автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Имитаторы твэлов для исследования аварийных режимов АЭС на электрообогреваемых стендах

На правах рукописи

БАБЕНКО ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ИМИТАТОРЫ ТВЭЛОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ АЭС НА ЭЛЕКТРООБОГРЕВАЕМЫХ СТЕНДАХ

Специальность: 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод

из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2006

На правах рукописи

БАБЕНКО ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ИМИТАТОРЫ ТВЭЛОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ АЭС НА ЭЛЕКТРООБОГРЕВАЕМЫХ СТЕНДАХ

Специальность: 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2006

Работа выполнена в ОАО «Машиностроительный завод» г. Электросталь Московской области

Научный руководитель: доктор технических наук

Болтенко Эдуард Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Гашенко Владимир Александрович

кандидат технических наук Сердунь Николай Павлович

Ведущая организация: Ивановский Государственный Энергетический Университет

Защита состоится 27 декабря 2006 г. в И часов на заседании диссертационного совета К.201.001.01 при ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций» по адресу: Москва, Ферганская ул., д.25.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ОАО «ВНИИАЭС».

Отзывы на автореферат просим направлять по указанному адресу на имя секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 22 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного <---

совета, кандидат технических наук, ст. научный сотрудник —

_Березин Б.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Исследования аварийных и переходных режимов АЭС, определение запасов до кризиса теплоотдачи РУ проводят на электрообогреваемых стендах с использованием имитаторов твэлов прямого и косвенного нагрева. При исследовании аварийных режимов АЭС на стендах основной задачей является исследование температурных режимов твэлов. Требования, предъявляемые к имитаторам твэлов в этом случае следующие:

- имитатор твэла должен иметь близкие к твэлу теплофизические свойства;

- плотность теплового потока должна быть равна или выше плотности теплового потока соответствующей номинальной для твэла исследуемой РУ;

- для фиксации температурных режимов имитатор твэла должен быть оснащен термопарами.

Такие требования могут быть обеспечены в имитаторах твэлов косвенного нагрева. В настоящее время не существует имитаторов твэлов косвенного нагрева в полной мере удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям.

Основная трудность возникающая при изготовлении имитаторов твэлов прямого нагрева - обеспечение требуемой точности профиля тепловыделения по всей его длине. В настоящее время профиль тепловыделения полномасштабных имитаторов твэлов прямого нагрева выполняется с помощью ступенчатого приближения. Применяемый способ получения ступенчатого по длине профиля тепловыделения состоит в соединении между собой сваркой отдельных ступеней, отличающихся толщиной стенки оболочки. В местах стыковки ступеней при этом возникают значительные отклонения от заданного профиля имитатора твэла.

Таким образом, задача совершенствования известных и создания новых конструкций имитаторов твэлов, позволяющих с требуемой точностью обеспечивать моделирование аварийных режимов на электрообогреваемых стендах является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы

Целью работы является разработка имитаторов твэлов для исследования аварийных режимов на электрообогреваемых стендах безопасности и исследование их теплофнзнче-ских характеристик при этих режимах.

Конкретными задачами работы являлись:

- разработка конструкций имитаторов твэлов косвенного нагрева с плотностью теплового потока, соответствующей номинальной для твэлов РУ ВВЭР-1000 и РБМК-1000;

- разработка конструкции имитатора твэла прямого нагрева с профилем тепловыделения, моделирующим с требуемой точностью профиль тепловыделения твэла.;

- исследование теплофизических характеристик разработанных конструкций имитаторов твэлов косвенного нагрева в стационарных и динамических условиях работы.

Научная новизна

1. Впервые разработана конструкция и технология изготовления имитатора твэла косвенного нагрева с промежуточной оболочкой, позволяющая достичь предельно высоких плотностей теплового потока для имитаторов твэлов, выполненных по технологии изготовления ТЭН.

2. Впервые разработаны термометрированные имитаторы твэлов косвенного нагрева с равномерным и неравномерным профилем тепловыделения с плотностью теплового потока, соответствующей номинальной для твэлов РУ ВВЭР-1000 и РБМК-1000.

3. Впервые разработан полномасштабный имитатор твэла прямого нагрева с заданной точностью моделирующий профиль тепловыделения твэла.

4. Впервые выполнено расчетно-экспериментальное определение теплофизических характеристик разработанных имитаторов твэлов в стационарных и динамических условиях работы.

Практическая значимость » использование полученных результатов

В процессе выполнения диссертационной работы определены основные характеристики имитаторов твэлов, важные для их использования в экспериментальных исследованиях. Систематизирован подход к разработке имитаторов твэлов в зависимости от задачи экспериментального исследования.

Разработанные термометрированные имитаторы твэлов косвенного нагрева применены при проведении экспериментальных исследований на полномасштабном стенде ПСБ ВВЭР-1000 ФГУП ЭНИЦ. Получены уникальные экспериментальные данные по температурным режимам TBC ВВЭР-1000 при различных аварийных режимах. Данные использованы для верификации как российских теплогидравлических кодов ТРАП, КОРСАР, БАГИРА, так и западных кодов ATLET, CATHARE, RELAP.

Разработанные имитаторы прямого нагрева с неравномерным по длине тепловыде-

лением применены при исследованиях кризиса теплоотдачи TBC ВВЭР-1500 и TBC PWR в РНЦ «Курчатовский институт» для обоснования РУ ВВЭР-1500 и PWR.

Результаты технологических разработок внедрены на ОАО «Машиностроительный завод» при изготовления имитаторов твэлов, разработанных конструкций.

На защиту выносятся:

1. Конструкция имитатора твэла косвенного нагрева с промежуточной оболочкой.

2. Конструкция имитатора твэла прямого нагрева со ступенчатым по длине профилем тепловыделения.

