Введение. 
Теплогидравлический расчет реактора на быстрых нейтронах

Реакторы на быстрых нейтронах позволяют осуществлять расширенное воспроизводство ядерного топлива, что радикально решает проблему энергообеспечения АЭС, так как открывается возможность дальнейшего роста ядерной энергетики практически без ограничения со стороны топливных ресурсов. теплогидравлический нейтрон теплообмен Успешная эксплуатация в СССР первых быстрых реакторов БР-5 и БР-10 (мощностью 5 и 10 МВт соответственно), опытного реактора БОР-60 мощностью 60 МВт позволила освоить мощные энергетические реакторы на быстрых нейтронах БН-350 и БН-600, которые сегодня успешно эксплуатируются в г. Шевченко и на Белоярской АЭС.

В настоящее время разрабатывается целая серия еще более мощных энергетических реакторов на быстрых нейтронах (БН-1600 и др.).

Обеспечение высокой эффективности и надежности в работе быстрых реакторов — важная проблема, решение которой в значительной степени определяется уровнем теплофизического обоснования реакторов.

Особенности условий работы быстрых реакторов (высокие нейтронные и тепловые потоки, большие выгорания и давления газообразных продуктов деления в твэлах, высокие температуры топлива и оболочки) особенности физики и геометрии активной зоны, значительные неопределенности в параметрах выдвигают задачу более глубокого проникновения в суть теплофизических процессов, протекающих в реакторах, и познания новых явлений, отвечающих современному уровню знаний в области теплофизики реакторов как науки. Межканальный гидродинамический и тепловой обмен, переменное энерговыделение и начальные тепловые участки, деформированные решетки твэлов и нестандартные каналы, несимметричные тепловые нагрузки и оребренные системы твэлов — далеко не полный перечень вопросов, выдвигаемых в настоящее время практикой реакторостроения и имеющих решающее значение при теплофизическом обосновании быстрых реакторов.

Учет перечисленных факторов в теплогидравлическом расчете делает его весьма сложной задачей. Среди требовании к тегоплогидравлическому расчету — большая информативность, комплексность, высокая достоверность результатов прежде всего по локальным гидродинамическим и тепловым характеристикам: с одной стороны, большие запасы по параметрам теплоносителя недопустимы (ограничиваются мощность и КПД установки), с другой стороны, превышение локальных температур сверх допустимых пределов может обусловить выход реактора из строя.

Обеспечение надежного теплогидравлического расчета высокопоточных современных реакторов на быстрых нейтронах (БН-350, БН-600) потребовало проведения значительного комплекса экспериментальных исследований и развития новых методов расчета локальных характеристик ТВС быстрых реакторов.

Исследованные специалистами механизмы межканального обмена и сложного продольно-поперечного течения в элементах реакторов, изученные особенности гидродинамики и теплообмена в системах параллельных твэлов и в нестандартных каналах (периферийные зоны ТВС), исследованные температурные поля регулярных и искаженных решеток твэлов при постоянном и переменном энерговыделениях, в стабилизированных и в нестабилизированных гидродинамических и тепловых условиях и т. д. составляют базу для расчета локальных тепловых и гидродинамических характеристик ТВС быстрых реакторов.

Ряд из перечисленных вопросов касается широкого круга задач и по существу определяет дальнейшее развитие теплофизики реакторов вообще. Например, проблема нестандартных каналов (периферийные твэлы) и искаженных решеток, включающая в себя смещения твэлов, локальные перегревы, блокировки проходных сечений, одиночные и групповые прогибы твэлов, определяет кардинальный вопрос надежности и повышения мощности реакторов и, по-видимому, будет развиваться в последующие годы постольку, поскольку будет развиваться реакторостроение.

Большой круг проведенных исследований привел к получению данных для важнейших характеристик ТВС быстрых реакторов в широком диапазоне параметров ТВС, что позволяет осуществить оптимизацию ряда параметров ТВС.

Одной из задач теплогидравлического расчета ТВС быстрых реакторов является нахождение, исходя из проектных параметров активной зоны реактора (энерговыделения, общего расхода теплоносителя и т. д.), теплогидравлических характеристик, определяющих работоспособность зоны. К числу основных характеристик, определяющих работоспособность ТВС, принадлежат максимальные температуры оболочек твэлов и чехлов ТВС и максимальные неравномерности температуры по периметру твэлов и чехлов ТВС.

