h\, кДж/кг 2449 2476 2599 2771 2960 3131 3255 3308 3315
himax, кДж/кг 2449 2540 2753 3050 3372 3668 3880 3971 3982
Температура txi, C 389,8 391,1 399,2 417,7 449,6 489 522,9 538,7 540,6
V max öf\ 1т\ , C 389,8 394,8 415,3 468,7 558,4 659,2 737,4 771,6 775,8
Окончание табл. 5
Координата расчетной точки z, м -1,75 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 1,75
Удельный объем v1, 10-3 м3/кг 5,12 5,316 6,287 7,743 9,449 11,05 12,21 12,7 12,77
^тах,10"3 м3/кг 5,12 5,814 7,585 10,27 13,33 16,01 17,89 18,68 18,78
Плотность рь кг/м3 195,3 188,1 159,1 129,1 105,8 90,5 81,9 78,71 78,34
max / 3 Р1 , кг/м 195,3 172,1 131,8 97,35 75,21 62,46 55,88 53,53 53,25
Изобарная теплоемкость cp\, кДж/кг-К 22,63 19,97 12,21 7,364 4,976 3,891 3,433 3,29 3,275
cp1max,кДж/кгК 22,63 15,15 7,414 4,334 3,151 2,783 2,675 2,649 2,647
Теплопроводность А,ь Вт/м-К 0,2027 0,1921 0,1533 0,1216 0,1044 0,0984 0,0976 0,0980 0,0980
ЯЛ31, Вт/м-К 0,2027 0,1697 0,124 0,1005 0,0988 0,1068 0,115 0,1192 0,1197
Динамическая вязкость 10-6 Па-с 3,036 2,997 2,871 2,818 2,88 3,014 3,142 3,203 3,211
^1тахД0-б Па-с 3,036 2,921 2,818 2,942 3,28 3,672 3,967 4,093 4,108
Кинематическая вязкость VI, 10-6 м2/с 1,555 1,593 1,805 2,182 2,721 3,333 3,837 4,07 4,099
уГх, 10-6 м2/с 1,555 1,698 2,137 3,022 4,362 5,879 7,099 7,647 7,715
Число Прандтля Prl 3,39 3,117 2,286 1,707 1,372 1,191 1,104 1,075 1,072
Pr1max 3,39 2,606 1,753 1,269 1,046 0,9572 0,9214 0,91 0,9088
Полученные значения энтальпий и теплофизические параметры теплоносителя, омывающего наружную стенку твэла, приведены в табл. 6.
Таблица 6
Теплофизические параметры теплоносителя, омывающего наружную стенку твэла
Координата расчетной точки z, м -1,75 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 1,75
Энтальпия h2, кДж/кг 2449 2501 2620 2727 2970 3137 3257 3308 3315
h2max,кДж/г 2449 2538 2745 3034 3351 3640 3847 3936 3947
Температура ¿г2, С 389,8 392,4 400,9 419,9 451,8 490,3 523,4 538,6 540,6
^ тах 0/-1 tг2 , С 389,8 394,7 414,4 465,3 551,9 649,3 725,1 758,3 762,4
Удельный объем V2,10"3м3/кг 5,12 5,506 6,455 7,88 9,542 11,1 12,22 12,7 12,76
тах 1 п-3 3 / V2 ,10 м /кг 5,12 5,797 7,519 10,13 13,11 15,76 17,61 18,83 18,47
Плотность р2, кг/м3 195,3 181,6 154,9 126,9 104,8 90,12 81,81 78,72 78,35
тах / 3 р1 , кг/м 195,3 172,1 131,8 97,35 75,21 62,46 55,88 53,53 53,25
Изобарная теплоемкость cp2, кДж/кг-К 22,63 17,86 11,41 7,085 4,893 3,868 3,429 3,291 3,275
^г^нДж/кг-К 22,63 15,28 7,869 4,428 3,192 2,804 2,687 2,658 2,655
Окончание табл. 6
Координата расчетной точки z, м -1,75 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 1,75
Теплопроводность А,2, Вт/м-К 0,2027 0,1828 0,1484 0,1196 0,1039 0,0985 0,0978 0,098 0,0987
А,2шах, Вт/м-К 0,2027 0,1704 0,1251 0,101 0,0981 0,1058 0,1138 0,117 0,1181
Динамическая вязкость М2, 10-6 Па-с 3,036 2,965 2,858 2,819 2,886 3,019 3,144 3,203 3,211
ц,2шах,10"6 Па-с 3,036 2,923 2,818 2,93 3,255 3,634 3,921 4,044 4,059
Кинематическая вязкость У2, 10-6 м2/с 1,555 1,632 1,845 2,221 2,754 3,35 3,843 4,069 4,098
у2шах, 10-6 м2/с 1,555 1,694 2,119 2,969 4,267 5,727 6,904 7,433 7,499
Число Прандтля Pr2 3,39 2,895 2,198 1,671 1,359 1,187 1,104 1,076 1,072
Pr2шax 3,39 2,621 1,773 1,285 1,055 0,9632 0,926 0,914 0,9129
Расчётные скорости теплоносителя, числа Рейнольдса, числа Нуссельта, а также коэффициент теплоотдачи занесём в табл. 7.