3. Результаты расчетно-экспериментального определения теплофизических характеристик имитаторов твэлов.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались и обсуждались на отраслевой конференции в г.Обнинске, 29-31 мая 2001 г; на 4-ой международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ ГП., Подольск, 23-26 мая 2005 г. (2 доклада); на конференции по ядерным технологиям. Nuremberg Deutsches Atomforum 2005; на международной конференции International Youth Nuclear Congress 2004, May 9-13 Toronto, Canada.

Публикации

Основные положения диссертационной работы изложены в 10 публикациях.

Структура » объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Диссертация имеет объем 125 страниц, включая 38 рисунков, 14 таблиц. Список литературы составляет 53 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы. Дана общая характеристика работы. Сформулирована цель и основные задачи исследования.

В первой главе рассматриваются условия работы твэлов реакторов типа ВВЭР и РБМК при авариях с потерей теплоносителя. Показано, что для экспериментальной проверки расчетных теплогидравлических моделей, описывающих протекание аварий, необходимо использовать интегральные полномасштабные стенды, в которых тепловыделение обеспечивается электообогреваемыми имитаторами твэлов. Применяемый в этих стендах

объемно-мощностной метод моделирования требует использование в экспериментах имитаторов твэлов, обеспечивающих работоспособность при номинальных для твэлов РУ ВВЭР-1000 и РБМК-1000 плотностях теплового потока. Наряду с экспериментами по исследованию аварий с потерей теплоносителя, электрообогреваемые имитаторы твэлов используются для исследований кризиса теплоотдачи. Эти исследования проводят, как правило, на фрагментарных установках.

Проведен обзор конструкций имитаторов твэлов, используемых при исследовании аварийных режимов на электрообогреваемых стендах безопасности. Показано, что не представляется возможным использовать единую конструкцию имитатора твэла для решения всего круга исследований аварийных и переходных режимов. Исследование кризиса теплоотдачи проводят на имитаторах твэлов прямого нагрева, которые позволяют получать практически любую плотность теплового потока, требуемую в опытах, но при этом не моделируют теплофизические характеристики твэла. Отмечен основной недостаток имитаторов твэлов прямого нагрева известных конструкций, заключающийся в некорректном моделировании профиля тепловыделения по длине.

При исследовании аварийных режимов с потерей теплоносителя используют в основном имитаторы твэлов косвенного нагрева, так как необходимо моделировать не только температурные режимы твэла, но и его теплофизические характеристики. В настоящее время имитаторы твэлов косвенного нагрева в основном выполняют по технологии изготовления ТЭН. Последнее связано с тем, что технология изготовления ТЭН наиболее доступна, стоимость изготовления имитаторов твэлов сравнительно невысока. Основной недостаток известных конструкций имитаторов твэлов косвенного нагрева, выполненных по технологии изготовления ТЭН, состоит в том, что плотность теплового потока у них невелика, а надежность работы низка. Последнее связано с тем, что при размещении термопар в электроизоляционном слое, толщина которого не превышает нескольким миллиметров, невозможно обеспечить его равномерность и высокую плотность. Связанная с этим низкая теплопроводность электроизоляционного материала не позволяет отводить высокие тепловые потоки, что существенно ограничивает допускаемую при работе имитатора твэла плотность теплового потока.

Исходя из проведенного анализа, сформулированы задачи настоящего исследования.

Во второй главе представлены результаты разработки конструкции имитатора твэла косвенного нагрева для исследования аварий с потерей теплоносителя РУ ВВЭР-1000 и

РБМК-1000. В качестве базовой выбрана конструкция имитатора твэла, относящаяся к ТЭН. В предложенной конструкции имитатора твэла косвенного нагрева, в отличии от известных, введена дополнительная (промежуточная) оболочка. Это позволило размещать термопары не в электроизоляционном слое, состоящем из порошка периклаза (плавленого оксида магния), а между основной и промежуточной оболочками имитатора твэла. На рис. 1 показана конструкция имитатора твэла с промежуточной оболочкой, применительно к модели TBC ВВЭР-1000, с постоянным по длине тепловыделением.

А-А

Рис. 1 Конструкция имитатора твэла РУ ВВЭР-1000 с постоянным по длине тепловыделением.

1 — наружная оболочка, 2 — промежуточная оболочка, 3 - нагревательный элемент, 4 - стальной электрод, 5 - периклаз (К^О), б-медный электрод, 7 —узел герметизации, 8 - термопары

Использование промежуточной оболочки дало возможность производить заполнение периклазом стандартным для технологии изготовления ТЭН способом перед оснащением имитатора твэла термопарами. Пространство, в котором размещены термопары, образуется обжатием по наружному диаметру имитатора твэла, после сборки термопар с промежуточной и основной оболочками. Тем самым обеспечивается высокая теплопроводность периклаза и надежная электроизоляция между оболочкой и нагревательным стержнем.

Испытания в условиях близких к условиям работы твэла показали работоспособность, предложенной конструкции, до плотностей теплового потока 1,5 МВт/м2, что более чем в два раза превышает номинальные значения для твэла РУ ВВЭР-1000.

Во второй главе рассмотрены конструкции имитаторов твэлов косвенного нагрева, использующие промежуточную оболочку, применительно к РУ ВВЭР-1000 и РБМК-1000.

Для РУ ВВЭР-1000 разработаны конструкции имитатора твэла косвенного нагрева для работы на мощности, соответствующей уровню остаточного тепловыделения, и на мощности номинальной для твэла. Имитатор Твэла с номинальной мощностью, дополнительно моделирует неравномерный профиль тепловыделения по длине. Для этого неравномерный профиль аппроксимировался ступенчатым. На рнс.2 показано распределение диаметра нагревательного стержня по длине имитатора твэла.

Ост 5 --------

4,5 ---------

4---------

3,5-------

3 ----------

О 0,1 0.2 0,3 0,4 0.5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Li/La.3.

