Расчетное обоснование теплотехнической надежности активной зоны водо-водяного реактора с шаровыми тепловыделяющими элементами

Артём [Artem] Андреевич [A.] Березин [Berezin]; Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Сатаев [Sataev]; Денис [Denis] Ильич [I.] Новиков [Novikov]; Олег [Oleg] Васильевич [V.] Хвойнов [Khvoinov]; Вячеслав [Vyacheslav] Викторович [V.] Андреев [Andreev]

doi:10.24160/1993-6982-2021-5-44-50

Артём [Artem] Андреевич [A.] Березин [Berezin]
Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Сатаев [Sataev]
Денис [Denis] Ильич [I.] Новиков [Novikov]
Олег [Oleg] Васильевич [V.] Хвойнов [Khvoinov]
Вячеслав [Vyacheslav] Викторович [V.] Андреев [Andreev]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2021-5-44-50

Ключевые слова: шаровая укладка, шаровые ТВЭЛ, водо-водяной реактор, пористость, ядерная безопасность, теплотехническая надежность

Аннотация

Данное исследование направлено на расчетное обоснование теплотехнической надежности ядерного водо-водяного реактора под давлением (ВВРД) с шаровыми тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ) и определение наиболее выгодного исполнения шаровой укладки с точки зрения теплогидравлики. Шаровые ТВЭЛ обладают целым рядом преимуществ перед цилиндрическими ТВЭЛ: повышенным удержанием продуктов деления, усиленной ядерной безопасностью (из-за высокой температуры плавления керамических материалов), интенсификацией теплообмена за счёт повышения турбулентности потока теплоносителя, уменьшенным влиянием термоциклических нагрузок на ТВЭЛ.

С целью подтверждения данных положений выполнен теплогидравлический расчёт реактора типа КЛТ-40С с измененным внутриканальным наполнением тепловыделяющих сборок (ТВС), состоящих из шаровых ТВЭЛ. Для определения оптимальной шаровой засыпки рассчитаны два вида шаровых укладок с тремя различными диаметрами шаровых ТВЭЛ. В ходе расчёта предложены решения вопросов учета непостоянства проходного сечения каналов, расчета числа Рейнольдса для каналов данной формы, использования формул для установления числа Нуссельта, определения гидравлического сопротивления в каналах. В результате расчёта получены данные основных теплогидравлических характеристик: поверхностной плотности теплового потока, коэффициента теплоотдачи, максимальной температуры топлива, гидравлических потерь и сопоставлены с результатами расчёта для цилиндрических ТВЭЛ. Полученные результаты подтверждают преимущество шаровых ТВЭЛ перед цилиндрическими по ряду основных параметров, что дает перспективу дальнейшего изучения применения шаровых ТВЭЛ в реакторах данного типа. Результаты работы могут быть использованы при проектировании реакторных установок малой и средней мощностей, а также модернизации уже имеющихся установок.

Сведения об авторах

Артём [Artem] Андреевич [A.] Березин [Berezin]

магистрант второго года обучения кафедры ядерных реакторов и энергетических установок Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, e-mail: berezin.q@yandex.ru

Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Сатаев [Sataev]

аспирант третьего года обучения, инженер кафедры ядерных реакторов и энергетических установок Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, e-mail: berezin.q@yandex.ru

Денис [Denis] Ильич [I.] Новиков [Novikov]

магистрант второго года обучения кафедры ядерных реакторов и энергетических установок Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, e-mail: grey1ngreen@inbox.ru

Олег [Oleg] Васильевич [V.] Хвойнов [Khvoinov]

магистрант второго года обучения кафедры ядерных реакторов и энергетических установок Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, e-mail: okhvoinov@bk.ru

Вячеслав [Vyacheslav] Викторович [V.] Андреев [Andreev]

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ядерных реакторов и энергетических установок Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, e-mail: vyach.andreev@mail.ru

