Исследование расхолаживания модельных ТВС ВВЭР и PWR при максимальной проектной и запроектной авариях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование расхолаживания модельных ТВС ВВЭР и PWR при максимальной проектной и запроектной авариях

Введение

твэл расхолаживание авария

Одним из основных вопросов при исследовании МПА и ЗПА реакторов ВВЭР и PWR является установление параметров оптимального расхолаживания ТВС различной конструкции, определяемых по температуре оболочек, которая не приводит к разрушению твэлов. Теплогидравлические расчетные коды не прогнозируют надежно процессы при повторном заливе. Поэтому разработка приближенных методов определения основных характеристик повторного залива ТВС представляет несомненный интерес.

Исследования повторного залива снизу модельных ТВС PWR и ВВЭР при МПА проводились на стендах RBHT [1], СВД [2] с имитацией остаточного тепловыделения (рис. 1а, б). При этом раздутие и разгерметизация оболочек, взаимодействие циркониевого сплава с водой не моделировались и оптимальные характеристики подачи воды не установлены. Повторный залив модельных ТВС ВВЭР и PWR с предварительно раздутыми и разгерметизированными твэлами исследовали на стенде ПАРАМЕТР [3] (рис. 1в, г). В экспериментах варьировались скорость подачи воды и начальная температура имитаторов твэлов при моделировании остаточного тепловыделения. Предложена балансовая методика расчета длительности расхолаживания твэлов, описывающая опытные данные в диапазоне температур до 1200 ^оС, однако применимая в условиях, когда запасенное в модельной ТВС тепло существенно превышает подведенное в процессе повторного залива.

В настоящей работе проведен анализ исследований повторного залива при имитации максимальной проектной и запроектной аварий проводились на модельных ТВС ВВЭР и PWR крупномасштабных стендов RBHT, СВД и ПАРАМЕТР. Применяемые в исследованиях модельные тепловыделяющие сборки моделировали конструкцию штатных ТВС и расположение дистанционирующих решеток. Параметры модельных тепловыделяющих сборок трех крупномасштабных стендов, на которых были проведены эксперименты по имитации повторного залива, приведены в таблице 1.

Таблица 1 Параметры модельных сборок по исследованию повторного залива

Время расхолаживания активной зоны реактора в условиях МПА и ЗПА можно оценить, зная скорость фронта смачивания модельных тепловыделяющих сборок. Опытные данные по скорости фронта смачивания модельных ТВС ВВЭР из штатных конструкционных элементов получены в [3] и обобщены зависимостями, учитывающими влияние расхода воды и температуры оболочек. Однако предложенные соотношения справедливы в ограниченном диапазоне режимных параметров и не учитывают имитацию остаточного тепловыделения реактора. Поэтому целями настоящей работы были получение обобщающей зависимости по скорости фронта смачивания модельных ТВС различной конфигурации и масштабности и разработка методики оценки длительности залива и количества пара, образующегося в условиях аварии.

Описание сценариев экспериментов

Эксперименты, моделирующие повторный залив в условиях проектной и запроектной аварий, состояли из нескольких стадий. На рис. 2 представлены температурные кривые, полученные в эксперименте, - изменения температуры оболочек имитаторов твэлов во времени в различных сечениях по высоте модельных ТВС.

На подготовительном этапе эксперимента тепловыделяющие сборки нагревались в среде насыщенного пара до температуры оболочек имитаторов твэлов 130 ^оС (СВД) или до температуры 500 ^оС в среде пара и аргона с установившимся расходом (ПАРАМЕТР). Далее, повышая подводимую к модельной ТВС мощность, имитаторы твэлов нагревались с определенным темпом до температуры 620 ^оС (СВД), 760 ч 870 ^оС (RBHT) или 850 ч 1200 ^оС (ПАРАМЕТР) в самом горячем сечении.

В экспериментах, проводимых на стенде ПАРАМЕТР, на данном этапе происходили раздутие и разгерметизация оболочек, фиксируемые по резкому спаду давления гелия внутри оболочки индивидуальным датчиком давления. В условиях моделирования максимальной проектной и запроектной аварий на стенде ПАРАМЕТР ТВС ВВЭР и PWR выдерживались при температуре 850 ч 1200 ^оС в течение заданного времени для образования оксидного слоя на оболочках.

При моделировании повторного залива при МПА на стенде СВД охлаждающая вода подавалась к ТВС с одновременным снижением подводимой мощности к имитаторам твэлов, согласно закону спада остаточного тепловыделения в реакторе ВВЭР-1000. В экспериментах, проводимых на стенде RBHT, залив модельной ТВС PWR снизу осуществлялся при постоянном во времени энерговыделении. Эксперимент на стенде ПАРАМЕТР завершался расхолаживанием ТВС водой, подаваемой снизу с номинальным расходом 4ч5 г/(с·твэл) или сверху с расходом 2 г/(с·твэл) при моделировании остаточного тепловыделения или без него.

