Численное моделирование гидродинамики и теплообмена активной зоны реактора ВВЭР-1000 по модели пористой среды

Одним из перспективных и эффективных способов интенсификации теп-ломассообменных процессов является использование в теплообменных устройствах пористых материалов. Физическую основу этого способа составляет чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим сквозь нее теплоносителем вследствие очень развитой поверхности их соприкосновения.

Исследование гидродинамических и тепловых процессов при движении однофазных и двухфазных потоков в пористых средах является актуальной задачей современной теплофизики. В атомной энергетике такие задачи требуется решать при разработке конструкций водоохлаждаемых и кипящих реакторов с использованием шаровых микротвэлов.

Дальнейшие перспективы развития атомной энергетики в значительной степени будут зависеть от обеспечения АЭС безопасности, как на рабочих режимах работы, так и в случае аварийных ситуаций, включая диверсии. Как один из вариантов повышения безопасности и эффективности АЭС Российский научный центр «Курчатовский институт» и Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт атомного энергетического машиностроения (ВНИИАМ) предложили модернизацию широко распространенных реакторов типа ВВЭР с активной зоной с топливом на основе микротвэлов [1]. Основным преимуществом таких реакторов является то, что при любых тяжелых авариях и при любых диверсиях радиационные последствия очень малы. Разработка такого технического решения в России началась в 1992 году [2]. Тепловыделяющие сборки с микротвэлами могут применяться в действующих блоках АЭС без изменения конструкции реактора. Возможна полная их унификация со сборками традиционной конструкции (со стержневыми твэлами в трубках из циркониевого сплава) по габаритам, присоединительным элементам конструкции по теплогидравлическим и нейтронно-физическим характеристикам [3].

Хорошие теплофизические и механические свойства микрои макротвэ-лов шаровой формы на основе топливных частиц с покрытием привлекли к этому виду топлива внимание специалистов, разрабатывающих концепции высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов и ВВЭР с микротопливом. Успешное использование этого вида ядерного топлива возможно только при наличии данных о структуре и геометрических характеристиках шаровых твэлов различного диаметра в активных зонах канального и насыпного типаданных о гидродинамике и теплообмене при движении однофазного и двухфазного теплоносителя.

Очень важным является анализ гидродинамического и теплового поведения систем сложной конфигурации, содержащих коллекторы с засыпками. При проектировании такого рода систем возникают различные конструктивные варианты, требующие анализа. Проводить такой анализ сложно вследствие того, что возможные эксперименты не могут дать достаточного количества информации для понимания происходящих процессов. Такие эксперименты дороги и сложны. Поэтому математическое моделирование, по — видимому, является единственным способом анализа таких сложных многофакторных систем. Создание надежных расчетных методик для такого рода систем с использованием математических моделей является задачей большой сложности.

3.3 Основные выводы третьей главы.

В результате проведенных численных экспериментов были получены коэффициенты сопротивления для активной зоны реактора ВВЭР — 1000 МТ как в продольном направлении течения, путем моделирования течения в TBC, так и в поперечном направлении, путем моделирования периодического течения в пространстве между TBC. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании реактора ВВЭР — 1000 МТ.

Сравнение полученных коэффициентов сопротивления az и аг показывает существенную разницу между ними (рис. 3.21). Эта разница говорит о существовании сильной анизотропии сопротивления в активной зоне реактора ВВЭР — 1000 МТ. Поперечному течению теплоносителя в активной зоне препятствует течение в продольном направлении. Поперечный приток теплоносителя в пространство между TBC МТ оказывает влияние на гидродинамику активной зоны. а, м -2.

1,00X10®.

5.00 хЮ8 5,00×10 5.

Рис. 3.21 Сравнение коэффициентов вязкостного сопротивления 'при продольном и поперечном течении теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР — 1000 МТ.

8,39×10®.

1,6×107 8,01×105 продольное течение поперечное течение без поперечное течение с учета притока учетом притока теплоносителя теплоносителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с поставленными задачами в данной диссертационной работе, сделаны следующие выводы:

Достичь одинаковой температуры на выходе из наружного чехла по всей его площади, удалось, прежде всего, при помощи варьирования параметрами перфорации внутреннего и наружного чехлов. Шаровая засыпка топлива в такой системе оказывает меньшее сопротивление движению, чем перфорированные чехлы коллекторов.

По итогам тестирования программного комплекса, расхождение между расчетными данными и данными эксперимента составляет не более 18%, что говорит о достаточной точности полученных результатов.

Главной особенностью TBC МТ является необходимость обеспечения равномерного потока теплоносителянаправленного по нормали к тонким слоям шаровых твэлов большой площади. Это вызвано резким увеличением необходимого перепада давлений при увеличении толщины шарового слоя. Использование численного эксперимента позволило удовлетворить этому требованию путем подбора нужных сопротивлений перфорированных чехлов для заданной конструкции TBC МТ.

При использовании закона тепловыделения, характерного для реакторов цилиндрического типа наблюдается перегрев теплоносителя в средней части ТВСМТ.

В результате проведенных численных экспериментов были получены коэффициенты сопротивления для активной зоны реактора ВВЭР — 1000 МТ как в продольном направлении течения, путем моделирования течения в TBC, так и в поперечном направлении, путем моделирования периодического течения в пространстве между TBC. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании реактора ВВЭР — 1000 МТ.

Сравнение полученных коэффициентов сопротивления а: и аг показывает существенную разницу между ними. Эта разница говорит о существовании сильной анизотропии сопротивления в активной зоне реактора ВВЭР — 1000 МТ. Поперечному течению теплоносителя в активной зоне препятствует течение в продольном направлении. Поперечный приток теплоносителя в пространство между TBC МТ оказывает влияние на гидродинамику активной зоны.