CC BY
197
УДК 621.039.517.5
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТВЭЛОВ РЕАКТОРА ИРТ-Т
Ю.Б. Чертков, А.А. Иванов, А.Г. Наймушин
Томский политехнический университет E-mail: agn@tpu.ru
Приведены результаты теплофизических расчетов активной зоны реактора ИРТ-Т. Показано, что при номинальной мощности реактора температурные режимы твэлов укладываются в предельные значения и соответствуют требованиям технического обоснования безопасности.
Ключевые слова:
Реактор, тепловыделяющий элемент, тепловыделяющая сборка, теплоноситель, энерговыделение, температурное распределение, теплогидравлические параметры.
Key words:
Reactor, fuel element, fuel rod array, coolant, energy release, temperature distribution, term hydraulic parameters.
Активная зона исследовательского реактора ИРТ-Т оснащена только приборами, которые позволяют определять подогрев водяного теплоносителя и тепловую мощность реактора в целом. Определять распределение энерговыделения по ячейкам и твэлам реактора можно только с помощью программ нейтронно-физического расчета. В 2007 г. в ТПУ появилась относящаяся к типу прецизионных расчетная программа MCU5TPU, позволяющая определять распределение тепловыделения по объему реактора [1]. В 2008 г. университетом был приобретены программы теплофизического расчета [2], позволяющие на основе нейтронно-физиче-ских расчетов определять температурные поля в активной зоне реактора ИРТ-Т. Данный комплекс программ позволяет определять тепловые нагрузки и температурные режимы работы элементов конструкции активной зоны при заданном расходе, температуре и давлении теплоносителя.
Целью данной работы являлось изучение те-плогидравлических параметров реактора ИРТ-Т [3] при номинальной мощности 6 МВт. Необходимо было оценить плотность потока тепла с поверхности твэлов, распределение температуры по твэ-лам и сборкам реактора и соответствие предельно-допустимым значениям. С этой точки зрения достаточно было определить только теплофизиче-ские параметры наиболее энергонапряженных сборок реактора.
Актуальность данной работы связана с планируемым повышением мощности реактора ИРТ-Т до мощности 10...12 МВт и необходимостью оценки теплофизических параметров работы твэлов на этой мощности.
В работе были использованы специализированные программы: ТГРК (ТеплоГидравлический Расчет Канала), FELM (Расчет теплогидравлических параметров активных зон ядерных энергетических установок) и MCU5TPU. ТГРК предназначена для расчета температуры стенок твэла и теплоносителя по сечению и длине ТВ С типа реактора ИРТ-Т, имеющих цилиндрическую форму. Программа
FELM предназначена для уточнения расчетов распределения температур по сечению твэлов. Необходимые для расчета теплофизические параметры материалов реактора были взяты из работ [4, 5].
Сердечник твэла реактора ИРТ-Т представляет собой дисперсионную композицию из двуокиси урана в алюминиевой матрице. Объемная доля топливной компоненты в сердечнике составляет 7,1 %. Коэффициент теплопроводности топливной композиции определялся по формуле Одолевского [6] и при такой доле топлива в сердечнике теплопроводность сердечника снижается по сравнению с теплопроводностью алюминиевой матрицы на 10 %. Теплопроводность алюминия зависит от его чистоты и доходит до 236...247 Вт/(м-К), но в расчетах было принято несколько заниженное (консервативное) значение - 220 Вт/(м-К). В диапазоне рабочих температур 50...80 °С значение теплопроводности практически не изменяется.
По заданным картограммам загрузки реактора с помощью программы MCU5TPU были оценены распределения энерговыделения по объему реактора и определены коэффициенты неравномерности тепловыделения по твэлам и ячейкам реактора. В рамках этой работы создана расчетная модель этого реактора и проведены оценочные расчеты распределений энерговыделения по сечению и длине наиболее энергонапряженных сборок.
На рис. 1 показаны результаты распределения энерговыделения (мощности, в относительных единицах) по ячейкам активной зоны.
Расчетное значение коэффициента неравномерности энерговыделения по высоте активной зоны равно ^=1,31.
