Нейтронно-термоакустична нестiйкiсть в каналах ядерного реактора

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

ядерний реактор

Актуальність теми: Вкрай важливою для України є проблема створення розрахунково-аналiтичних засобiв для аналiзу процесiв в ядерних реакторах в стацiонарних, перехiдних та аварiйних становищах. Без освоєння такого комплексу розрахунково-аналiтичних засобiв неможливо забезпечити надiйну та безпечну роботу АЕС

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: Нацiональна програма України "Критичнi технологiї" (постанова кабiнету мiнiстрiв України N 310 вiд 06.05.1994 г); Держбюджетна науково-дослідна робота “Розроблення методики періодичного контролю систем безпеки АЕС з ВВЕР” (Номер держ. реєстрації 0197U017627); Науково-дослідна робота “Аналіз безпеки ядерних енергоблоків Запорізької АЕС щодо термоакустичної нестійкості ” (Госп.договір ЗАЕС-ОДПУ N 01/341-97).

Мета дослідження: Вiдкриття закономірностей термоакустичної нестійкості (ТАН) в ядерному реакторі (ЯР) в одномірному наближенні.

Задачі дослідження:

- розроблення основ уявлення про фiзичний механiзм термоакустичної нестiйкостi в ЯР (нейтронно-термоакустичної нестiйкостi);

виведення характеристичного рiвняння нейтронно-термоакустичної нестiйкостi (НТАН) для одномірного випадку;

- запис елементiв фундаментальної матрицi рiшень характеристичного рiвняння НТАН як функцiй макропараметрів та мiкропараметрiв;

- створення програмних модулiв для розрахунку областей НТАН в одномiрному наближенні;

- вiдкриття закономiрностей впливу зворотного зв'язку по нейтронному потоку на розвиток ТАН в ЯР в одномірному наближенні та оцінка областi iснування НТАН для умов максимально навантаженої тепловидiляючої збiрки (ТВЗ) ВВЕР-1000.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Уперше запропоновано уявлення про фiзичний механiзм ТАН в ЯР як нейтронно-термоакустичної нестiйкостi (НТАН) шляхом урахування впливу на розвиток ТАН в ЯР зворотного зв'язку по збуренню прямого тепловиділення в рідині.

2. Уперше виведено характеристичне рiвняння НТАН в одномірному наближенні шляхом рішення крайової задачі для вектора змінних, де об'єднані збурення макропараметрів (нейтронний потік, нейтронний струм, витрата…) та мікропараметрів пузиркового кипучого потоку в ЯР.

3. Уперше дана якісна оцінка впливу знаку парового коефіцієнта реактивності, безрозмірного параметра “альфа”, а також довжини обігріву на розвиток ТАН в ЯР.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблена у видi комплексу розрахункових модулiв методика аналiзу стiйкостi ЯР до НТАН в одномiрному наближенні. Ця методика може бути рекомендованою для використання в науково-дослідних організаціях України при веріфікації теплогідравличних кодів ВВЕР-1000, а також при проектуванні нових ЯР.

Розрахунково-аналітичним шляхом доведена можливість існування і в одномірному наближенні дана оцінка області iснування НТАН в умовах центральної частини активної зони ВВЕР-1000

Апробація результатів дисертації : Дисертацiя обговорена на мiжнароднiй науковiй конференцiї "Екологiчнiсть технологiчних процесiв та охорона навколишнього середовища" (Одеса , травень 1997 р), а також на ювiлейнiй науково-технiчнiй конференцiї "Пiдготовка кадрiв та екологiчнi проблеми енергетики", присвяченiй 65-рiччю кафедри ТЕС Уральского державного технiчного унiверситету (Єкатеринбург, листопад 1997 р.). Результати дослiдження повiдомленi в IТТФ НАН України та в ДНТЦ ЯРБ України.

Публікації: По темi дисертацiї є 15 публiкацiй, з яких 6 журнальних, 2 статтi в збiрниках тез конференцiй та 7 депонованих статей.

Структура та обсяг дисертації : Дисертацiя складається зi вcтупу, трьох роздiлiв, закiнчення , списку лiтератури та 2 додаткiв. Загальний обсяг дисертацiї 197 стор., в тому числi 132 cтор. основної частини, 42 малюнки, 1 таблиця. Список лiтератури включає 72 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ

У вступі обгрунтована необхiднiсть вiдкриття закономірностей ТАН в ЯР та сформульованi завдання для розв'язання проблеми ТАН в ЯР.