Таблица 7
Сводная таблица
х, м -1,75 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 1,75
wh м/с 4,147 4,305 5,090 6,273 7,655 8,949 9,888 10,289 10,3378
max 1 w1 , м/с 4,147 4,706 6,145 8,319 10,768 12,966 14,492 15,1289 15,208
W2, м/с 3,0718 3,304 3,873 4,728 5,724 6,657 7,333 7,621 7,657
w2шax, м/с 3,0718 3,486 4,552 6,163 7,977 9,605 10,736 11,207 11,2663
Re1, 105 1,747 1,770 1,847 1,883 1,843 1,759 1,688 1,656 1,652
Re1шax, 105 1,747 1,815 1,883 1,803 1,617 1,445 1,337 1,296 1,291
Re 2, 105 1,053 1,079 1,119 1,135 1,108 1,059 1,017 0,998 0,996
707,779 691,791 632,232 571,258 514,439 468,318 439,674 428,378 427,083
№!шаХ 707,779 657,020 577,432 490,054 415,726 366,640 339,453 329,389 328,267
472,111 451,961 416,757 377,653 341,144 311,744 293,168 285,875 284,904
472,111 440,090 389,544 333,207 283,199 250,365 231,990 225,174 224,399
аь кВт/м2 К 21,903 20,289 14,797 10,605 8,200 7,038 6,558 6,410 6,396
«1шах, кВт/м2 К 21,903 17,022 10,932 7,519 6,272 5,978 5,960 5,994 5,999
а2, кВт/м2 К 17,954 15,501 11,604 8,474 6,650 5,752 5,372 5,257 5,242
а2шах, кВт/м2 К 17,954 14,070 9,143 6,314 5,234 4,970 4,953 4,968 4,972
Результаты расчёта температурного поля твэлов в расчётных точках по высоте активной зоны даны в табл. 8.
Таблица 8
Результаты расчёта температурного поля твэлов в расчётных точках
z, м -1,75 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 1,75
ди, кВт/м 221,5 902,4 2110,6 2935,6 3228,8 2935,6 2110,6 902,4 221,5
дпшах, кВт/м 381,5 1553,8 3634,1 5055,3 5559,5 5055,3 3634,1 1553,8 381,5
кВт/м 232,5 947,0 2214,8 3080,9 3388,2 3080,9 2214,8 947,0 232,5
д12шах, кВт/м 402,1 1637,8 3830,6 5328,5 5860,0 5328,5 3830,6 1637,8 402,1
^об1н, 0С 389,800 391,100 399,202 417,706 449,612 489,016 522,914 538,706 540,602
(+ н\ шах 0(-л (Гоб1 ) , С 389,800 394,801 415,307 468,723 558,442 659,245 737,434 771,614 775,804
¿об2н, °С 389,800 392,400 400,901 419,904 451,809 490,312 523,410 538,605 540,601
(¿0б2нГХ, °С 389,800 394,701 414,405 465,317 551,931 649,333 725,125 758,311 762,403
V вн 0/-Ч «об1 5 С 390,566 394,221 406,501 427,858 460,778 499,168 530,213 541,827 541,368
вн\ шах °/-ч ('об1 ) 5 С 390,220 396,509 419,303 474,282 564,555 664,804 741,430 773,323 776,223
V вн 0/-ч Гоб2 5 С 390,461 395,092 407,197 428,662 461,440 499,070 529,706 541,296 541,262
(^об2вн)ШаХ, °С 390,943 399,356 425,293 480,463 568,588 664,480 736,013 762,966 763,546
1с1н5 °С 399,342 429,967 490,106 544,142 588,678 615,452 613,819 577,573 550,144
(1с1н)ШаХ, °С 405,275 457,834 562,733 673,802 783,975 864,324 884,860 834,648 791,278
1с2н, °С 402,973 446,057 526,397 594,476 643,792 664,884 648,906 592,261 553,774
/+ н\ шах (*с2 ) 5 С 409,588 475,303 602,924 727,558 840,328 911,575 913,645 838,914 782,191
Яс, Вт/м-К 4,969 4,718 4,291 3,980 3,784 3,712 3,784 4,020 4,193
Ясшах, Вт/м-К 4,916 4,503 3,848 3,369 3,058 2,922 2,960 3,186 3,367
Го 0С 403,204 446,473 532,427 607,409 661,765 683,244 661,597 596,798 554,673
^ шах 411,992 487,497 643,505 801,648 938,645 1011,60 989,554 876,258 801,003
Выводы