Параметры сценариев этих экспериментов приведены в таблице 2.

Таблица 2 Параметры сценариев экспериментов по исследованию повторного залива

Обобщение данных по скорости фронта смачивания модельных ТВС

При заполнении межтвэльного пространства водой модельная ТВС охлаждается и характеристикой, позволяющей описать динамику понижения температуры имитаторов твэлов, является скорость фронта смачивания оболочек по длине сборки, равная:

?1,(1)

где - скорость фронта смачивания разогретой модельной ТВС, - скорость фронта воды, движущейся по холодной сборке (адиабатные условия).

Обобщающую зависимость по скорости фронта смачивания получим на основе баланса тепла, запасенного в элементах конструкции ТВС до этапа повторного залива, подведенного в процессе подачи охлаждающей жидкости и отведенного при расхолаживании.

Введем безразмерный параметр Ja^*, равный отношению подведенного и отведенного тепла, и запишем его в виде двух составляющих:

.(2)

Первая составляющая равна отношению тепла, запасенного в элементах конструкции ТВС до стадии повторного залива, к теплу, пошедшему на парообразование в процессе залива:

,(3)

где - тепло, накопленное в имитаторах твэлов до стадии повторного залива, Дж; - теплота парообразования, Дж/кг; - время заполнения модельной ТВС водой в адиабатных условиях, сек. Выражение (3) преобразуется к виду:

,(4)

где - среднемассовая плотность имитатора твэла, кг/м³; - площадь твэла, рассчитанная по наружному диаметру оболочки, м²; - среднемассовая изобарная теплоемкость имитатора твэла, Дж/(кг·К); T_max - максимальная температура оболочки твэла до стадии повторного залива, ^оС; T_s - температура насыщения жидкости, ^оС.

Вторая составляющая в выражении (3) равна отношению тепла, подводимого в процессе повторного залива за счет энерговыделения, моделирующего остаточное тепловыделение, к теплу, отведенному в процессе подачи жидкости:

,(5)

где N_эл - мощность джоулева разогрева модельной ТВС, Вт; ?_фр- время заполнения водой межтвэльного пространства модельной тепловыделяющей сборки в горячем состоянии.

Для учета влияния недогрева жидкости (?T_s = T_s - T_вх) на температуру начала смачивания оболочки (Т₀) и на время охлаждения сборки, введем безразмерный параметр:

,(6)

где - температура жидкости на входе в модельную ТВС, ^оС. Данный параметр косвенно учитывает влияние изменения давления на скорость фронта смачивания.

Обобщающая зависимость для относительной скорости фронта смачивания модельной ТВС получена в следующем виде:

, (7)

где Re=(?u)•d_г/?_ж, Re_max=(?u)_max•d_г/?_ж - числа Рейнольдса, определяемые по заданным и максимальным параметрам жидкости во входном сечении модельной ТВС соответственно, (?u)_max = 160 кг/(м²•с); A = 2,135, m = 0,85, n = 0,571 - коэффициенты, определенные методами регрессионного анализа.

Рис. 3. Относительная скорость фронта смачивания при различных недогревах воды на входе в модельную ТВС. Сплошные линии - расчет и зависимость (7)

Зависимость (7) описывает экспериментальные данные для различных конструкций имитаторов твэлов и учитывает влияние максимальной температуры оболочек T_max, наличие остаточного тепловыделения, расхода и недогрева охлаждающей воды (рис. 3). Обнаружено, что опытные данные разделяются на две группы: при больших (?w = 47-160 кг/(м²•с)) и малых (?w ? 30 кг/(м²•с)) массовых скоростях воды. Первая группа соответствует расходам жидкости G_в = 4,2 - 15 г/(с•твэл)), вторая - 2,5 г/(с•твэл).

В предложенную зависимость (7) входит температура прекращения пленочного кипения Т₀, существенно зависящая от состояния поверхности оболочки, тепловой инерционности имитатора твэла, режима испытаний и изменяется в экспериментах от 280 ^оС до 530 ^оС. На основании анализа опытных данных предложено эмпирическое соотношение, связывающее максимальную температуру оболочки и температуру прекращения пленочного кипения:

, (8)

описывающее опытные данные с отклонением до 30%.