В першому роздiлi виконано огляд лiтератури щодо проблеми ТАН в ядерному реакторi . Зробленi висновки, що

1. ТАК можуть бути особливо небезпечнi при їх виникненнi у ТВЗ активної зони ЯР. ТАК, що породжують високочастотнi поперечнi коливання тонкостiнної оболонки, можуть привести до її зруйнування з вихiдом радiоактивних продуктiв до контуру. Також можливо зменшення ресурсу роботи ТВЕЛiв за рахунок зруйнування ТВЕЛiв вiд утоми.

2. На данний час нагромадженi численнi експериментальнi матерiали щодо проблеми ТАК, якi одержанi на експериментальних стендах. Однак, навiть на стендах, що максимально близько моделюють режимнi параметри ЯР ВВЕР-1000, немає достатньо ретельної вiдповiдностi умовам роботи реального ЯР ВВЕР-1000. Важливо вiдзначити, що на ядерному енергоблоцi з ряду причин експерименти з проблеми ТАК або дуже складнi , або не можливi .

Вже розроблено розрахунковий метод аналiзу ТАН у неядерному теплообмiнному апаратi * . Вiн опирається на уявлення щодо ТАК як явища, що має причиною конденсацiю пузирів, що рухаються у недогрітому потоцi рiдини. Самопородження ТАК вiдбувається, якщо є надходження акустичної енергiї до потоку вiдповiдно критерiю Релею. Цей розрахунковий метод ретельно перевiрено тiльки на експериментальних стендах з малою довжиною обiгрiву (менш 1 метра).

Зазначений розрахунковий метод визначення кордонiв ТАН не приймає до уваги нейтронно-фiзичнi особливостi ТАН в ядерному реакторi . Сукупне розглядання нейтронно-фiзичних, теплогiдравличних та акустичних явищ потребує синтезу математичних моделей, розроблених для окремого аналiзу рiзних видiв нестiйкостi.

5. В центральної частині активної зони ЯР ВВЕР-1000 є зона поверхневого кипiння (ПК). Оцiнка показує, що приблизно 10 % вiд загальної кiлькостi ТВЗ мають дiлянку ПК. Пiд час роботи 6-го блоку Запорiзької АЕС (аналогiчно для iнших АЕС з ВВЕР-1000 ) мають мiсце режими зi зменшеною вхiдною температурою рiдини, що пiдвищує вiрогiднiсть виникнення ТАН.

Необхiднiсть визначення особливостей та можливостi розвитку ТАН в ЯР обумовила завдання дослiдження.

В другому роздiлi розробленi основи уявлення про фiзичний механiзм НТАН.

З'ясовано, що характерна частота НТАН (для основної гармонiки) лежить у межах: 800- 1500 рад/с.

Знайдена передатна функцiя (ПФ) вiд безрозмiрного збурення нейтронного потоку до безрозмiрного збурення температури палива на основi рiвняння теплопровiдностi ТВЕЛу. Ця ПФ достатньо мала, маючи модуль порядку .

Фiзичний механiзм ТАН в каналi ЯР потребує замiсть задачi ТАН розглядати задачу НТАН. Взаємнозв'язанi такi локальнi збурення: рiст тиску здавлення пузирiв та зменшення питомої об'ємної парокiлькостi рiст нейтронного потоку (при негативному паровому коефiцiєнтi реактивностi) рiст прямого тепловидiлення в рiдинi (за рахунок гальмування нейтронiв та гама-квантiв у водi) зменшення потоку тепла iз пузиря в рідину (еквiвалентно припливу додаткової маси в пузир, що дає критерiй Релея породження автоколивань пузиря);

В першому роздiлi виведена ПФ вiд безрозмiрного збурення тиску до безрозмiрного збурення нейтронного потоку.

Описано принцип розрахунково-графiчного аналiзу стiйкостi на основi характеристичного рiвняння (ХР)*.

Знайдена постiйна часу тепловiддачi вiд ТВЕЛу до рiдини на основi рiвняння теплопровiдностi паливного стержня та межевих умов, що описують теплообмiн стiнки ТВЕЛу з рiдиною ( 0,16 с).

*. Хабенский В.Б., Герлига В.А. Нестабильность потока теплоносителя в элементах энергооборудования.- СПб.: Наука, 1994.- 288 с.

Знайдена постiйна часу тепловiддачi вiд пузиря до рiдини на основi рiвняння для швидкостi змiни об'єма пузиря. Для iнтервалу дiаметра пузирiв м: 2,5-25 мс.

Записано рiвняння теплопровiдностi для плоскої стiнки. Модуль ПФ вiд безрозмiрного збурення питомого об'ємного тепловидiлення в паливi до безрозмiрного збурення температури стiнки склав для частоти = 1000 рад/c: .