Литература

1. Атомные станции малой мощности: новое направление развития энергетики. Т. 2. М.: Академ-Принт, 2015.
2. Богоявленский Р.Г. Гидродинамика и теплообмен в высокотемпературных ядерных реакторах с шаровыми ТВЭЛ. М.: Атомиздат, 1978.
3. Деменок С.Л., Медведев В.В., Сивуха С.М. Гидродинамика и теплообмен в шаровых укладках. СПб.: Страта, 2012.
4. Bua Shanshan e. a. CFD Investigations of Subcooled Flow Boiling in a Random Pebble Bed // Chem. Eng. Trans. 2017. No. 61. Pp. 1303—1308.
5. Li Hua e. a. Thermal Hydraulic Investigations with Different Fuel Diameters of Pebble Bed Water Cooled Reactor in CFD Simulation // Annals of Nuclear Energy. 2012. V. 42. Pp. 135—147.
6. Аношкин Ю.И., Дунцев А.В. Теплообменные процессы в ЯЭУ. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева, 2015.
7. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. М.: Энергоатомиздат, 1990.
8. Сморчкова Ю.В., Авдонина Е.А., Дедов А.В. Исследование теплогидравлических и нейтронно-физических характеристик перспективных тепловыделяющих сборок для реакторных установок малой мощности // Известия высш. учеб. заведений. Серия «Проблемы энергетики». 2018. № 7—8. С. 23—34.
9. Сморчкова Ю.В. Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объёмного тепловыделения: дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2018.
10. Лозовецкий В.В., Крымасов В.Н. Гидромеханические и тепловые процессы в ядерных реакторах с микротвэльным топливом. М.: ВИНИТИ РАН, 2003.
11. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.
12. Климова В.А., Пахалуев В.М., Щеклеин С.Е. Особенности вихреобразования при течении газового потока в слое из шаровых элементов // Известия высш. учеб. заведений. Серия «Проблемы энергетики». 2010. № 7—8. С. 14—19.
13. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое. Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1984.
14. Лозовецкий В.В., Пелевин Ф.В., Пономарёв А.В. Сопротивление и теплообмен в шаровых засыпках при движении одно-и двухфазных сред и кипении // Известия высш. учеб. заведений. Серия «Машиностроение».2006. № 7. С. 32—41.
15. Филиппов Г.А. и др. Экспериментальное исследование работоспособности защитных оболочек микротвэлов применительно к условиям тяжелых аварий легководных реакторов // Атомная энергия. 2007. № 5(103). С. 302—309.
16. Плаксеев А.А, Федосеев В.Н., Харитонов В.В. Взаимосвязь теплоотдачи, интенсивности перемешивания теплоносителя и гидравлического сопротивления в пористых средах // Известия АН СССР. Серия «Энергетика и транспорт». 1988. № 6. С. 106—113.
17. Лелеков В.И. Особенности теплообмена и газодинамики в тепловыделяющих сборках со сферическими твэлами и радиальной раздачей теплоносителя // Теплоэнергетика. 2005. № 3. С. 25—33.
---
Для цитирования: Березин А.А., Сатаев А.А., Новиков Д.И., Хвойнов О.В., Андреев В.В. Расчётное обоснование теплотехнической надёжности активной зоны водо-водяного реактора с шаровыми тепловыделяющими элементами // Вестник МЭИ. 2021. № 5. С. 44—50. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-44-50.
#
1. Atomnye Stantsii Maloy Moshchnosti: Novoe Napravlenie Razvitiya Energetikiy. T. 2. M.: Akadem-Print, 2015. (in Russian).
2. Bogoyavlenskiy R.G. Gidrodinamika i Teploobmen v Vysokotemperaturnykh Yadernykh Reaktorakh s Sharovymi TVEL. M.: Atomizdat, 1978. (in Russian).