Чтобы воспользоваться зависимостью (7) для определения скорости фронта смачивания, расчет проводится итерационно. В качестве первого приближения величина выбиралась равной 0,5. Установлено, что трех итераций достаточно для достижения сходимости при определении скорости фронта смачивания модельной ТВС, равной 0,1%.

Зависимость (7) позволяет получить важное для практики соотношение, связывающее длительность расхолаживания и скорость смачивания модельной ТВС:

.(9)

Оценка длительности расхолаживания модельных ТВС ВВЭР и PWR

На рис. 4. представлено сопоставление результатов расчета и опытных данных по положению фронта смачивания модельных тепловыделяющих сборок от времени (z_фр(t)) в рассмотренном диапазоне режимных параметров. Для определения скорости фронта смачивания модельной ТВС и сопоставления опытных и расчетных данных по значениям z_фр(t) температура прекращения пленочного кипения определялась как средняя по сечению ТВС температура T₀ в экспериментах.

При повторном заливе водой, имеющей температуру, близкую к T_s, наблюдается упорядоченное восходящее движение фронта смачивания имитаторов твэлов. Некоторое различие по времени возникновения резкого спада температур оболочек в верхних сечениях модельной ТВС вызвано нагревом большого объема жидкости до температуры насыщения и изменением коэффициента теплоотдачи среды вследствие увеличения паросодержания (рис. 4а). Кроме того, дополнительно разброс опытных данных обусловлен неодинаковыми условиями расхолаживания твэлов, граничащих с необогреваемой обечайкой и расположенных в центральных рядах модельной ТВС.

При подаче большого расхода воды наблюдается преждевременное расхолаживание имитаторов твэлов в верхних сечениях модельной ТВС, вызванное, вероятно, попаданием капель на оболочки из дисперсного потока (рис. 4б). Повышение расхода охлаждающей воды в 6 раз приводит к уменьшению длительности расхолаживания модельной ТВС в 2,6 раза (рис. 4б). При этом в эксперименте с высокой массовой скоростью подаваемой жидкости удельное энерговыделение увеличено на 75%. Различие, вызванное изменением давления среды в модельной ТВС, в исследованном диапазоне не проявляется.

Зависимость безразмерной координаты фронта смачивания от времени при повторном заливе снизу модельной тепловыделяющей сборки PWR стенда ПАРАМЕТР в условиях МПА представлена на рис. 4в.

В данном эксперименте запасенное тепло, приходящееся на один имитатор твэла, превышает тепло в имитаторе ТВС PWR стенда RBHT в 2,2 раза, а энерговыделение, имитирующее остаточное тепловыделение, отсутствует.

Большой разброс опытных данных вызван раздутием, разгерметизацией оболочек, наблюдаемыми в сечениях сборки при z_фр/L ?0,75.

Неравномерное по длине окисление и изменение шероховатости оболочек приводят к неупорядоченности смачивания модельной ТВС. Оценка длительности повторного залива модельной ТВС PWR на основе обобщающей зависимости (7) показывает, что расхождение по времени смачивания имитаторов твэлов с опытными данными составляет 32%.

Обобщающее соотношение (7) позволяет удовлетворительно описать время расхолаживания модельной ТВС для режимов, отличающихся по температурам оболочки и способу подачи воды. Длительность повторного залива 19 стержневой модельной ТВС оценена при заливе сверху (рис. 4г) в условиях моделирования ЗПА в эксперименте PARAMETER-SF3 [4]. Предварительно сборка выдерживалась в пароаргоновой среде при 1200 ^оС в течение 3500 сек. Это обеспечивало образование оксидного слоя на оболочках толщиной около 300 мкм. Далее жидкость подавалась к твэлам, разогретым до температуры 1600 ^оС.

Интенсивное тепловыделение за счет пароциркониевой реакции при повторном заливе отсутствовало и в этих условиях соотношение (3) остается справедливым. Несмотря на отсутствие раздутия и разгерметизации оболочек наблюдается значительный разброс опытных данных по времени. Это вызвано частичным плавлением конструкционных элементов, растворением топливных таблеток и изменением геометрии модельной сборки.

Вследствие перераспределения потока и поступлением большей части расхода воды по необогреваемой обечайке смачивание граничного ряда твэлов преимущественно происходит раньше по сравнению с центральным. Однако даже применительно к этим условиям расчет длительности расхолаживания модельной ТВС дает расхождение с опытными данными, не превышающее 20%. В целом отличие по длительности расхолаживания модельных ТВС в выходном сечении, рассчитанной по соотношению (7), от экспериментальных данных изменяется в диапазоне от 8% до 32% (см. рис. 4а-г).