В першому роздiлi знайдено модуль ПФ вiд безрозмiрного збурення прямого тепловидiлення в рiдинi до безрозмiрного збурення температури рiдини в прикордонному шарi (вiд до ). Записано рiвняння теплопровiдностi для прикордонного шару рiдини з межевими умовами, що враховують теплообмiн пузиря та рiдини. Для = 1000 рад/с: ;

Також знайдено вiдношення збурення мiжфазного теплового потоку до збурення тепловидiлення в рiдинi . Хай - це об'єм рiдини, що має такий характерний радiус, що на вiдстанi, рiвнiй цьому характерному радiусу, теплове випромiнювання вiд мiкроцентрiв тепловидiлення, що виникають при гальмуваннi -квантiв та нейтронiв в рiдинi, ослаблюється мало. Задаючи у формi кулi, в якiй є iнша куля, що має пару, радiус буде рiвний приблизно 5 мм. Тодi



Вважаючи механiзм теплового випромiнювання головним при перенесеннi тепла в задачi НТАН (перенесення тепла на мiкровiдстанi вiд мiкроцентрiв тепловидiлення в рiдинi з малим запiзненням), визначена модель теплообмiну:

(1)

де P - iмовiрнiсть, розрахована через тiлесний кут:

(2)

де

(3)

де = 0,1-1 мм, 5 мм, тодi <> = 0,04-0,4. При <> = 0,04:

При <> = 0,4:

Iз (1) випливає:

(4)

При iмовiрнiсть При

Пiдставляючи та в (4), маємо для

Знайдено вираз для збурення теплового потоку на мiжфазнiй межi :

(5)

(6)

;

;

; ;

;

; ; ; ; ; (; ; ).

Зробленi виcновки, що:

1 Зворотний зв'язок по збуренню нейтронного потоку робить дестабiлiзуючий вплив на розвиток ТАН в ядерному реакторi.

2 Щоб знайти закономiрностi НТАН необхiдно розрахувати комплексну частотну характеристику (КЧХ) на основi ХР НТАН.

Для опису процесiв при розвитку НТАН узятi рiвняння: 1) Дифузiї нейтронiв; 2) Теплопровiдностi ТВЕЛу; 3) Руху двофазного потоку в теплообмiнному каналi; 4) Руху пузирiв вiд моменту вiдриву до моменту зникнення. Прийнятi одногрупова дифузiйна модель нейтронного потоку та одномiрне наближення. Як просторова змiнна виступає аксiальна змiнна z. Для Лапласiана записано:

 (7)

(8)

де I - модуль струму нейтронiв; D - коeфiцiєнт дифузiї. Oскiльки ми маємо дiло з недогрiтим кипучим потоком, що кипить на стiнцi каналу ЯР, до рiвнянь динамiки нейтронного поля та рiвняння теплопровiдностi ТВЕЛу доданi: 1) рiвняння нерозривностi потоку; 2) рiвняння збереження iмпульсу потоку; 3) рiвняння збереження енергiї потоку ; 4) залежностi, що зв'язують середнi "макропараметри" потоку з "мiкропараметрами":

(9)

(10)

де - кiлькiсть пузирiв в одиницi об'єма в перерiзi z, що виникли на одиницi довжини каналу в перерiзi , та в момент часу iснують в перерiзi z; теж саме для об'єма пузиря та швидкостi пузиря. 5) рiвняння збереження кiлькостi пузирiв; 6) рiвняння балансу сил мiжфазної взаємодiї для пузиря (сили приєднаних мас, сили опору та сили, обумовленої наявнiстю градiєнта тиску); 7) рiвняння тепломасообмiну мiж пузирем та рiдиною .

Рiвняння, що описують мiкроструктуру пузиркового кипучого потоку, входять до складу розробленої в монографiї** НП-моделi пузиркового кипучого потоку. Згiдно з НП-моделлю, хай - довжина умовно видiленої дiлянки; I(z) - номер умовно видiленої дiлянки, вiдповiдної до координати z; - концентрацiя пузирiв, що виникли на одиницi довжини i-ої дiлянки, та прибули в момент часу в координату z; - теж саме для об'єма та швидкостi пузирiв. Далi будемо вважати, що .

Початкова система рiвнянь записана в збуреннях, лiнеаризована, перетворена по Лапласу при нульових початкових умовах. В результатi одержана система динамiчних рiвнянь для збурювань iнтегральних параметрiв (струм нейтронiв, нейтронний потiк, витрата, тиск i т.д.) та мiкропараметрiв (об'єм пузирiв, швидкiсть пузирiв, концентрацiя пузирiв)

(11)

де нижнiй iндекс “L” має значення перетворення по Лапласу; L(z), N(z) - вектори розмiру M(z), T(z) - матрицi, елементи яких для кiнцевого випадку z=H при I(H)=10 наданi в депонованiй статтi [9].