Рис. 2 Распределение диаметра нагревательного стержня по длине имитатора твэла РУ ВВЭР-1000 с неравномерным тепловыделением

В работе описан предложенный метод для определения характеристик нагревательного стержня имитатора твэла косвенного нагрева, позволяющий в процессе изготовления имитатора твэла обеспечивать требуемый закон тепловыделения по длине. Выполнен расчет максимальной температуры нагревательного стержня (на участке максимума тепловыделения): ! ^

Т^-Т^ + АТ^ + ЬТ.+АТ.. (1)

гДе Т^ова,— максимальная температура наружной поверхности оболочки,

\ба,— перепад температуры в оболочке, АТЯ— перепад температуры в периклазе,

— перепад температуры в нагревательном стержне. Показано, что для плотности теплового потока соответствующей номинальной плотности для твэла РУ ВВЭР-1000, температура в центре нагревательного стержня не превышает 850 °С, что в ~1,5 раза меньше предельной рабочей температуры для проволоки из сплава Х20Н80 (1200 °С). При этом максимальная температура периклаза также не превышает границы в 1000 °С, за которой его диэлектрические свойства не нормируются.

В работе представлен имитатор твэла с плотностью теплового потока, соответствующей номинальной для твэла, разработанный применительно к РУ РБМК-1000. Имитатор твэла имеет длину зоны тепловыделения -7 м, тем самым моделируя одновременно твэлы нижней и верхней TBC РУ РБМК. В конструкции смоделирован также адиабатический участок между нижней и верхней TBC. Последнее выполнено с помощью медной проставки длиной 49 мм, введенной в центральной части нагревательного стержня имитатора твэла, рис. 3.

А

Рис. 3 Имитатор твэла косвенного нагрева РУ РБМК-1 ООО

1 - наружная оболочка, 2 - промежуточная оболочка, 3 - нагревательный элемент,

4 — стальной электрод, 5 - периклаз (МцО), б - медный электрод, 7 -_узел герметизации, 8 - термопары, 9 —медная проставка

В работе представлены результаты испытаний разработанных конструкций имитаторов твэлов косвенного нагрева. Методика испытаний была разработана, таким образом, чтобы при испытаниях обеспечить режимные параметры характерные при моделировании аварийных режимов на электрообогреваемых стендах. Методика испытаний включала 2 этапа. На 1 этапе имитатор твэла испытывается в циклическом режиме наброса мощности

до номинального значения и сброса мощности до 0. На 2 этапе в режиме осущения оболочки имитатора твэла при мощности, соответствующей уровню остаточного тепловыделения (температура оболочки разогревается до температуры ~800 °С), производится залив имитатора твэла охлаждающей водой. На основании проведенных испытаний подтверждена работоспособность разработанных конструкций. Температурные режимы опытного имитатора твэла РУ ВВЭР-1000 при набросах-сбросах мощности показаны на рис. 4, при заливе охлаждающей водой на рис. 5.

0 -------:--

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Время, с

Рис. 4 Температурный режим имитатора твэла РУ ВВЭР-1000 при циклических испытаниях набросов-сбросов мощности

О 200 400 600 800 1000 12Ü0 1400 1600 1800 2000

Цхли, с

Рис. 5 Температурный режим имитатора твэла РУ ВВЭР-1000 при испытаниях заливом охлаждающей водой

В течение 2001-2004 гг. на моделе TBC РУ ВВЭР-1000 с имитаторами твэлов разработанной конструкции, на стенде ПСБ ВВЭР-1000 выполнено 27 пусков на мощности соответствующей остаточному тепловыделению. Имитаторы твэлов в самых экстремальных условиях при режимах запаривания модели TBC (температура на оболочках достигала

950 °С) работали надежно и безотказно. Это позволило реализовать ряд сценариев аварийных режимов важных для обоснования безопасности АЭС с ВВЭР.

В третьей главе представлены результаты разработки имитатора твэла прямого нагрева. Разработка проводилась для твэла TBC PWR. Как показано во второй главе предельная плотность теплового потока имитатора твэла косвенного нагрева составляет ~1,5 МВт/м2. Последнее не дает возможности использовать имитаторы твэлов косвенного нагрева в исследованиях кризиса теплоотдачи.

При исследованиях кризиса теплоотдачи с использованием имитаторов твэлов прямого нагрева, профиль тепловыделения обеспечивается изменением толщины стенки оболочки имитатора твэла. Основной недостаток известных конструкции имитаторов твэлов прямого нагрева заключается в том, что они некорректно моделируют профиль тепловыделения по длине. В работе предложены конструкция и технология изготовления имитаторов твэлов прямого нагрева, устраняющая этот недостаток. Предложено заменить плавный профиль полномасштабного имитатора твэла на ступенчатый профиль. При этом «разно-стенная» оболочка имитатора твэла формообразуется из единой заготовки, а не из отдельных частей с различными толщинами стенок как у известных конструкций имитаторов твэлов. Тем самым в местах перехода с одной ступени профиля на другую исключаются его искажения. Разработанная конструкция имитатора твэла прямого нагрева РУ PWR показана на рис. 6.

паПка пайка

Рис. 6 Имитатор твэла прямого нагрева РУ PWR

1 — Медный токотвод, 2 - Медный токоподвод, 3 ~Оболочка( нагревательный элемент)

Для изготовления оболочки (нагревательной части) был выбран хромоникелевый сплав 42ХНМ ТУ14-1-5436-2001. Выбор сплава связан с особенностями работы имитаторов твэлов прямого нагрева, используемых для исследований кризиса теплоотдачи. Она характеризуется скачками температуры, повышенными термомеханическнми нагрузками

и обеспечением стабильных параметров проведения экспериментальных исследований, одним из которых является активное электрическое сопротивление имитатора твэла. Сплав 42ХНМ ТУ14-1-5436-2001 отличается незначительной зависимостью электрического сопротивления от температуры, высокими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью в водной среде. В работе описан порядок получения требуемого ступенчатого профиля оболочки из единой заготовки применительно к имитатору твэла РУ PWR, при котором толщина стенки оболочки полномасштабного имитатора твэла плавно ступенчато меняется от 0,59 мм в центре до 1,89 мм на концах.