Оценка параметров расхолаживания модельных ТВС и реактора ВВЭР-1000

Предложенная выше методика, основанная на обобщении экспериментальных данных по скорости фронта смачивания модельных ТВС, позволяет рассчитать длительность расхолаживания имитаторов твэлов. Однако она справедлива в рассмотренном диапазоне изменения режимных параметров и требует детальной информации по характеристикам смачивания оболочек. На практике возможна ситуация, когда необходимо оценить длительность расхолаживания в более широком диапазоне режимных параметров не только модельных ТВС, но и реактора, когда знания об особенностях процесса повторного залива недостаточны.

Исходя из баланса запасенного до начала залива, накапливаемого и расходуемого в процессе залива тепла на нагрев воды, генерацию пара и его перегрев, выявлены некоторые общие закономерности расхолаживания твэлов. С этой целью проанализированы данные экспериментов [1], в которых повторный залив моделировался на 49 стержневой ТВС PWR длиной 3,66 м с имитацией остаточного энерговыделения в процессе залива в диапазоне от 0,42 до 2,3 кВт/(м•твэл) при варьировании расхода воды от 2,5 г/(с•твэл) до 15 г/(с•твэл). Всего обработано 20 экспериментов, различавшихся нагревом оболочек до залива и недогревом жидкости на входе в ТВС в диапазоне от 11 ^оС до 83 ^оС.

В таблице 3 приведены исходные режимные параметры экспериментов: расход воды (G_в), давление (p), подводимая мощность при заливе (N_эл), недогрев воды до состояния насыщения на входе в модельную ТВС (ДT_s), максимальная температура оболочек (Т_мах) и время залива (?_фр). Там же представлены рассчитанные характеристики этих экспериментов - масса жидкости залива (М_в), тепло, запасенное в сборке до залива (Q_зап), имитирующее остаточное в процессе залива (Q_ост), полное (Q_полн = Q_зап + Q_ост), а также отношения Q_полн/М_в и N_эл/G_в.

Эффективность повторного залива можно охарактеризовать отношением полного тепла к массе охлаждающей воды. С ростом Q_полн/М_в эффективность отвода тепла жидкостью увеличивается. Отношение Q_полн/М_в пропорционально N_эл/G_в (табл. 3), поскольку доля запасенного тепла в суммарном тепле незначительная. Из таблицы 3 видно, что при малых расходах залив в 3 раза эффективнее, чем при больших. Однако стоит отметить, что время расхолаживания модельных сборок в экспериментах с одинаковыми режимными параметрами заметно различается. Например, при охлаждении с расходом воды 0.125 кг/с или 2.5 г/(с•твэл) время расхолаживания изменяется от 650 с до 1400 с, (среднее для 8 экспериментов - 1000 с), а для расхода воды 15 г/(с•твэл) - от 230 с до 650 с (среднее для 11 экспериментов - 330 с). Расхождение экспериментальных данных вызвано, по-видимому, сложностью процесса смачивания твэлов, изменением состояния поверхности, различными температурными режимами обечайки модельной ТВС.

Несмотря на отмеченное расхождение, рассмотренные опытные данные позволяют получить оценку времени расхолаживания сборок. Действительно, отношение Q_полн/М_в можно записать:

. (10)

Отсюда, учитывая, что Q^ост =N_эл•?_фр, получим:

. (11)

В таблице 4 и на рис. 5 приведены рассчитанное по соотношениям (10 -11) путем осреднения величины Q_полн/М_в длительность расхолаживания тепловыделяющей сборки PWR стенда RBHT для трех расходов - 0,125, 0,38 и 0,75 кг/с, модельной ТВС ВВЭР ФЭИ и активной зоны (АЗ) реактора ВВЭР-1000 в предположении, что оболочки и таблетки твэлов нагреты до 850 ^оС, а остаточная мощность оставалась неизменной и равной 80 МВт.

При повторном заливе расход воды должен быть ограничен как снизу, так и сверху. Действительно минимальный расход воды можно рассчитать, исходя из предположения, что вся вода, снимая остаточное тепло твэлов и других элементов АЗ, нагревается до температуры насыщения и испаряется. При дальнейшем уменьшении расхода воды на охлаждение реактора часть мощности не будет отводиться от АЗ и ее элементы будут постепенно нагреваться.