З (11) пiсля операцiй над матрицями одержано:

(12)

де ; .

**. Герлига В.А., Скалозубов В.И. Пузырьковые кипящие потоки в энергооборудовании АЭС.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 360 с.

Розв'язання (12) знайдено так:

(13)

де Ф - фундаментальна матриця рiшень (ФМР), нормована в точцi Елементи ФМР знайденi з рiвнянь:

 (14)

де при ; при

Iз (13) одержано:

(15)

Подiбно***, прийнято:

(16)

На верхнiй межi активної зони справедливо:

(17)

В точцi початку значного пароутворення прийнято:

(18)

Хай - ФМР для однофазної дiлянки. Тодi

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

***. Динамика ядерных реакторов. Колесов В.Ф., Леппик П.А., Павлов С.П. и др.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 518 с.

Елементи знайденi так:

(24)

На основi (13), (17) одержано

(25)

(26)

Пiсля пiдстановки (19)-(23) в (25), (26) записано:

(27)

де

(28)

(29)

(30)

(31)

Iз (27) одержано ХР НТАН:

(32)

У векторi змiнних крайової задачi об'єднанi збурення iнтегральних параметрiв (серед яких збурення нейтронного потоку) та мiкропараметрiв, что є новим в теорiї пузиркових кипучих потокiв в ЯР.

В третьому роздiлi приведенi результати розрахункового аналiзу стiйкостi максимально навантаженої ТВЗ реактора ВВЕР-1000 до НТАН.

Перевiрена точнiсть технiчної реалiзацiї методу.

Зроблено аналiз впливу зворотного зв'язку по на розвиток ТАН в ЯР. Схема розрахункового експерименту така: точка початку ПК в умовах максимально навантаженої ТВЗ задана 2,6 м вiд входу в ТВЗ. Нижня межа НТАН досягалась шляхом поступового збiльшення теплового потоку на стiнцi каналу на дiлянцi ПК (випадок малої довжини обiгрiву).

Визначено вплив знаку парового коефiцiєнта реактивностi на положення нижньої межi НТАН.

На рис.1 показано збiльшення нестiйкостi при у порiвняннi з випадком для довжини дiлянки ПК . Iз рис. 1 видно,

що КЧХ для випадку (крива 2) розмiщена правiше точки (0, j0) комплексної площини, тодi як КЧХ для випадку (крива 3) ще не пересiкла (0; j0) при тому ж <> (35 %).

На рис.2 показано придушення нестiйкостi при для . Iз рис.2 видно, що при (крива 2) КЧХ не пересiкла (0; j0). Навпаки, при (крива 3) є проходження через точку (0; j0) при тому ж <>.

На рис.3 показана поведiнка КЧХ при для . Видно, що є перехiд через межу НТАН у випадку .

На рис.4 показана поведiнка КЧХ при для . Видно, що немає переходу через межу НТАН у випадку .

В цьому роздiлi знайдена парокiлькiсть , при якiй зворотний зв'язок по виключається. При середнiй парокiлькостi на дiлянцi ПК % залежностi положення нижньої межi НТАН вiд нема.

Вироблено аналiз впливу знаку на положення верхньої межi НТАН. Знайдено, що зрушення верхньої межi нестiйкостi пiд впливом дає головний внесок в розширення областi НТАН.

На рис.5 показано визначення верхньої межi НТАН при для . НТАН є в областi вiд .

На рис.6 показано визначення верхньої межi НТАН при для . Видно, що верхня межа не досягається в iнтервалi змiни та бiльше вiд ..

Висвiтлена роль безрозмiрного параметра "альфа", запровадженого автором в теоретичний аналiз, в механiзмi НТАН. Параметр описує зв'язок мiж збуренням прямого тепловидiлення в рiдинi та збуренням мiжфазного теплового потоку.

порiвнюючи з

при

1 -

2 -

3 -

,

1 -

2 -

3 -

НТАН:

При

КЧХ

для частоти =500 рад/с та

бiльше лежить далеко вiд нуля

Головним параметром в функцiонуваннi зворотного зв'язку по збуренню нейтронного потоку служить знак парового коефiцiєнта реактивностi. Як параметр, що визначає ступiнь впливу знаку на сценарiй розвитку НТАН, служить величина вiдношення збурення мiжфазного теплового потоку до збурення нейтронного потоку . зв'язано з величиною вiдношення безрозмiрного збурення мiжфазного теплового потоку до безрозмiрного збурення тепловидiлення в рiдинi .

Справедлива рiвнiсть:

(33)

де ; наприклад, при .

На рис. 7 показана змiна ширини областi НТАН в залежностi вiд величини параметра та знаку для .