На основе изготовленной партии имитаторов твэлов прямого нагрева, разработанной конструкции, была сформирована 25-стержневая модель TBC PWR. В РНЦ «Курчатовский институт» на ней были выполнены исследования кризиса теплоотдачи. Выявлено 198 кризисных режима. Выхода из строя имитаторов твэлов не зафиксировано. Модель TBC эксплуатировалась в режиме кипения при высоких тепловых потоках и паросодержа-нии более 400 часов.

В четвертой главе представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований теплофизичеекпх характеристик разработанных имитаторов твэлов в стационарных и динамических режимах.

Теплофизнческие характеристики имитатора твэла косвенного нагрева в стационарных режимах работы можно оценить, зная теплофизические характеристики материалов и расчетное распределение температуры по длине и сечению имитатора твэла. В связи с тем, что справочные данные по свойсвам противоречивы, было проведено экспериментальное определение коэффициента теплопроводности периклаза в диапазоне рабочих температур изолирующего слоя имитаторов твэлов косвенного нагрева. Для этого был изготовлен экспериментальный образец имитатора твэла РУ ВВЭР-1000, оснащенный термопарами для измерения температуры оболочки и поверхности нагревательного стержня. Экспериментальные исследования проводились в стационарных условиях при режимных параметрах близким к рабочим для имитатора твэла. Коэффициент теплопроводности периклаза был определен из решения уравнения теплопроводности, записанного для слоя периклаза и оболочки в предположении, что тепло передается только в радиальном направлении:

Я =-£-(2)

" гхтгхС/.-О dt

где qi — линейный тепловой поток,

d„ — наружный диаметр слоя периклаза,

<Л„ — диаметр нагревательного стержня,

(ч — температура нагревательного стержня,

/„ — температура на наружной поверхности слоя периклаза.

На рис. 7 показаны зависимость А„ от средней температуры по толщине слоя периклаза.

3.5----------

¡2 э'----------

О 100 200 Э00 400 500 600 700 600 ООО lOCO

Средняя температура, *С

Рис. 7 Зависимость коэффициента теплопроводности периклаза от температуры

Как видно из рис. 7, зависимость А„ = lit) имеет достаточно сложный характер. При температурах ~ 650 +750 °С А« имеет минимальное значение, при увеличении температуры выше 750 °С Х„ увеличивается. Характер полученной зависимости коэффициента теплопроводности соответствует характеру зависимости полученной на образцах ТЭН, но значения коэффициента теплопроводности превышают ~ в 2 раза, что связано с конструктивным отличием вида нагревателя в ТЭН и имитаторе твэла.

Расчет распределения температур в стационарных условиях проводился для имитатора твэла РУ ВВЭР-1000, имеющего номинальную для твэла мощность и неравномерный профиль тепловыделения. Для этого весь имитатор твэла разбивался на 10 участков по длине, и на слои по сечению: по одному слою оболочка и нагревательный стержень н 5 слоев периклаз. Результаты расчета температур позволили вычислить теплоемкость и аккумулированную теплоту имитатором твэла при работе на номинальной мощности. Полученное значение аккумкулированной теплоты составляет 93% от теплоты аккумулированной при тех же условиях твэлом, что свидетельствует о достаточно удовлетворительном моделировании теплофизнческих характеристик твэла в стационарных условиях.

Для определения характеристик, разработанных имитаторов твэлов в динамических условиях необходимо знать закономерности регулярного режима в телах с внутренними источниками тепла. Если при нагревании тел без внутренних источников тепла конечное распределение температуры тела равномерное, то при наличии внутренних источников энергии предельное тепловое состояние к которому стремится тело, является неравновесным и конечное поле неравномерным. Обозначим неравновесную температуру стационарного теплового состояния тела через

t„{x,y,z) = \\mt(x,y,z), (3)

где t(x,y,z) = t(x,y,z) + e{x,y,z,x) (4)

и lime = О (5)

Решение для средней по объему избыточной относительной температуры тела имеет вид:

f=f = ÉÍ»+7t)**.*«P (б)

•с ~ 'о »-IV )

а выражение для темпа нагревания или охлаждения запишется как функция тех же величин, что и при нагревании или охлаждении тела без внутренних источников тепла, т.е. di

—т = т-гг— = const (7)

где tm — неравновесная температура стационарного теплового состояния тела, т- время,

tc- температура окружающей среды,

to, Í -температуры тела (начальная, средняя по объему).

Таким образом, основной признак регулярного режима сохраняет тот же вид, но под величиной средней избыточной температуры тела понимается разность I —I. Следовательно, для тел с постоянно действующими источниками тепла, имеющимися внутри тела или на его границах, при переходе от одного теплового состояния тела к другому (от начального к конечному), температура любой точки тела по истечению известного времени с начала процесса будет изменяться по экспоненте.

Известно что, для тел с внутренними источниками тепла темп нагревания и темп охлаждения численно равны между собой, т.е. m¡ = m¿ = т, а, следовательно, темп нагревания тела не зависит от мощности источников и их расположения в теле. На основе этого

положения предложено наиболее оптимальное (наибольшая точность) определение m с источниками тепла. После нагрева тела следует выключить источник энергии (qv=0) и снять зависимость температуры охлаждающего тела от времени и результаты измерений нанести на полулогарифмический график lrt(T-Tt)-f(т), где Тс - температура внешней среды.

ст = ш(7;-гс)-1п(г1-ге) (8)

г2-т,

Определение характеристик инерционности имитатора твэла косвенного нагрева проводилось для имитатора твэла РУ ВВЭР-1000, имеющего номинальную для твэла мощность и неравномерный профиль тепловыделения. Экспериментальные данные по температурным режимам имитатора твэла при охлаждении его после снятии электрической нагрузки получены при испытаниях на работоспособность конструкции в режиме набросов-сбросов мощности (рис. 4). Полулогарифмический график изменения температуры имитатора твэла для одного цикла охлаждения показан на рис. 8. На этом же рисунке показаны результаты расчетов ФГУП ЭНИЦ, выполненными с помощью расчетного кода RELAPS, для режима охлаждения с аналогичными начальными и граничными условиями. На основании зависимости (8) теории регулярного режима и полученных экспериментальных и расчетных данных были определены темп охлаждения и постоянная термической инерции для исследованных имитаторов твэлов и реального твэла.

