Разработка моделей ТВС для исследования аварийных режимов на крупномасштабных стендах

Атомная энергетика России базируется на реакторах двух типов: водо-водяных — ВВЭР и канальных уран-графитовых — РБМК. Перспективы развития на ближайшее будущее связываются со строительством усовершенствованных ВВЭР мощностью 640, 1000 и 1500 МВт.

Атомная энергетика Запада базируется на реакторах PWR (аналог ВВЭР) и корпусных кипящих реакторах BWR (в России энергетических реакторов такого типа нет). Перспективы развития на ближайшее будущее связываются со строительством усовершенствованных PWR и BWR различной мощности.

Развитие атомной энергетики возможно при выполнении основного условия — уровень безопасности АЭС должен отвечать жестким современным требованиям. Характеристикой этого уровня служит расчетное доказательство безопасности АЭС с использованием теплогидравлических системных кодов улучшенной оценки, верифицированных на экспериментальных данных. Данные для верификации кодов могут быть получены как на действующих АЭС, так и на специальных экспериментальных установках.

Данные, полученные на действующих АЭС, как правило, относятся к стационарным режимам, не выходящим за рамки регламента, и не дают информацию, обеспечивающую полноценную верификацию кодов. В связи с этим, для получения данных, пригодных для верификации кодов, используют экспериментальные модельные установки.

Используются установки двух типов — фрагментные и интегральные.

Фрагментные установки моделируют компоненты циркуляционного контура АЭС или их узлы и предназначены для верификации отдельных модулей кода и построения физически обоснованных методик расчета отдельных явлений.

Интегральные установки моделируют циркуляционный контур АЭС с основными узлами и предназначены для исследования поведения контура в переходных и аварийных режимах.

Такие установки структурно, гидродинамически и теплофизически подобны реальным контурам АЭС с реакторами различных типов. Для их создания необходимо выяснить границы приближенного моделирования, требования и условия, которым должна удовлетворять экспериментальная установка для адекватного отображения прототипа.

К требованиям моделирования в первую очередь относятся [1] структурное и геометрическое подобие моделирующего и реального контуров циркуляцииравенство исходных режимных параметров (давление, удельный массовый расход теплоносителя через различные элементы, удельное тепловыделение и т. д.) в модели и реальном контуреиспользование, по возможности, в моделях активной зоны полномасштабных технологических каналов и тепловыделяющих сборок.

Крупномасштабные петлевые установки обладают характерными особенностями: их прототипом является сложная энергетическая установка, содержащая разнообразное теплотехническое оборудование (реактор, парогенераторы, насосы и т. д.) — экспериментальные установки структурно подобны прототипу, т. е. содержат аналогичное по назначению оборудование, имеют две или более циркуляционные петли и т. п.;

Для создания интегральных стендов, моделирующих процессы в реакторной установке, в основном используется объемно-мощностное моделирование, при котором вертикальные размеры сохраняются те же, что и у прототипа, а объемы, проходные сечения и количество твэлов меньше на модели в ст раз. При этом процессы на модели протекают в реальном времени.

Наиболее важным для безопасности АЭС является правильное воспроизведение процессов, происходящих в реакторе. При исследовании аварийных процессов на полномасштабных стендах является определение температурных режимов твэлов и тепловыделяющей сборки в целом. Для адекватного воспроизведения температурных режимом ТВС РУ в различных аварийных ситуациях необходимо использовать модели ТВС, максимально близкие к натурным.

Диссертационная работа посвящена разработке моделей ТВС для исследования аварийных режимов на крупномасштабных стендах. При исследовании аварийных процессов на полномасштабных стендах основной задачей является определение температурных режимов твэлов и тепловыделяющей сборки в целом. Для адекватного воспроизведения температурных режимов ТВС РУ в различных аварийных ситуациях необходимо использовать модели ТВС, максимально близкие к натурным. Поэтому придается особое значение конструкциям и характеристикам элементов модели реактора. В связи с этим, создание моделей ТВС адекватно воспроизводящих температурные режимы в ТВС РУ актуально.