На рис. 2 показано распределение энерговыделения по высоте активной зоны.
Распределение энерговыделения по горизонтальному сечению наиболее напряженной среди восьмитрубных ТВС показано на рис. 3.
Коэффициент неравномерности распределения энерговыделения по горизонтальному сечению на-
иболее напряженной восьмитрубной ТВС (ячейка № 10) равен £"=1,4.
№1 0,873 №2 0,938 №3 0,977 №4 1,015
№5 0,832 №6 0,988 №7 1,015 №8 0,970
№9 1,180 ш щ №10 1,357
№11 1,164 ш щ №12 1,352
№13 0,812 №14 0,957 №15 0,989 №16 0,939
№17 0,847 №18 0,906 №19 0,930 №20 0,959
- ТВС восьмитрубная
- ТВС шеститрубная
- Блок бериллиевый
Рис. 1. Распределение энерговыделения по ячейкам реактора (нормировано на среднее значение)
Рис. 2. Распределение энерговыделения (расчет) по высоте активной зоны реактора ИРТ-Т (нормировано на среднее значение)
6 8
Номер тв ала
Распределение энерговыделения (расчет) по горизонтальному сечению восьмитрубной ТВС (нормировано на среднее значение) в направлении: ♦ - от отражателя к центру реактора; ■ - между соседними ТВС
Распределение энерговыделения по горизонтальному сечению наиболее напряженной шести-трубной ТВС, находящейся в ячейке № 13, показано на рис. 4.
Номер твэла
Рис. 4. Распределение энерговыщеления (расчет) по горизонтальному сечению шеститрубной ТВС (нормировано на среднее значение) в направлении: ■ - к центру реактора; ♦ - между соседними ТВС
Коэффициент неравномерности энерговыделения по горизонтальному сечению наиболее напряженной шеститрубной ТВС равен Кг6= 1,24.
Таким образом, максимальные удельные мощности восьми- и шеститрубной ТВС соответственно равны:
= wsK:K*r = 1,0004 • 1,31-1,4 = 1,846 кВт/см2, wfx = w6K:K6r = 0,8399 • 1,31-1,24 = 1,123 кВт/см2,
Полученные оценки распределений энерговыделения для номинального уровня мощности реактора ИРТ-Т 6 МВт для шести- и восьмитрубной ТВС были использованы для оценки температурных режимов работы наиболее энергонапряженных ТВС.
Вместо всей активной зоны были рассмотрены цилиндризованные (из условия сохранения площадей и материального состава ТВС) коаксиальные сборки твэлов. Для расчетов были выбраны две ТВС с наибольшим энерговыделением. Это восьми- и шеститрубная ТВС с относительным энерговыделением 1,357 и 0,812. Мощности, выделяемые в этих ТВС, составляют:
N8 = 300 -1,357 = 407,1 кВт, N6 = 300 - 0,812 = 243,6 кВт.
Удельная мощность топлива восьми- и шести-трубной ТВС:
ж, =-
Nu
V
N
407,1 406,928 243,6
= 1,0004 кВт/см2,
ж =-
= 0,6896 кВт/см2.
V6 353,22
Результаты расчета показывают, что максимальная температура поверхности твэла в наиболее энергонапряженном участке, а именно, на внутренней стенке наружного твэла, для восьмитруб-ной ТВС, находящейся в ячейке № 10, составляет 80,2 °С. Для шеститрубной ТВС, находящейся в ячейке № 13 - 67,4 °С. Максимальная температура сердечника твэла восьмитрубной ТВС составляет 82,1 °С, а шеститрубной - 68,6 °С. Максимальная температура на границе сердечника с оболочкой восьмитрубной ТВС равна 81,7 °С, а для шеститрубной - 68,3 °С.
Температура теплоносителя на выходе из зазора, прилегающего к внутренней поверхности наружного твэла, составляет 59,6 и 54,1 °С для восьми- и шеститрубной ТВС соответственно. Максимальная плотность теплового потока с поверхности твэла составляет 518,3 и 314,8 кВт/м2 для восьми- и шеститрубной ТВС соответственно. Именно для этих двух участков был проведен уточняющий расчет распределения температур в твэле в программе FELM, рис. 5, 6.