Поскольку активная зона представляет собой большую и сложную систему ТВС, содержащих тепловыделяющие элементы и имеющих в свою очередь также сложную структуру, теплогидравлический расчет зоны реактора разбивается на несколько этапов.

На первом этапе, выполняемом на стадии проектных изысканий (оптимизация параметров), определяются расходы теплоносителя через ТВС, средние подогревы теплоносителя в ТВС.

Следующим этапом является расчет теплогидравлических характеристик индивидуальных ТВС и твэлов. Он в свою очередь включает расчеты геометрических характеристик ТВС, распределение расходов теплоносителя по каналам ТВС с учетом межканального гидродинамического обмена, подогревов теплоносителя по каналам ТВС с учетом межканального теплового обмена, определение температурных напоров стенка-жидкость и максимальных неравномерностей темпераратуры по периметру твэлов, учет влияния на температурное поле различных факторов, определение максимальных температур оболочек твэлов. Поскольку подогревы теплоносителя в ТВС быстрых реакторов весьма велики (составляют ~ 200 ° С), точность в определении максимальной температуры оболочек твэлов в значительной степени определяется корректностью расчета распределения подогрева теплоносителя по каналам ТВС.

Процессы формирования полей скорости и температуры в ТВС, представляющих собой систему взаимосвязанных каналов, между которыми имеет место обмен массой, импульсом и теплом, имеют существенные особенности по сравнению с процессами в изолированных каналах. Массообмен между каналами, более сильное, чем в изолированных каналах, влияние случайных геометрических отклонений (прогибы, сдвижки твэлов) на разверку расходов; влияние дистанционирующего спирального оребрения твэлов на межканальное перемешивание и степень турбулизации потока; неравномерность распределения теплоносителя по ячейкам различной геометрии (центральные, периферийные ячейки) и т. д. определяют гидродинамические особенности взаимосвязанных каналов по сравнению с изолированными каналами.

Жидкие металлы имеют большие коэффициенты теплопроводности, малые коэффициенты объемной теплоемкости. Большие подогревы теплоносителя и высокие коэффициенты теплообмена приводят к тому, что профиль температуры поверхности твэлов, омываемых жидкими металлами, определяется в основном локальными подогревами теплоносителя, а не локальными коэффициентами теплообмена. Вышесказанное в особой мере относится к периферийным твэлам, по периметру которых имеют место особенно большие разности в подогревах теплоносителя.

Допуски на геометрические размеры ТВС быстрых реакторов, имеющих малые диаметры твэлов и относительно малые шаги решетки, соизмеримы по величине с поперечными размерами каналов, окружающих твэлы, что обусловливает заметный эффект от смещения и прогибов твэлов даже при использовании на твэлах дистанционирующих проволочных навивок. Особую важность эти вопросы приобретают для периферийных твэлов, на которых навита проволока диаметром в два раза меньшим, чем на центральных твэлах. Это создает возможность смещения периферийных твэлов по периметру обечайки, по крайней мере, на половину зазора между твзлами.

Процессы теплообмена в периферийных каналах носят, как правило, нестабилизированный характер. Степень нестабилизированности зависит от эквивалентной теплопроводности и относительного шага расположения твэлов, диаметра вытеснителей, зазора между твэлами и обечайкой и других причин.

Таким образом, особенности гидродинамики и теплообмена в ТВС быстрых реакторов в основном связаны с пристенными (периферийными) рядами твэлов и с использованием натрия в качестве теплоносителя.

Вызываемые этими особенностями новые проблемы по сравнению с бесконечными решетками твэлов могут быть суммированы следующим образом:

• — на порядок более высокие неравномерности температуры по периметру периферийных твэлов по сравнению с центральными твэлами;
• — большие неравномерности расходов теплоносителя по периметру периферийных твэлов;
• — решающее влияние межканального обмена на поля скорости и температуры в ТВС быстрых реакторов;
• — повышенное влияние деформации решетки твэлов на поля скорости и температуры;
• — нестабилизированные условия теплообмена в периферийных каналах ТВС.

Представленный ниже материал по теплогидравлическому расчету ТВС быстрых реакторов учитывает специфику гидродинамики и теплообмена в активных зонах быстрых реакторов и направлен на решение вышеприведенных вопросов.