Гидравлический расчет охлаждающего тракта облучательного устройства, анализ надежности охлаждения экрана

Решение задач по повышению безопасности, надежности и конкурентоспособности ядерных энергоблоков невозможно без получения новых знаний о поведении топливных и конструкционных материалов.

Для возможности эксплуатации конструкционных элементов в сложных условиях совместного воздействия радиационного излучения и высоких температур предполагается использование новых видов карбонитридного топлива, свойства и работоспособность которого в настоящее время недостаточно экспериментально изучены. Для получения недостающих данных о поведении карбонитридного топлива проводят его ускоренные испытания в исследовательском реакторе. Такие испытания возможно провести только в высокопоточных исследовательских реакторах. Таким реактором является СМ-3 [3].

Целью настоящей работы является проведение теплогидравлических расчетов для обоснования безопасности проведения реакторных испытаний в отражателе реактора СМ-3 облучательного устройства с макетами твэлов с уран-циркониевым карбонитридным топливом.

Теплоносителем в реакторе является обессоленная вода. Он поступает в корпус реактора по четырем входным патрубкам. Часть теплоносителя опускается по зазору между экраном и разделителем Q1→Q6→Q8. Другая часть теплоносителя поступает в пространство под крышкой и далее сверху вниз к активной зоне Q1→Q2→Q3. Оба этих потока объединяются над зоной и входят в тепловыделяющую сборку. Нагретый теплоноситель возвращается к выходным патрубкам по кольцевому зазору между корпусом и экраном Q12→Q13.

Рисунок 1. Схема потоков теплоносителя реактора СМ-3: 1 – разделитель, 2 – антисифонные отверстия, 3 – экран, 4 – корпус, 5 – отражатель, 6 – активная зона [4]

В исследуемом ОУ теплоноситель протекает по двум трактам: внешний (между бериллиевым блоком и экраном) и внутренний (между экраном и ампулой), см. рисунок 2. Каждый тракт делится на несколько расчетных участков в соответствии с изменением проходного сечения. Проведем расчёт расхода теплоносителя для двух вариантов: все экспериментальные ячейки пустые (перепад давления на отражателе 4905 МПа) и полная загрузка отражателя облучательными устройствами (перепад давления на отражателе 392400 Мпа).

Рисунок 2. Исследуемое ОУ: зеленый цвет – бериллиевый блок отражателя, красный цвет – гафниевый экран, жёлтый цвет – ампула облучательного устройства

Методика расчёта коэффициента теплоотдачи на поверхности облучательного устройства и экрана

1)  Для кольцевых труб гидравлический диаметр представляет разность наружного и внутреннего диаметра: , [м], где d – диаметр ОУ.

2)  Проходное сечение рассчитывается по формуле: , [м²].

3)  Находим среднюю скорость теплоносителя:

, [м/c],      где G – расход теплоносителя, S – проходное сечение.

4)  Для того чтобы посчитать число Рейнольдса, рассчитываем кинематическую вязкость теплоносителя в первом контуре при температуре 50°C и давлении 5 МПа:

, [м²/с], где μ = 548·10^–6 – динамическая вязкость [Па·с].

5)  Число Рейнольдса: ,                     где ω – средняя скорость

теплоносителя.

6)  Коэффициент гидравлического сопротивления трения в зависимости от числа Рейнольдса находим по формуле: .

7)  Сопротивление трения находим для всех участков по формуле:

, где ξ – коэффициент гидравлического сопротивления.

8)  Далее находим величину местных сопротивлений:.   

9)  Считаем коэффициент Нуссельта: ,     где С_t – поправка на неизотермичность потока, С_t = 1 так как изменение между температурой стенки и температурой жидкости невелико, Pr = 3,54 при t = 50°C.

10) Находим коэффициент теплоотдачи по формуле:

, где коэффициент теплопроводности воды λ = 0,6459 [Вт/м·°C].

11) Далее с помощью встроенной функции «поиск решений» вычисляем действительный расход теплоносителя. Зная коэффициент теплоотдачи α и энерговыделение можем определить распределение температур в экране. Для расчета используем вспомагательные величины: плотность гафниевого экрана, внутренний и внешний диаметры, внутренний и внешний радиус экрана.

1)  Далее вычисляем площадь экрана по формуле: .

2)  Вычислим линейный тепловой поток:.

3)  Теплота отводится через обе поверхности трубы, поэтому задаем в качестве начального среднее значение радиуса r₀, используя формулу [2]:

, где r₁ и r₂ – внутренний и внешний радиус гафниевого экрана.

4)  На основании этого определим температуру стенки внутри экрана и снаружи:

, где q_v – энерговыделение, λ – теплопроводность экрана.

Температура стенки зависит от r₀, таким образом, получаем систему уравнений. Систему решим через «поиск решений».

Для анализа безопасности проведения эксперимента необходимо рассмотреть ситуацию, связанную с ведением положительной реактивности. При этом произойдет увеличение мощности реактора, а значит и энерговыделение в материале конструкции и увеличение теплового потока с поверхности экрана. При увеличении теплового потока с поверхности возможно закипание теплоносителя, а это может привести к ухудшению коэффициента теплоотдачи и роста температуры экрана. Для анализа данной ситуации необходимо посчитать критический тепловой поток с поверхности экрана и определить запас до кризиса.

Формула для вычисления критического теплового потока при течении жидкости, недогретой до температуры насыщения [1]:

 [Вт/м²], где ∆T_нед=213,92, γ – плотность теплоносителя, γ' – плотность воды при насыщении, γ'' – плотность пара.

Запас до кризиса это отношение критического теплового потока к реальному: 

Далее можем определить максимальную температуру гафниевого экрана:

, [°C], где t₁ – температура поверхности гафниевого экрана, r₂ и r₁ – внешний и внутренний радиусы соответственно.

По результатам расчета:

1)  Коэффициенты теплоотдачи внутреннего тракта с учётом минимального и максимального давления в системе равны: 6173, 18473 и 6173, 3202. Эти цифры показывают, что облучательное устройство надежно охлаждается. Коэффициенты теплоотдачи внешнего тракта с учётом минимального и максимального давления в системе равны: 3606, 915 и 20020, 7727. Эти цифры показывают, что облучательное устройство надежно охлаждается.

2)  Результаты расчёта распределение температур в гафниевом экране:

3)  Результаты расчета критического теплового потока, запаса до кризиса и максимальной температуры экрана:

В результате расчёта определили, что t экрана находится в диапазоне от 53ºС до 120ºС – это существенно ниже температуры плавления гафниевого экрана t_пл=2227°C. Таким образом, экран в процессе облучения будет сохранять механические свойства и физическую форму. Запас до кризиса внутреннего и внешнего тракта равен 105 и 43, т.е. чтобы произошла аварийная ситуация тепловой поток должен увеличиться в 105 раз, чего не произойдет даже в самой сложной ситуации – это еще раз доказывает, что проводимые эксперименты обеспечены полной безопасностью.