Таблица 3 Основные параметры и результаты анализа экспериментов [1]:

Таблица 4 Длительность расхолаживания модельных ТВС и активной зоны реактора ВВЭР-1000

Предполагая, что остаточная мощность снизилась с 6,3% до 2,5% от номинальной на момент начала повторного залива, имеем: G_min = (0.025Ч3200 МВт)/(с_pТ_s + r) = (36 ч31) кг/c в зависимости от недогрева воды на входе в диапазоне от 10 ^оС до 100 ^оС. С другой стороны, если вся охлаждающая вода при повторном заливе нагревается только до температуры насыщения без парообразования, максимально возможный расход составит G_мах=(0,025Ч3200МВт)/(с_pТ_s)=(1900ч190) кг/c. Таким образом, можно заключить, что на охлаждение АЗ в случае возникновения МПА потребность в расходе воды будет находиться в диапазоне (0,7ч0,6 =G_в=38ч3.8) г/(с•твэл) в зависимости от недогрева.

Из приведенных в таблице 3 данных можно оценить массу пара, образуемого в процессе залива. Анализ результатов этих экспериментов показал, что для малых расходов воды, независимо от недогрева, вода нагревается до температуры насыщения, а часть жидкости превращается в пар, перегретый в выходном сечении ТВС на ДT_n =(150 ^оС ч 250 ^оС):

, (12)

откуда

. (13)

Для больших расходов воды тепло идет на подогрев жидкости до температуры насыщения и образование некоторого количества насыщенного пара (ДT_n = 0).

В таблице 5 приведены результаты расчета для больших и малых расходов жидкости массы пара для модельных сборок стенда RBHT, а также для активной зоны реактора ВВЭР-1000 при двух недогревах воды на входе - 11 ^оС и 83 ^оС:

Таблица 5Парообразование при повторном заливе модельных ТВС и активной зоны реактора

Выше уже упоминалось, что повторный залив сборок при малом расходе воды (2,5 г/(с•твэл)) приблизительно в 3 раза эффективнее, чем при большом (15 г/(с•твэл)). Однако, как видно из табл. 5, при подаче жидкости с малой массовой скоростью образуется большое количество пара, который необходимо отводить, не допуская резкого повышения давления и повреждения корпуса ТВС. Поэтому при подаче воды с малым расходом необходимо предусмотреть технические устройства для быстрого отвода пара.

Заключение

1. Проанализированы характеристики повторного залива модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР и PWR, испытанных на трех крупномасштабных стендах (RBHT, СВД и ПАРАМЕТР), в условиях имитации максимальной проектной и запроектной аварий.

2. Предложена обобщающая зависимость по скорости фронта смачивания модельных ТВС, построенная в безразмерных переменных, полученных из рассмотрения баланса тепла, запасенного в модельной ТВС до начала залива, накапливаемого за счет остаточного тепловыделения и расходуемого в процессе залива тепла на нагрев воды, генерацию пара и его перегрев. Обобщающая зависимость описывает опытные данные в диапазоне недогревов жидкости на входе в модельную ТВС - от 11 ^оС до 118 ^оС, максимальных температур оболочек имитаторов твэлов - до 1200 ^оС, линейных плотностей теплового потока - до 2,3 кВт/(м•твэл) с отклонением до 50% при расходах воды от 2,5 г/(с•твэл) до 4,2 г/(с•твэл) (что соответствует числам Re = 1180ч3600) и 30% - при расходах воды от 4,2 г/(с•твэл) до 15 г/(с•твэл) (что соответствует числам Re = 3600ч7100).

3. На основе балансе тепла и в предположении, что отношение мощности к расходу воды пропорционально отношению полной величины тепла к массе воды, затраченной на расхолаживание, предложены оценки длительности расхолаживания и количества образовавшегося пара для модельных ТВС различной конфигурации и масштабности и активной зоны реактора ВВЭР-1000.

Список литературы

1. L.E. Hochreiter, F-B. Cheung, et al. RBHT Reflood Heat Transfer Experiments Data and Analysis. The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802. NUREG/CR-6980, 2012.

2. Сергеев В.В. Теплообмен в закризисной зоне парогенерирующих каналов и теплогидравлика ТВС в переходных и аварийных режимах // Дисс. … докт. техн. наук, Обнинск, 2007.

3. С. С. Базюк, Д. Н. Игнатьев, Н. Я. Паршин, Е. Б. Попов, Д. М. Солдаткин, Ю. А. Кузма - Кичта. Исследование повторного залива модельных тепловыделяющих сборок ВВЭР при максимальной проектной и запроектной авариях на стенде ПАРАМЕТР и разработка методики расчета характеристик смачивания. // Тепловые процессы в технике, 2012 г., №4, с. 136-144.

4. A.E. Kiselev, V.I. Nalivaev, N.Ya. Parshin, et al. Modeling of thermal hydraulics aspects of top water reflood experiment PARAMETER-SF3 using SOCRAT/V2 code. 20th Int. Conf. on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 20), 2009, Book of abstracts, vol.1, p. 182.

Размещено на Allbest.ru