Рис.8 Полулогарифмический график изменения температуры имитаторов твэлов и реального твэла для одного цикла охлаждения

Полученные результаты показали, что показатели термической инерции для имитатора твэла косвенного нагрева и реального твэла близки. Поэтому можно утверждать, что использование разработанных имитаторов твэлов косвенного нагрева позволяет удовлетворительно моделировать на интегральных стендах безопасности ПСБ ВВЭР-1000 и ПСБ РБМК поведение реальных твэлов в аварийных режимах.

ВЫВОДЫ

1. Анализ известных конструкций имитаторов твэлов показал, что не существует универсальной конструкция удовлетворяющей всем требованиям. Существующие конструкции имитаторов твэлов прямого нагрева не позволяют с удовлетворительной точностью моделировать профиль тепловыделения твэла. Имитаторы твэлов косвенного нагрева требуют доработки конструкции в плане увеличения допустимой плотности теплового потока до значений, соответствующим номинальным для твэлов РУ ВВЭР-1000 и РБМК-1000, повышения надежности работы, приближения их теплофизических характеристик к характеристикам твэлов.

2. Впервые предложены конструкция и технология изготовления имитатора твэла на базе ТЭН, использующие промежуточную оболочку. Размещение термопар производится между промежуточной и основной оболочками, за счет чего достигается минимальная толщина и высокая теплопроводность электроизоляционного слоя. Экспериментальными исследованиями в стационарных условиях работы подтверждена работоспособность разработанной конструкции имитатора твэла косвенного нагрева при плотности теплового потока до 1,5 МВт/м2.

3. На базе предложенной конструкции имитатора твэла косвенного нагрева с промежуточной оболочкой разработаны конструкции имитаторов твэлов с плотностью теплового потока соответствующей номинальным значениям для твэлов РУ ВВЭР-1000 и РБМК-1000. В имитаторе твэла РУ РБМК впервые смоделирован адиабатический участок между нижней и верхней частями TBC РУ РБМК.

4. Впервые предложена конструкция и технология изготовления имитатора твэла прямого нагрева, обеспечивающая получение профиля тепловыделения с заданной точностью.

5. На основании расчетно-экспериментальных исследований определены теплофизи-ческие характеристики имитатора твэла косвенного нагрева и реального твэла в стационарных и динамических режимах. Показано, что характеристики имитатора твэла

косвенного нагрева и реального твэла близки. Последнее позволяет утверждать, что с помощью разработанных имитаторов твэлов косвенного нагрева с удовлетворительной точностью можно моделировать аварийные режимы.

6. С использованием разработанных имитаторов твэлов в ФГУП ЭНИЦ и РНЦ «Курчатовский институт» проведен широкий круг исследований аварийных режимов и кризиса теплоотдачи.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Болтенко Э.А., Зевалкин C.B., Тимофеев И.Л, Бабенко Ю.Н., Иванов A.B. Разработка имитаторов твэл для TBC интегральной установки ПСБ - ВВЭР. В сб. Годовой отчет 2000. ЭНИЦ ВНИИАЭС. Электрогорск.2001 г. с. 43- 45

2. Бабенко Ю.Н., Болтенко Э.А., Зевалкин C.B., Иванов A.B., Тимофеев И.Л. Разработка имитаторов твэл для TBC интегральной установки ПСБ - ВВЭР. Теплогидравлпческне коды для энергетических реакторов (разработка и вернфнкация). Тезисы отраслевой конференции, под редакцией д.т.н. А.Д. Ефанова, д.т.н., профессора П.Л. Кириллова. Обнинск, 29-31 мая 2001 г. С.27-29.

3. Бабенко Ю.Н., Болтенко Э.А., Григорян B.C., Иванов A.B. Опыт разработки моделей TBC для исследования аварийных режимов применительно к ВВЭР. В сб. тезисов докладов 4-ой международной научно-технической конференции. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. 23-26 мая 2005 г. Подольск. Россия.

4. Бабенко Ю.Н., Иванов A.B., Симаков Г.А. Разработка технологии и изготовление электрообогреваемых имитаторов твэл для экспериментальных исследований в обоснование безопасной эксплуатации РУ типа ВВЭР. В сб. докладов 4-ой международной научно-технической конференции. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. 23-26 мая 2005 г. Подольск. Россия.

5. Е.А. Boltenko, V.S. Grigoryan, N.N. Kirin, S.I. Sergeev I.I. Timofeev, Yu. N. Babenko, A.V. Ivanov. Fuel Assemblies For Investigation of Accident Test at Large-Scale Test Facilities. Iahrestagung kerntechnic 2005. Annual meeting on nuclear technology. Kerntechnische gesell-chaft e.v. Meistersingerhalle, Nuremberg Deutsches Atomforum e.v. 2005.

6. Е.А. Boltenko, V.S. Grigoryan, N.N. Kirin, S.I. Sergeev I.I. Timofeev, Yu. N. Babenko, A.V. Ivanov. Fuel Assemblies For Investigation of Accident Test at Large-Scale Test Facilities. International Youth Nuclear Congress 2004. 9-14 May. Toronto, Canada.

7. Бабенко Ю.Н., Иванов A.B., Болтенко Э.А., Григорян В.С.ДСирин H.H., Тимофеев И.Л. Имитаторы твэлов для исследования аварийных режимов на крупномасштабных стендах. Атомная энергия , 2005, т.99, вып.2, с.108-114.

8. Бабенко Ю.Н., Иванов A.B., Болтенко Э.А., Гашенко И.В., Кирин H.H. Исследование теплофизических характеристик имитаторов твэл косвенного нагрева. В сб. Годовой отчет 2005. ЭНИЦ ВНИИ АЭС. Электрогорск.2006г. с. 126- 132.