1. Температурный уровень теплоносителя и твэлов, а также тепловые нагрузки лежат в пределах допустимых величин. Максимальная температура топливного сердечника твэла в наиболее энергонапряженном твэле не превышает 1011°С; следовательно в реакторе существует запас по температуре топлива. Сравнивая с тем же параметром для стержневого твэла, можно сделать вывод что топливо в кольцевом твэле работает в более благоприятных условиях, что значительно улучшает его свойства.
2. Снижение температуры топлива способствует уменьшению температурных градиентов в топливе и увеличению теплопроводности.
3. Кольцевые твэлы могут быть эффективно использованы в реакторных установках со сверхкритическими параметрами, однако требуется экспериментально проверить корро-
зионную стойкость данной оболочки при высоких температурах теплоносителя. Также рекомендуется оребрение твэл и-за высоких скоростей на выходе из активной зоны реактора.
Библиографический список
1. Кириллов, П.Л. Водоохлаждаемые реакторы со сверхкритическими параметрами (ВВЭР-СКД) // Водо-водяные энергетические реакторы сверхкритического давления. 2006. С. 16-27.
2. Герасимов, В.В. Материалы ядерной техники: учебник для вузов / В.В.Герасимов, А.С. Монахов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 288 с.
3. Кириллов, П.Л. Справочник по теплогидравлическим расчётам / П.Л. Кириллов, Ю.С. Юрьев, В.П. Бобков. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 360 с.
4. Дмитриев, С.М. Краткий курс тепломассообмена: учеб. пособие / С.М Дмитриев, А.Е. Хробостов; Нижегород. гос. техн. ун-т. - Н. Новгород, 2008. -144 с.
Дата поступления в редакцию 29.04.2015
S. M. Dmitriev, A. V. Komarov, V. A. Farafonov
THE USE OF ANNULAR FUEL ELEMENTS IN VVER REACTORS WITH SUPERCRITICAL PARAMETERS
Nizhniy Novgorod state technical university n. a. R.E. Alexeev
Purpose: The main purpose of the thermal-hydraulic calculation of reactors with supercritical parameters is to set the heat flux and temperature on the reactor core, to find the maximum fuel temperature to confirm the impossibility of melting in the fuel elements with high thermal load.
Design/methodology/approach: All the thermal-hydraulic parameters - heat flow, temperature, coolant parameters, hydraulic resistance - are determined for the average over the active zone and the maximally loaded fuel element (cell).The calculation is carried out for 9 points on the core height coordinates z = -1,75; -1.50; -1.00; -0.50; 0.00; 0.50; 1.00; 1.50; 1.75 m. Calculation results are summarized in the table.
Findings: The resulting temperature field of fuel rods suggests that thermal loads are within acceptable limits. Research limitations/implications: Annular fuel elements can be effectively used in the reactor units with supercritical parameters but require experimental verification of the high corrosion resistance of the membranes at high water temperatures.
Originality/value: The originality of this article is to identify the benefits of the annular fuel rods in VVER reactors with supercritical parameters. Also, the working conditions of these fuel rods are determined for the given parameters.
Key words: temperature, fuel, coolant, shell core.