Научная новизна.

В диссертационной работе представлены материалы, на основе которых разработаны, изготовлены и апробированы различные элементы моделей ТВС. На основе этих элементов изготовлена модель ТВС с имитаторами твэл косвенного нагрева с плотностью теплового потока равной плотности теплового потока твэлов на уровне остаточного тепловыделения РУ — мощность модели ТВС 1,5 МВт и модель ТВС с плотностью теплового потока на поверхности имитаторов равной номинальной плотности теплового потока твэлов РУ — мощность модели ТВС 10 МВт. Элементы моделей ТВС, разработанные автором, аналогов в России и в мире не имеют.

1. Впервые разработана система охлаждения ТВС с имитаторами твэл косвенного нагрева. Система защищена патентом РФ.

2. Впервые разработана система термокомпенсации имитаторов твэл, позволяющая адекватно моделировать работу твэлов в том числе в аварийных условиях. Система защищена патентом РФ.

3. Впервые разработана система контроля работоспособности имитаторов твэл с косвенным нагревом в процессе ее эксплуатации. Система защищена патентом РФ.

Практическая значимость.

В процессе выполнения диссертационной работы определены основные характеристики имитаторов твэл важные для их конструирования.

Разработаны элементы модели ТВС мощностью 10 МВт, а так же системы, обеспечивающие долговременную и безотказную работу ТВС с имитаторами твэл косвенного нагрева.

Разработаны различные системы, позволившие изготовить модели ТВС. Использование моделей на полномасштабном стенде ЭНИЦ ПСБ ВВЭР позволило получить ряд уникальных экспериментальных данных по температурным режимам ТВС в различных аварийных режимах, полученные данные используются для верификации как российских теплогидравлических кодов ТРАП, КОРСАР, БАГИРА, так и западных кодов ATLET, CATHARE, RELAP.

Личный вклад автора.

Автор диссертационной работы принимал участие в разработке, расчетном обосновании, экспериментальной проверке систем, положенных в основу конструкций моделей ТВС. Автором разработаны алгоритм и программа для ПК, обеспечивающие работу системы контроля работоспособности имитаторов твэл в процессе эксплуатации. На защиту выносятся:

1. Система охлаждения нижней части ТВС;

2. Система термокомпенсации имитаторов;

3. Система контроля работоспособности имитаторов.

Достоверность результатов исследований.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена экспериментальной проверкой всех технических решений, которые использованы в конструкциях элементов моделей ТВС. Проверка технических решений проведена на экспериментальном стенде, обеспечивающем режимные параметры, соответствующие исследуемым аварийным режимам. Достоверность расчетов диссертационной работы подтверждена эксплуатацией модели ТВС в условиях исследования аварийных режимов.

Диссертация состоит из 5 глав:

В первой главе проведен обзор методов моделирования крупномасштабных стендов. Рассмотрены основные условия моделирования, на основе которых возможно создание моделей ТВС.

Во второй главе проведен обзор известных конструкций имитаторов твэл косвенного нагрева. Приведена, предложенная в работе, конструкция имитаторов твэл с вспомогательной оболочкой. Приведены теплофизические характеристики имитаторов.

В третьей главе представлена система охлаждения нижней части ТВС. Приведены результаты расчетов по обоснованию системы охлаждения.

В четвертой главе представлена система термокомпенсации имитаторов твэл. Приведены результаты опытной проверки системы термокомпенсации имитаторов.

В пятой главе представлена система контроля работоспособности имитаторов твэл в составе сборки во время эксплуатации. Приведены результаты опытной проверки системы. Приведена разработанная схема системы и алгоритм программы, позволяющие в течение работы сборки контролировать работоспособность каждого имитатора. Представлены результаты эксплуатации системы на модели ТВС мощностью 1.5 МВт.

Выводы.