На рис. 8 показана змiна ширини областi НТАН в залежностi вiд величини параметра та знаку для .

Важливо вiдзначити, що у випадку можливi два шляхи:

1. НТАН повнiстю придушується (при достатньо великому параметрi , %).

2. НТАН придушується частково (при %), при цьому зменшення областi НТАН вiдбувається як за рахунок зрушення верхньої межi, так i за рахунок зрушення нижньої межi. Зрушення верхньої межi значно перевищує зрушення нижньої межi.

У випадку знайдено, що область НТАН розширюється тiльки за рахунок зрушення верхньої межi, причому ступiнь розширення областi НТАН обумовлена величиною .

Запропонована оцiнка величини параметра в задачi НТАН. Iз (4) вiдбувається:

)

; .

По (35) одержано: . Таким чином, величина параметра в задачi НТАН складає 7-8 %.

В роздiлi визначена роль довжини обiгрiву в розвитку НТАН. Видiленi два випадки:

1. Мала довжина обiгрiву (0,4-0,45 м).

2. Велика довжина обiгрiву (3-3,5 м).

У випадку малої довжини обiгрiву ширина дiлянки ПК (по шкалi ) складає 100 % та бiльше вiд номiналу. В цьому випадку верхня межа НТАН розмiщена нижче початку областi об'ємного кипiння (ОК). Тодi справедливi усi висновки, зробленi вище.

У випадку великої довжини обiгрiву верхня межа НТАН не досягається у тому вузькому iнтервалi змiни , в якому вiдбувається перехiд вiд ПК до об'ємного кипiння ( 25 %). Верхня межа НТАН збiгається з межою початку ОК.

Отже, для великої довжини обiгрiву зворотний зв'язок по не впливає на розвиток ТАН при наявностi . Вважаючи в ядерному реакторi типу ВВЕР-1000, можна для максимально навантаженої ТВЗ ВВЕР-1000 замiсть задачi НТАН розглядати менш складну задачу ТАН (одночасно зважаючи на нейтронно-фiзичнi особливостi ТАН в ядерному реакторi).

На рис. 9 показана область iснування НТАН в умовах максимально навантаженої ТВЗ ВВЕР-1000. НТАН iснує в iнтервалi вхiдних температур рiдини 200-270 (випадок не розглядався). При НТАН починається при % вiд номiналу, при нижня межа НТАН - 119 % вiд номiнальної величини .

У додатку А приведено стислий опис програмного забезпечення. Програми написанi на язицi ТурбоПаскаль-7. Роздрук програмного забезпечення займає 196 с.

У додатку Б описанi змiни в динамiчних рiвняннях при виключеннi збурення ентальпiї рiдини (по каналу теплообмiну зi стiнкою) iз вектора змiнних крайової задачi. Метод узагальнено на тримiрний випадок шляхом кiнцево-рiзничної апроксимацiї Лапласiана нейтронного потоку в рiвняннi дифузiї.

Знайдено, що метод послiдовних наближень (ПН) пiдвищує автоматизацiю розрахункового аналiзу НТАН при умовi достатньо швидкої сходимостi ПН. Це можливо за рахунок того, що при методi ПН алгоритм аналiзу стiйкостi не залежить вiд розмiру ФМР.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено уявлення про термоакустичну нестiйкiсть в ядерному реакторi (ЯР) як про нейтронно-термоакустичну нестiйкiсть (НТАН) шляхом урахування впливу на розвиток ТАН в ЯР зворотного зв'язку по збуренню прямого тепловиділення у рідині.

2. Виведено характеристичне рiвняння НТАН в одномiрному наближенні шляхом рішення крайової задачі для вектора змінних, де об'єднані збурення макропараметрів (нейтронний потік, нейтронний струм, витрата…) та мікропараметрів пузиркового кипучого потоку в ЯР.

3. Розроблена у видi комплексу розрахункових модулiв методика аналiзу стiйкостi ЯР до НТАН в одномірному наближенні. Методика дiйсна для багатоканальної системи, якщо розглядається зрiвнена частина активної зони, де розмiщуються тепловидiляючi збiрки (ТВЗ), приблизно рiвнi по нейтронному потоку та витратi (центральна частина активної зони ВВЕР-1000).

4. При аналiзi комплексної частотної характеристики НТАН знайдено, що закономiрностi розвитку НТАН обумовлюють:

- знак парового коефiцiєнта реактивностi ;

- безрозмiрний параметр , зв'язуючий потужнiсть прямого тепловидiлення в рiдинi (за рахунок гальмування нейтронiв та -квантiв у рiдинi) та мiжфазний тепловий потiк;

- довжина обiгрiву.