3. Demenok S.L., Medvedev V.V., Sivukha S.M. Gidrodinamika i Teploobmen v Sharovykh Ukladkakh. SPb.: Strata, 2012. (in Russian).
4. Bua Shanshan e. a. CFD Investigations of Subcooled Flow Boiling in a Random Pebble Bed. Chem. Eng. Trans. 2017;61:1303—1308.
5. Li Hua e. a. Thermal Hydraulic Investigations with Different Fuel Diameters of Pebble Bed Water Cooled Reactor in CFD Simulation. Annals of Nuclear Energy. 2012;42:135—147.
6. Anoshkin Yu.I., Duntsev A.V. Teploobmennye Protsessy v YAEU. Nizhniy Novgorod: Izd-vo Nizhegorodskogo Gos. Tekhn. Un-ta im. R.E. Alekseeva, 2015. (in Russian).
7. Kirillov P.L., Yur'ev Yu.S., Bobkov V.P. Spravochnik po Teplogidravlicheskim Raschetam. M.: Energoatomizdat, 1990. (in Russian).
8. Smorchkova Yu.V., Avdonina E.A., Dedov A.V. Issledovanie Teplogidravlicheskikh i Neytronno-fizicheskikh Kharakteristik Perspektivnykh Teplovydelyayushchikh Sborok dlya Reaktornykh Ustanovok Maloy Moshchnosti. Izvestiya Vyssh. Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Problemy Energetiki». 2018;7—8:23—34. (in Russian).
9. Smorchkova Yu.V. Issledovanie Teplogidravlicheskikh Kharakteristik Sharovykh Zasypok pri Radial'nom Techenii Teplonositelya v Usloviyakh Ob′emnogo Teplovydeleniya: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: NIU «MEI», 2018. (in Russian).
10. Lozovetskiy V.V., Krymasov V.N. Gidromekhanicheskie i Teplovye Protsessy v Yadernykh Reaktorakh s Mikrotvel'nym Toplivom. M.: VINITI RAN, 2003. (in Russian).
11. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Osnovy Teploperedachi. M.: Energiya, 1977. (in Russian).
12. Klimova V.A., Pakhaluev V.M., Shcheklein S.E. Osobennosti Vikhreobrazovaniya pri Techenii Gazovogo Potoka v Sloe iz Sharovykh Elementov. Izvestiya Vyssh. Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Problemy Energetiki». 2010;7—8:14—19. (in Russian).
13. Gol'dshtik M.A. Protsessy Perenosa v Zernistom Sloe. Novosibirsk: Institut Teplofiziki SO AN SSSR, 1984. (in Russian).
14. Lozovetskiy V.V., Pelevin F.V., Ponomarev A.V. Soprotivlenie i Teploobmen v Sharovykh Zasypkakh pri Dvizhenii Odno-i Dvukhfaznykh Sred i Kipenii. Izvestiya Vyssh. Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Mashinostroenie».2006;7:32—41. (in Russian).
15. Filippov G.A. i dr. Eksperimental'noe Issledovanie Rabotosposobnosti Zashchitnykh Obolochek Mikrotvelov Primenitel'no k Usloviyam Tyazhelykh Avariy Legkovodnykh Reaktorov. Atomnaya Energiya. 2007;5(103):302—309. (in Russian).
16. Plakseev A.A, Fedoseev V.N., Kharitonov V.V. Vzaimosvyaz' Teplootdachi, Intensivnosti Peremeshivaniya Teplonositelya i Gidravlicheskogo Soprotivleniya v Poristykh Sredakh. Izvestiya AN SSSR. Seriya «Energetika i Transport». 1988;6:106—113. (in Russian).
17. Lelekov V.I. Osobennosti Teploobmena i Gazodinamiki v Teplovydelyayushchikh Sborkakh so Sfericheskimi Tvelami i Radial'noy Razdachey Teplonositelya. Teploenergetika. 2005;3:25—33. (in Russian).
---
For citation: Berezin A.A., Sataev A.A., Novikov D.I., Khvoinov O.V., Andreev V.V. Calculated Substantiation of the Fixed-Bed Nuclear Reactor Core Thermal Reliability. Bulletin of MPEI. 2021;5:44—50. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-44-50.