1. При исследовании аварийных режимов на интегральных стендах в качестве ТВС используются электрообогреваемые модели ТВС, в которых твэлы моделируются с помощью имитаторов твэл косвенного нагрева. В настоящее время известные конструкции имитаторов твэл не позволяют получать плотностей тепловых потоков, соизмеримых с номинальными тепловыми потоками РУ ВВЭР, последнее обусловлено тем, что в термометрированных имитаторах твэл, выполненных по технологии изготовления ТЭН, невозможно обеспечить надежную электроизоляцию между оболочкой и центральным нагревательным элементом.

2. Предложена конструкция имитаторов твэл, позволяющая обеспечить надежную электроизоляцию, между нагревательным элементом и оболочкой. Последнее достигнуто за счет использования вспомогательной оболочки. Испытания имитаторов твэл в условиях максимально приближенных к реальным показали, что они удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям и обеспечивают проведение исследований при различных аварийных режимах, в том числе при плотностях тепловых потоков, соответствующих номинальным плотностям твэл РУ ВВЭР-1000. I.

3. Испытания показали, что ТВС, оснащенная имитаторами твэл, обеспечивающими высокую плотность теплового потока, должна быть дополнена системой охлаждения имитаторов твэл, находящихся вне корпуса и не охлаждаемых основным теплоносителем и системой термокомпенсации твэл.

4. Анализ известных конструкций моделей ТВС показал, что в мировой практике не существует подобных систем охлаждения. Предложена система охлаждения, обеспечивающая высокий коэффициент теплоотдачи и удовлетворяющая основному требованию предъявляемому к таким системам — вода не должна взаимодействовать с электроизолятором, входящим в состав имитатора. Система охлаждения защищена патентом РФ.

5. Исследование имитаторов твэл с высокой плотностью теплового потока показали, что система термокомпенсации твэл должна обеспечивать перемещение имитаторов твэл при их разогреве, работу системы охлаждения имитаторов твэл находящихся вне корпуса и работу имитаторов твэл, близкую к таковой в реакторных условиях.

6. Анализ известных систем термокомпенсации показал, что они не удовлетворяют поставленным требованиям. Предложена система термокомпенсации имитаторов твэл, обеспечивающая перемещение имитаторов против силы тяжести узел «верхней разгрузки»). Проведено испытание имитаторов с узлом «верхней разгрузки». Проведенные испытания показали, что система термокомпенсации обеспечивает длительную работу имитаторов твэл как в стационарных режимах ТВС (номинальная мощность), так и в условиях аварийных режимов — осушение и залив ТВС.

Система защищена патентом РФ.

7. Для безаварийной работы ТВС необходимо обеспечить контроль за состоянием имитаторов в процессе работы ТВС. Проведенный анализ известных систем показал, что они не позволяют осуществить контроль за работоспособностью имитаторов твэл с косвенным нагревом в составе сборки.

Предложен способ контроля работоспособности имитаторов твэл с косвенным нагревом в составе сборки в процессе проведения исследований. Проведены исследования по определению информативности предлагаемого способа (методики) для контроля работоспособности имитаторов твэл в составе сборки. Разработана методика, реализующая предложенный способ, разработан алгоритм и написана программа для реализации этого алгоритма. Разработана и собрана схема, реализующая алгоритм и программу.

Проверка работы системы контроля в процессе эксплуатации ТВС показала, что с помощью системы контроля возможно определение появления дефектов в имитаторе и предотвращение аварийной ситуации. Система защищена патентом РФ.

8. На основе проведенных разработок была изготовлены и включены в состав установки ПСБ-ВВЭР модели ТВС мощностью 1,5 и 10 МВт.

В течение 2001;2004 гг. выполнено 27 пусков, позволяющих реализовать ряд сценариев аварийных режимов, важных для обоснования безопасности АЭС с ВВЭР. Впервые получены опытные данные по теплогидравлике ВВЭР-1000 в аварийных условиях, вызванных течами в первом и втором контурах, и при исследовании влияния работы системы ГЕ-2 на температурный режим оболочек имитаторов твэл. В настоящее время на основе разработанных моделей ТВС в ФГУП «ЭНИЦ» проводится широкий круг исследований, которые позволяют обосновать безопасность АЭС с реакторами ВВЭР.