5. При наявностi НТАН придушується, при наявностi НТАН збiльшується у порiвняннi з випадком Ступiнь збiльшення або придушення НТАН пiд впливом залежить вiд величини параметра . Параметр запроваджений автором роботи в теоретичний аналiз.

6. У випадку можливi два шляхи:

- НТАН повнiстю придушується (при достатньо великому параметрi , %);

- НТАН придушується частково(при %), при цьому зменшення областi НТАН вiдбувається як за рахунок зрушення верхньої межi, так i

за рахунок зрушення нижньої межi. Зрушення верхньої межi значно перевищує зрушення нижньої межi.

У випадку знайдено, що область НТАН розширюється тiльки за рахунок зрушення верхньої межi, причому ступiнь розширення oбластi НТАН обумовлена величиною .

7. В залежностi вiд довжини обiгрiву можливi два принципово рiзних шляхи розвитку НТАН.

- Перший шлях розвитку НТАН iснує при малiй довжинi обiгрiву (0,4-0,45 м), коли верхня межа НТАН досягається до межi початку об'ємного кипiння. У цьому випадку зрушення верхньої межi НТАН пiд впливом значно змiнює область НТАН.

- Другий шлях розвитку НТАН iснує у випадку великої довжини обiгрiву (3,5 м), коли верхня межа НТАН не досягається у тому вузькому iнтервалi змiни , в якому вiдбувається перехiд вiд поверхневого кипiння до об'ємного. Отже, для великої довжини обiгрiву зворотний зв'язок по не впливає на розвиток ТАН при наявностi . Вважаючи в ядерному реакторi типу ВВЕР-1000, можна для максимально навантаженої ТВЗ ВВЕР-1000 замiсть задачi НТАН розглядати менш складну задачу ТАН (одночасно зважаючи на нейтронно-фiзичнi особливостi ТАН в ядерному реакторi).

8. НТАН в умовах максимально навантаженої ТВЗ ВВЕР-1000 iснує в iнтервалi вхiдних температур рiдини 200-270 (випадок не розглядався). При НТАН починається при % вiд

номiналу, при нижня межа НТАН - 119 % вiд номiнальної для максимально навантаженої ТВЗ величини . Ширина областi НТАН - 24 % по шкалi . Оскiльки при експлуатацiї ВВЕР-1000 можливi режими iз зменшеною (), не виключена можливiсть попадання ВВЕР-1000 в область НТАН. Високочастотнi коливання нейтронного потоку та тиску з малою амплiтудою можуть сприяти передчасному зруйнуванню ТВЕЛiв, що вимагає подальшого дослiдження проблеми НТАН.

СПИСОК ОПУБЛIКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦIЇ

ядерний реактор

1. Пелых С.Н. Проблема нейтронно-термоакустической неустойчивости // Ядерна Енергетика.- 1997.- N 4.- C. 36-39.

2. Пелых С.Н. Метод анализа общезонной нейтронно-термоакустической неустойчивости // Наукові праці молодих учених ОДПУ.-1997.- С. 124-126.

3. Пелых С.Н. Параметр "альфа" в теории нейтронно-термоакустической неустойчивости // Наукові праці молодих учених ОДПУ.- 1997.- С. 136-139.

4. Пелих С. М. Нейтронно-термоакустична нестiйкiсть // Науковий вiсник ОДПУ.- 1999.- N 7.- C. 157-160.

5. Пелых С.Н. Метод последовательных приближений в задаче нейтронно-термоакустической неустойчивости // Зб. наукових праць Севастопольского ін-ту ядерної енергетики та промисловості.- 1999.- N 1.- C. 10-14.

Герлига В.А., Пелых С.Н. Нейтронно-термоакустическая неустойчивость в

канале ядерного реактора // Зб. наукових праць Севастопольского ін-ту ядерної енергетики та промисловості.- 1999.- N 1.- C. 22-25.

7. Пелых С.Н. Влияние обратной связи по нейтронному потоку на развитие термоакустической неустойчивости в канале ядерного реактора // Праці міжн. наукової конф. "Екологічність технол. процесів та охорона навколиш. середовища".- Одеса: ОДПУ.- 1997.- С. 123-124.

8. Пелых С.Н. Расчетное исследование нейтронно-термоакустической неустойчивости // Праці ювил. науково-техніч. конф."Підготовка кадрів та екологіч. проблеми енергетики", присв'яченої 65-річчю каф.ТЕС Уральского держ. техн. ун-ту.- Єкатеринбург: УДТУ.- 1997. - С. 137-138.

9. Пелых С.Н. Вывод характеристического уравнения термоакустической нестабильности в канале активной зоны ядерного реактора: Деп. в ДНТБ України 08.02.1996, N 489 - Ук 96.- 50 с.