9. Бабенко Ю.Н. Моделирование теплогндравлических характеристик твэла для исследования кризиса теплоотдачи в активной зоне ядерного реактора. Деп. в ВИНИТИ 14.07.06 №930-В2006.

10. Бабенко Ю.Н. Исследование работоспособности имитатора твэла косвенного нагрева РБМК. Деп. в ВИНИТИ 14.07.06 №931-В2006.

ОАО ВНИИ АЭС Заказх. 11/109 т. 70 экз.

Список рисунков.

Список табшц

Обозначения

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСIОЯШ1Я ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛ ЕДОВА11ИЯ.

1 1. Требования к моделированию твэлов на крупномасштабных стендах.

1 2 Анализ состояния вопроса по конструкциям и технологиям изготовления электрообогреваемых имитаторов твэлов.

1.2.1. Имитаторы твэлов прямого нагрева.

1.2.1. Имитаторы твэлов косвенною нагрева.

1.3 Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. РАЗРАК01КА ИМИГА10Р0В КОСВЕННОГО НАГРЕВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ НА С1ЕНДАХ ПСБ ВВЭР-Ю(К) И ПСК РГ,МК.

2 1. Обоснование выбора базовой конструкции и техно кмии и нотовления имитаюра твэ га косвенною нагрева.

2 2 [Выбор материалов элементов конструкции имитатора твэла.

2 3 Разработка конструкции и техно юг пи изготов гения имитатора твэ 1а косвенного нагрева.

2 4 Экспериментальное определение допустимой плотности тепловог о потока имитатора твэ 1а косвенною нафева с промежуточной оболочкой.

2 5 Разработка имитаторов твэлов косвенною нагрева для исследования аварийных режимов на стенде ПСЕ ВВЭР-1000.

2 5 1. Разработка имитатора твэла косвенною нагрева с мощностью, соответствующей мощности твэта на уровне остаточного тепловыделения.

2.5.2. Разработка имитатора твэла косвенною нагрева реактора ВВЭР-1000 с неравномерным профилем тепловыделения с мощностью, соответствующей номинальной дчя твэла ВВЭР

2 6 Разработка имитаторов твэлов косвенною нагрева ,гля исследования аварийных режимов на стенде ИСК РБМК

2 7. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБ01КА ИМИ ГА 10Р0В IВЭЛОВ ПРЯМОГО НАГРЕВА.

3.1. Исходные данные и технические требования к разработке

3 2 Разработка конструкции и техно юг ии изготовления имитаторов твэлов.

3 3 Изготовление опытных имитаторов твэ юв.

3 4 Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ 1ЕНЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАК1ЕРИС1ИК ИМИТАТОРОВ

I ВЭЛОВ.

4 1 Определение теплофизических характеристик имитаторов твэлов косвенного нагрева в стационарных условиях.

4.2. Определение характеристик имитаторов твэлов косвенною нагрева в динамических условиях.

4.3. Выводы к главе 4.

ВЫВОДЫ.

ЛИ 1ЕРАТУРА

Список рисунков

Рис 1.1 Имитатор твэпа "Tubular". „

Рис 1 2 Имитатор твэла "Cosima".

Рис. 1 3 Имитатор твэла ВВЭР-440 для исследования стадии повторною залива.

Рис. 1 4 Имитатор твэла ВВЭР-1000 с трехступенчатым по длине тепловыделением.

Рис 1 5 Имитатор твэча, разработанный в ФЭИ, с электроизоляционным материалом в виде втулок и порошка.

Рис. 1 6 Имитатор твэла РБМК.

Рис 1 7 Имитатор твэла NIIPI UN для реактора LOFT

Рис 1 8 Имитатор твэла ЛИВ.

Рис 2 1 Конструкция имитатора твэ ia косвенною нагрева с промежуточной оболочкой РУ

ВВЭР

Рис. 2 2 Фотография поперечно! о разреза образца имитатора твэла.

Рис 2.3 Фотография внешнего вида места разрушения образца имитатора твэ га после испытаний.

Рис 2 4 Корпус с моделью TBC ВВЭР

Рис. 2 5 Профиль тепловыделения твэла РУ ВВЭР-1000.

Рис. 2 6 Зависимость температуры в центре нагревательною стержня от ею диаметра на участке максимальной мощности имитатора твэла РУ ВВЭР-1000 мощностью 60 кВт 62 Рис. 2.7 Имитатор твэча косвенною нагрева РУ ВВЭР-1000 мощностью 60кВт с неравномерным профилем тепловыделения.

Рис 2 8 Узел компенсации имитатора твэ га РУ ВВЭР-1000 мощностью 60 кВт

Рис 2 9 1емпературныи режим имитатора твэ га РУ ВВЭР-1000 при циклических испытаниях набросов-сбросов мощности.

Рис. 2 10 Температурный режим имитатора твэла РУ ВВЭР-1000 при испытаниях заливом охлаждающей водой

Рис 2 11 Экспериментальный канал ПСБ РБМК с моделью I ВС.

Рис.2 12 1ВСРУ РБМК-1000.

Рис. 2 13 Зависимость напряжения электрического тока от диаметра нагревательного стержня д гя имитаторов твэчов РУ РБМК.

Рис. 2 14 . Зависимость силы электрическою тока от диаметра нагревательною стержня д гя имитаторов твэлов РУ РВМК.

Рис. 2.15 Зависимость температуры в центре нагревателыюг о стержня ог диаметра для имитаторов твэлов РУ РБМК.

Рис. 2.16 Имитатор твэла мощностью 167 кВт стенда ПСБ РБМК.

Рис. 3.1 Плавный и ступенчатый профили тепловыделения имитатора твэ га PWR . „

Рис. 3 2 Имитатор твэла прямого нагрева реактора PWR.