Максимальные температуры по сечению в наиболее энергонапряженных участках равны: для восьми-трубной ТВС - 80,7 °С, а для шеститрубной - 66,8 °С.
Рис. 5. Распределение температур в наружном твэле восьмитрубной ТВС в ячейке № 10 (черной заливкой показан сердечник твэла, серой - его оболочка)
Рис. 6. Распределение температур в наружном твэле шеститрубной ТВС в ячейке № 13
Распределения температуры теплоносителя по высоте наиболее напряженной восьмитрубной ТВС в ячейке № 10 и наименее напряженной шеститрубной ТВС в ячейке № 13 (рис. 1) в самом подогреваемом зазоре, между первым (наружным) и вторым твэлом имеют вид, рис. 7.
д^ = ^ - % = 59,6 - 45 = 14,6 °С,
д^тах = ^ - ^ = 54,5 - 45 = 9,5 °С.
Распределения температур по высоте на вну-
Максимальные подогревы теплоносителя в за- тренней поверхности наружных твэлов этих ТВС
зорах этих ТВС при мощности 6 МВт будут:
имеют следующий вид, рис. 8.
Высота твэла, см
Рис. 7. Распределения температуры теплоносителя по вы/соте наиболее напряженной восьмитрубной ТВС (♦) в ячейке № 10 и наименее напряженной шеститрубной ТВС (■) в ячейке № 13
Высота твэла, см
Рис. 8. Распределения температур по вы/соте на поверхности твэла шеститрубной (■) и восьмитрубной (♦) ТВС в ячейках № 13 и № 10 соответственно
Плотности тепловых потоков с поверхности твэлов данных ТВС распределены по высоте следующим образом, рис. 9.
Одним из эксплуатационных ограничений на работу реактора является условие недопущения поверхностного кипения теплоносителя на твэлах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев Н.И., Гомин Е.А., Городков С.С. Программа МСШТРи // РНЦ «Курчатовский институт» Институт ядерных реакторов, - М., 2007. URL: http://mcu.vver.kiae.ru/ra-bout.html (дата обращения: 15.02.2010).
2. Грачев В.Д. Некоторые вопросы математической реализации метода конечных элементов в задачах реакторной теплофизики: Препринт НИИАР-6(652). - М.: ЦНИИатоминформ, 1985.
- 21 с.
3. Варлачев В.А., Гусаров О.Ф., Заболотнов С.А. и др. Исследовательский ядерный реактор ИРТ-Т. - Томск: Изд-во ТПУ, 2002.
- 56 с.
Температура начала поверхностного кипения равна 123 °С. Полученное в данной работе значение температуры поверхности твэлов не превышает 81 °С, что гораздо ниже предельного значения.
О 10 20 30 40 50 60
Высота твэла, см
Рис. 9. Плотности тепловых потоков с поверхностей твэлов шеститрубной (и) и восьмитрубной (4 ) ТВС в ячейках № 13 и № 10 соответственно
Выводы
С помощью программ МСШТРи, ТГРК и FELM отработана методика определения энергетических и теплофизических характеристик реактора ИРТ-Т, проведен расчет температурных режимов работы его твэлов. Получено детальное распределение температурных полей в объеме ядерного реактора. Показано, что при номинальной мощности реактора ИРТ-Т (6 МВт) температурные режимы работы твэлов укладываются в предельные значения и соответствуют требованиям безопасности эксплуатации реактора. Максимальные температуры поверхности твэлов и их сердечников при мощности реактора 6 МВт не превышают 81 °С. Максимальный подогрев теплоносителя в зазорах между твэлами - 15 °С, а максимальная плотность теплового потока с поверхности твэла - 518 кВт/м2.
4. Кирилов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по те-плогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 360 с.
5. Кирилов П.Л., Богословская Г.П. Теплообмен в ядерных энергетических установках. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 456 с.
6. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем // Журнал технической физики. - 1951. - Т. 21. -№ 6. - С. 667-685.
Поступила 23.03.2010 г.