10. Пелых С.Н. Вывод характеристического уравнения термоакустической нестабильности в канале активной зоны ядерного реактора методом последовательных приближений : Деп. в ДНТБ України 08.02.1996, N 490 - Ук 96.- 25 с.

11. Пелых С.Н. Вывод характеристического уравнения термоакустической нестабильности в активной зоне ядерного реактора: Деп. в ДНТБ України 08.02.1996, N 491 - Ук 96.- 28 с.

12. Пелых С.Н. Методика стационарного расчета, предшествующего расчету левой части характеристического уравнения термоакустической нестабильности в канале ядерного реактора : Деп. в ДНТБ України 08.02.1996, N 492 - Ук 96.- 60 с.

13. Пелых С.Н. Предварительные замечания к расчетному анализу нейтронно-термоакустической неустойчивости : Деп. в Укр. ІНТЕІ 18.10.1996, N 48 - Ук 96.- 16 с.

14. Пелых С.Н. Расчет паросодержания в канале ядерного реактора на основе НП-модели пузырькового кипящего потока : Деп. в Укр. ІНТЕІ 18.10.1996, N 49 - Ук 96.- 30 с.

15. Пелых С.Н. Запись элементов фундаментальной матрицы решений в задаче нейтронно-термоакустической неустойчивости : Деп. в Укр. ІНТЕІ 18.10.1996, N 50 - Ук 96.- 57 с.

Пелих С.М. Нейтронно-термоакустична нестiйкiсть в каналах ядерного реактора. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук з фаху 05.14.14 "Тепловi та ядернi енергоустановки".- Одеський державний полiтехнiчний унiверситет, Одеса, 1999.

Поставлена проблема термоакустичної нестiйкостi в ядерному реакторі (ЯР) з поверхневим кипiнням. Розроблено уявлення про нейтронно-термоакустичну нестiйкiсть (НТАН). Виведено характеристичне рiвняння НТАН в одномірному наближенні. Розроблена у видi комплексу розрахункових модулiв методика аналiзу стiйкостi ЯР щодо НТАН в одномірному наближенні. Методика дiйсна для багатоканальної системи, якщо розглядається центральна частина активної зони ВВЕР-1000. При аналiзi комплексної частотної характеристики НТАН знайдено, що закономiрностi розвитку НТАН обумовлюють: знак парового коефiцiєнта реактивностi та довжина обiгрiву. Перший шлях розвитку НТАН iснує при малiй довжинi обiгрiву (0,4-0,45 м), коли верхня межа НТАН досягається до межi початку об'ємного кипiння. Другий шлях розвитку НТАН iснує у випадку великої довжини обiгрiву (3,5 м), коли верхня межа НТАН не досягається у тому вузькому iнтервалi змiни , в якому вiдбувається перехiд вiд поверхневого кипiння до об'ємного. НТАН в умовах максимально навантаженої ТВЗ ВВЕР-1000 iснує в iнтервалi вхiдних температур рiдини 200-270 (випадок не розглядався).

Ключові слова: ядерний реактор, нейтронно-термоакустична нестiйкiсть, характеристичне рiвняння, комплексна частотна характеристика.

Пелых С.Н. Нейтронно-термоакустическая неустойчивость в каналах ядерного реактора. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14 "Тепловые и ядерные энергоустановки ".-Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1999.

Поставлена проблема термоакустической неустойчивости в ядерном реакторе (ЯР) с поверхностным кипением. Развито представление о термоакустической неустойчивости в ядерном реакторе (ЯР) как о нейтронно-термоакустической неустойчивости (НТАН). Взаимосвязаны следующие локальные возмущения: рост давления сжатие пузырей и уменьшение удельного объемного паросодержания рост нейтронного потока (при отрицательном паровом коэффициенте реактивности) рост прямого тепловыделения в жидкости (за счет торможения нейтронов и гамма-квантов в воде) уменьшение потока тепла из пузыря в жидкость (эквивалентно притоку дополнительной массы в пузырь, что дает критерий Рэлея возбуждения автоколебаний пузыря); Сделаны выводы, что:

1. Обратная связь по возмущению нейтронного потока оказывает дестабилизирующее влияние на развитие ТАН в ядерном реакторе.

2. Чтобы найти закономерности НТАН необходимо рассчитать комплексную частотную характеристику (КЧХ) на основе характеристического уравнения НТАН.

Получено характеристическое уравнение НТАН в ЯР для одномерного случая. Для описания процессов при развитии НТАН использованы следующие основные уравнения: 1) Диффузии нейтронов; 2) Теплопроводности твэла; 3) Движения двухфазного потока в теплообменном канале; 4) Движения пузырей от момента отрыва до момента схлопывания. Приняты одногрупповая диффузионная модель нейтронного поля и одномерное приближение. В качестве пространственной координаты выступает аксиальная координата z.