Рис 3 3 Геометрические размеры заготовки после первых 4-х техночогических переходов 87 Рис 3 4 По гучение наружною диаметра имитатора твэ га на угастке 8, 9 и 10 ступенек .88 Рис 3 5 Формообразование внутренних размеров одной из ступенек нагревательной части имитаюратвэ га

Рис 3 6 Конфигурация рабочих поверхностей бойка

Рис 3 7 Измерение вну ipenmix диаметров ступенек свыше 6 мм.

Рис 3 8 Измерение внутренних диаметров меньше 6 мм

Рис 4 1 Зависимость от температуры коэффициента теплопроводности периклазаиз раз гичных литературных источников.

Рис 4 2 Фотография поперечною сечения образца имитатора твэла

Рис 4 3 Температурные режимы при определении теплопроводности периклаза в обра ¡не имитатора твэ ia РУ ВВЭР-1000.

Рис 4.4 Коэффициент теп юпроводности периклаза образца имитатора твэ ia РУ ВВЭР

Рис 4 5 Аккумулированная теп юта имитатором твэча РУ ВВЭР-1000 в зависимости от плотности тепловою потока

Рис 4 6 По 1уло1арифмические кривые о\ тждения имитаторов твэлов и реальною твэ ia.l

Список таблиц

Таблица 1.1 Основные критерии подобия при различных методах моделирования.

Таб шца 2.1 Технические характеристики стенда БОС1.

Таблица 2.2 Режимы испытаний обращов имитатора твэла косвенно! о нагрева

I аб шца 2 3. Параметры нагревательно! о стержня имитатора твэ ia.

Таб шца 2 4 Характеристики каналов стенда ПСБ РБМК.

Таблица 2 5 Режимы испытании имитатора твэ ia РБМК набросах - сбросах мощности . 77 1 абтица 2.6 Режимы испытании имитатора тв) ia РБМК при заливе хоподнои водой . 77 1аблицаЗ 1 Геомефические размеры на1-ревательнои части имитаторов тюлов прямою нагрева PWR.

Таблица 4.1 Характеристики порошка периклаза марки КМАО-Н.

I аблипа 4.2 Основные размеры образца имитатора твэла.

Таблица 4.3 Результаты измерений коэффициента теплопроводности периклаза

Габ шца 4 4 Теплофизические свойства материалов

Таб шца 4.5 Аккумулированное тепло имитаторами твэчов

Таблица 4.6 Характеристики имитаторов твэтов и реальною твэла ВВЭР-1000 в динамических условиях.

Обозначения

АЭС — атомная э юаростлнции

I ВС — теп юпыде 1яющая сборка

A3 — активная зона твэ i — тепчовыде 1яюииш э icmcht

ВВЭР — водо-водянои энергетический реактор

РБМК — реактор ботыпой мощности канальный

ПСВ ВВЭР — полномасштабный стенд безопасности ВВЭР

Г1СБ РБМК — полномасштабный стенд безопасности РБМК

ГЦ Г — главный циркуляционный трубопровод

I Dil — трубчатый элеюронагреватель

РУ — реакторная установка

А III — авария с потерей теп юносителя

МПА — максимально-проектная авария

ГЦП — i данный циркуляционный насос

ФШЛ —устройство кошро 1я и ре1>лировки

ПЭВМ— персональная электровычислительная машина

KCII — компенсационныи самопишущий прибор

КС — кризисный стенд

BWR — boiling water reactor

PWR — pressurised water reactor

P — линейным масштаб

0 — объемный масштаб т] — масштаб площа ten

D — внутренний диамеф тр>бы, м L — д шна, м 11— высота, м d — диамегр стержня

1 — сила тока, А

N — мощность, Вт

R — электрическое сопротивление, Ом Т, t — температура, иК, °С

Ср—юн юемкосп. при постоянном давчешш, Да/кг "С N11 — чис.ю Н>ссельта Рг — число Прандтля Ис — число Репно 1ьлса г— время, с скорость, м/с q — плотность тстовой поток, Вт/м2 а — коэффициент тетообмена, Вт/м2°С к — коэффициент

Индексы ном— номинальный ср — средний

0 — начальные условия выт — вытяжка макс — максимальный п — нериклаз обот — оболочка н — нагревательный стержень ж — вода к — кана I

3 — экспериментальный р — расчетный

4 — насыщение

1 —линейный нов — поверхностный v — объемный т — твэт им — имитатор твээаа 7. — высота вх — в\од ныч — выход

Условные обозначения, не вошедшие в список, поясняются в тексте

Современный этап рашития атомной энергетики как н России, так и за рубежом характеризуется ужесточением требований по обеспечению безопасной эксичуатации АЭС с одновременным совершенствованием конструкций TBC с целью повышения конкурентоспособности атомной энергетики.

В сипу специфики функционирования АЭС и ядерного реактора, как наибо iee важного состав гяющего эгемеита, решение огромною перечня научно-технических задач непосредственно в натурных условиях в подавляющем бочыпинстве случаев невозможно Поэтому с самою начала рашития атомной энергетики экспериментальные исследования тегпофизических процессов, протекающих в активной зоне, проводят на специальных стендах с испочьзованием моделей IBC, в которых тепловыделение обеспечивается имитаторами твэлов за счет пропускания электрического тока Конструктивно имитаторы твэтов разделяются на 2 типа имитаторы твэчов прямого нагрева и косвенною нагрева В имитаторах твэлов прямою нагрева тепловая энергия выделяется при прохождении эчектрического тока по трубке с наружным диметром равным диаметру твэла В имитаторах косвенною нагрева э гектронагреваемый проводник огделен от наружной трубы (обочочки) слоем электроизо 1яци0нн0ю материала, и поэтому при их использовании не требуется допо шительнои этектроизо гяции частей экспериментальною стенда Имитаторы твэюв с э 1ектрообогревом используются н основном дчя задач, связанных с безопасной эксп гуатациеи A3 ядерною реактора. Эги задачи можно разделить на исследования аварий с потерей теплоносителя и кризиса теплоотдачи. В модели 'IBC, сформированной из имитаторов твэлов, для правичыюю воспроизведения температурных режимов при проведении исследований догжны соб податься следующие параметры высота активной зоны, диаметр имитаторов твэ юв, проходные сечения Число имитаторов твэлов при этом в модели уменьшается в соответствии с коэффициентом масштабирования [1]. Надежность достоверность) ре$ультатов может быть наиболее полно обеспечена проведением экспериментальных исследований на крупномасштабных стендах, которые подразделикнся на 2 тина- фрагментные и интегральные Первые моделируют компоненты циркуляционного контура АЭС (наибогее часто АЗ), вторые - циркуляционный кошур АЭС с основными улами и предназначены Д1я исспедования поведения контура в переходных и аварийных режимах

Объектом исследования явчяются имитаторы твэлов для исследования аварийных режимов и кризиса теплоотдачи на электрообогреваемых стендах.

