МГТУ им. Н.Э. Баумана

 05, май 2009

Введение

 Повышение тепловой мощности активных зон является важным для повышения конкурентоспособности действующих и проектируемых АЭС.  Над данной задачей работают многие коллективы организаций атомной отрасли. Предложены и находятся в большой степени проработанности четыре направления повышения тепловой мощности.

 ·        Увеличение загрузки топлива в активной зоне. Например, высота топливного столба в ТВС-2М по сравнению с ТВС-2 увеличена на 150 мм за счет изменения конструкции хвостовика и головки .

 ·        Снятие избыточного консерватизма в теплогидравлических и нейтронно-физических расчетах позволило обосновать возможность повышения тепловой мощности до 104% за счет уменьшения коэффициента запаса по линейной мощности .

 ·        Введение в кассеты интенсификаторов тепломассообмена с тем, чтобы  повысить значения критического теплового  потока, увеличить теплосъем с ТВС.

 ·        Изменение диаметров твэлов, что требует  большого объема НИОКР .

 Исследование влияния интенсификаторов тепломассообмена на увеличение тепловой мощности ТВС было начато в 70-80 голах прошлого века. Оно базируется на представлении о физической природе кризиса теплообмена при кипении, являющегося главной причиной, ограничивающей тепловую мощность наиболее напряженных ТВС, а следовательно и активной зоны в целом.

 Кризис кипения  —   явление характеризуемое внезапным падением коэффициента теплоотдачи вследствие изменения механизма кипения, что  приводит к росту температуры поверхности нагрева.  Тепловой поток непосредственно перед наступлением кризиса называется критическим тепловым потоком.

 На кризис кипения при вынужденном движении потока жидкости  влияние оказывают пузырьковый слой, движущийся па­раллельно поверхности нагрева, который так близко примы­кает к поверхности нагрева, что ограждает ее от поступления холодной жидкости, а также неустойчивость потока. Последняя характеризуется тем, что в процессе местных колебаний тече­ния пограничный слой периодически замедляется, а нагретая поверх­ность под этим временно заторможенном слоем может пере­греться, что приводит к преждевременному кризису кипения.

 Различают кризис кипения в зоне недогрева потока до состояния насыщения или низкого массового паросодержания. Такой тип кризиса кипения наблюдается только при относительно высоких тепловых потоках, когда возникает такое интенсивное кипение, что пузыри скапливаются возле поверхности нагрева. Величина критического теплового потока в большей степени зависит от параметров пристенной зоны, чем от недогрева основной части потока. Такой тип кризиса кипения называют кризисом кипения первого рода. Именно он характерен для ректоров с водой под давлением.

Повышение мощности активной зоны требует повышения величины критического теплового потока. Конструкции ТВС активных зон отечественных и зарубежных водо-водяных реакторов имеют определенные размеры твэлов, шаг их расположения, тепловые диаметры ячеек.   Единственной возможностью повышения величины критического теплового потока остается варьирование параметрами функции  — шагом расположения решеток и коэффициентом гидравлического сопротивления.

  Например, для квадратной ячейки ТВС, типичной для реактора PWR ,   средний равномерный тепловой поток с поверхности твэлов . Допускается наличие максимально напряженной ячейки с равномерным по высоте тепловым потоком (ТП) . При повышении тепловой мощности активной зоны на 30%, тепловой поток в рассматриваемой ячейке станет равен . Массовая скорость  не меняется. Тогда при наличии только обычных дистанционирующих решеток, расположенных с шагом 500 мм и имеющих  , наблюдается кризис кипения на расстоянии 3480 мм от низа активной зоны.

  Возможны два варианта повышения величины КТП по всей высоте активной зоны:

1. Варьирование шагом решеток.

Уменьшение шага решеток приведет к увеличению числа решеток в активной зоне, что,  во-первых, приведет к росту потерь давления, а во-вторых, окажет влияние на нейтронно-физические характеристики активной зоны за счет увеличения количества металла в ней, являющимся паразитным поглотителем нейтронов.

  Уменьшение шага с 500 мм до 250 мм при  позволяет поднять КТП на 9% по сравнению с первоначальным вариантом расположения решеток. Но при этом в 2 раза увеличилось количество решеток, а, следовательно, и потери давления от действия всех решеток возрастут в те же 2 раза.

2.  Варьирование коэффициентом гидравлического сопротивления.

В этом случае количество решеток не меняется, не увеличивается доля металла в активной зоне, но меняется величина гидравлических потерь.

  Увеличение  с 0,65 до 1,2 при шаге 250 мм  позволяет поднять КТП  еще на 3,4% по отношению к варианту с  шагом расположения 250 мм и . Хотя количество решеток в этом случае не увеличивается, но возрастает их гидравлическое сопротивление, а, следовательно, и гидравлическое сопротивление активной зоны.

    Заключение.

  Одним из ограничений увеличения мощности как работающих, так и проектируемых ТВС служит кризис теплообмена. Кризис теплообмена в пучке ТВС имеет локальный характер и в настоящее время рассчитывается по моделям, обобщающим экспериментальные данные, полученные на электрообогреваемых  имитаторах ТВС, учитывающих особенности конкретных пучков твэлов. Но как правильно заметили авторы, в ряде случаев полученные результаты стоит рассматривать как оценочные и  нуждающиеся в подтверждении экспериментом. Тем не менее, было установлено, что дистанционирующие, перемешивающие решетки позволяют существенно увеличить значение критического теплового потока. Выбором положения решетки, их характеристик и количества можно повысить тепловую мощность ТВС принятых для ВВЭР-1000 размеров на 15-20%.