Используется метод анализа устойчивости по линеаризованным уравнениям динамики.

Разработана в виде комплекса расчетных модулей методика анализа устойчивости ЯР к НТАН в одномерном приближении. Методика пригодна не только для одиночного канала, но также для многоканальной системы, если рассматривается выровненная часть активной зоны, где располагаются тепловыделяющие сборки ТВС, примерно идентичные по нейтронному потоку и расходу (центральная часть активной зоны ВВЭР-1000). При анализе комплексной частотной характеристики НТАН найдено, что закономерности развития НТАН определяют:

знак парового коэффициента реактивности ;

безразмерный параметр , связывающий интенсивность прямого

тепловыделения в жидкости (за счет торможения нейтронов и -квантов в воде) с плотностью межфазного теплового потока;

длина обогрева.

При наличии НТАН подавляется, при наличии НТАН

усугубляется по сравнению со случаем Степень усугубления либо подавления НТАН под влиянием зависит от величины параметра .

В случае возможны два сценария:

НТАН полностью подавляется (при достаточно большом параметре , %);

НТАН подавляется частично (при %), при этом сужение области

НТАН происходит как за счет сдвига верхней границы, так и за счет сдвига нижней границы. Сдвиг верхней границы намного превосходит сдвиг нижней границы.

В случае обнаружен один сценарий: область НТАН расширяется только за счет сдвига верхней границы, причем степень расширения области НТАН определяется величиной .

В зависимости от длины обогрева возможны два принципиально различных сценария развития НТАН. Первый сценарий развития НТАН реализуется при малой длине обогрева (0,4-0,45 м), когда верхняя граница НТАН достигается до границы начала объемного кипения. В этом случае сдвиг верхней границы НТАН под влиянием значительно изменяет область НТАН.

Второй сценарий развития НТАН реализуется в случае большой длины обогрева (3,5 м), когда верхняя граница НТАН не достигается в том узком диапазоне изменения , в котором происходит переход от поверхностного кипения к объемному. Следовательно, для длинного обогреваемого канала обратная связь по не оказывает влияния на развитие ТАН при наличии . Полагая в ядерном реакторе типа ВВЭР-1000, можно для максимально нагруженной ТВС ВВЭР-1000 вместо задачи НТАН рассматривать упрощенную задачу ТАН (одновременно учитывая нейтронно-физические особенности ТАН в ядерном реакторе). НТАН в условиях максимально нагруженной ТВС ВВЭР-1000 существует в интервале входных температур жидкости 200-270 (случай не рассматривался). При НТАН начинается при % от номинала, при нижняя граница НТАН - 119 % от номинальной величины . Ширина области НТАН - 24 % по шкале .

Поскольку при эксплуатации ВВЭР-1000 возможны режимы с пониженной (), не исключена возможность попадания ВВЭР-1000 в область НТАН. Высокочастотные колебания нейтронного потока и давления с малой амплитудой могут способствовать преждевременному разрушению твэлов, что требует дальнейшего исследования проблемы НТАН.

Ключевые слова: ядерный реактор, нейтронно-термоакустическая неустойчивость, характеристическое уравнение, комплексная частотная характеристика.

Pelykh S.N. Neutron-thermoacoustic instability in nuclear reactor channels. - Manuskript.

Thesis for a Candidate's degree by speciality 05.14.14 "Heat and nuclear power plants".- Odessa State Polytechnical University, Odessa, 1999.

The problem of neutron-thermoacoustic instability (NTAI) in a nuclear reactor channel with surface boiling is raised. The idea about the physical mechanism of NTAI has been developed. The characteristic equation of NTAI has been derived. The method for one-dimension calculation analysis of NTAI has been worked out.

The method can be used when the central part of active core is under consideration. Analysing complex frequency characteristics, it was found, that the heating length and the sign of steam reactivity koefficient determine the NTAI way to develop. The first case is when the heating length is too short (about 40-45 cm ). In this case the upper border of NTAI is situated under the border of volume boiling. The upper border of NTAI is able to shift up to the volume boiling border in this first case. In the second case we have got long heating lengths (about 3.5 m). When the heating length is long, the volume boiling border is too close to the surface boiling border. In fact, the volume boiling border is the limit of the upper border of NTAI in the case of long heating lengths. The area of NTAI for the VVER-1000 central part conditions has been found. NТAI was found in the input liquid temperature interval 200-270 C.

Key words: nuclear reactor, neutron-thermoacoustic instability, characteristic equation, complex frequency characteristic.

Размещено на Allbest.ru