Дуальность работы

Исследования аварийных и переходных режимов АЭС, определение запасов до кризиса теплоотдачи РУ проводят на з гектрообогреваемых стендах с использованием имитаторов твэчов прямого и косвенного нагрева Требованием нормативных документов, имеющих как российский так и международный статус, яв гяется необходимость использования крупномасштабных интегральных стендов для обоснования безопасности АЭС. Дтя соответствия современным мировым тенденциям исследований безопасности наиболее перспективной в обозримом будущем энергетической реакторной установки ВВЭР-1000 и, продолжающейся активно эксплуатироваться, не имеющей мировых аналогов, реакторной установки РБМК, в ФГУП ЭНИЦ введен крупномасштабный интегральный стенд безопасности НСБ ВВЭР-1000 и строится крупномасштабный интегральный стенд безопасности ПСВ РБМК Программа исследовании на этих стендах предполагает [2], [3].

-погучение по пгоценпых опытных данных дгя верификации системных тегпопгдравлических кодов применительно к аварийным переходным режимам АЭС, -экспериментальное обоснование новых систем безопасности; -проверка и отработка противоаварийных процедур.

При исследовании аварийных режимов АЭС на стендах основной задачей яв 1яется исследование температурных режимов твэлов.

1ребования, предъяв 1яемые к имитаторам твэлов в этом случае следующие

- имитатор твэла должен иметь близкие к твэлу теплофизические свойства;

- плотность теплового потока должна быть равна или выше плотности тепловою потока соответствующей номинальной д 1я твэла исследуемой Г'У;

- дчя фиксации температурных режимов имитатор твэла дочжен быть оснащен термопарами

1акие требования могут быть обеспечены в имитаторах твэлов косвенного нагрева. В настоящее время не существует имитаторов твэлов косвенного нагрева в полной мере удов ¡етворяющих вышеперечисленным требованиям

Основная трудность возникающая при изготовлении имитаторов твэюв прямою нагрева - обеспечение требуемой точности профи ш тепловыделения по всей его длине. В настоящее время профиль тепловыделения полномасштабных имитаторов твэюв прямою нагрева выполняется с помощью ступенчатою приближения. Применяемый способ гкнучения ступенчатою по дшне профичя теп ювыделения состоит в соединении между собой сваркой отдельных ступеней, отличающихся толщиной стенки оболочки. В местах стыковки ступеней при этом возникают значительные отклонения от заданною профиля имитатора твэла.

Таким образом, задача совершенствования известных и создания новых конструкции имитаторов тю юв, позво 1яющих с требуемой точностью обеспечивать моделирование аварийных режимов на этектрообогреваемых стендах явчяется актуальной научно-техническои задачей

Це.п>ю работы яв гяется разработка имитаторов твэ юв д 1я исследования аварийных режимов на этектрообогреваемых стендах безопасности и исследование их тенлофизических характеристик при этих режимах.

В соответствии с целью ставятся следующие задачи:

- разработка конструкций имитаторов твэтов косвенною напева с п ютностыо тепловою поюка, соответствующей номинальной д ш твэ юв РУ ВВЭР-1000 и РЬМК-1000,

- рафаботка конструкции имитатора твэ т прямою нафева с профилем теп ювыделения, моде шруютим с требуемой точностью профи и. теп ювыделения твэта.;

- исследование тетпофизических характеристик рафабоынных конструкций имитаторов твэлов косвенною нафева в стационарных и динамических условиях работы.

Научная повита исследований:

1. Впервые рафаботана конструкция и технопогия изютов ¡ения имитатора твэ 1а косвенною нафева с промежуточной оболочкой, позволяющая достичь предельно высоких плотностей теплового поюка дш имитаторов твэлов, выполненных по гехноюши изютов 1ения ГЭН

2 Впервые разработаны термометрированные имитаторы твэ юв косвенною нагрева с равномерным и неравномерным профи 1ем тепчовыделения с плотностью тстовою потока, соответствующей номинальной ,пя твэлов РУ ВВЭР-1000 и РБМК-1000

3. Впервые разработан полномасштабный имитатор твэла прямою нафева с заданной точностью моделирующий профиль тепловыделения твэла

4 Впервые выпо шено расчетно-экспериментальное определение теп юфизических характеристик разработанных имитаторов твэюв в стационарных и динамических условиях работы

Практическая значимость

Результаты выполнения диссертационной работы имеют следующую практическую ценность

1. Разработанные термометрированные имитаторы тв>лов косвенною нафева испо и>зовались ири проведении экспериментальных исследований на полномасштабном стенде ЭНИЦ ИСК ВВЭР-1000. Почучены уникальные экспериментальные данные по температурным режимам TBC ВВЭР-КЮО при разчичных аварийных режимах, которые используются для верификации как российских теилогидравлических кодов 'I РАН, КОРСАР, КАГИРА, так и западных кодов ATLET, CATHARE, RELAP.

2. Разработанные имитаторы прямою нагрева с неравномерным но дшне теп ювыделением испочьзовались при исследованиях кризиса теплоотдачи IBC ВВЭР-1500 и IBC PWR в РНЦ «Курчатовский институт» дня обоснования РУ ВВЭР-1500 и PWR

3. Результаты техно юг ических разработок внедрены на ОАО «Машиностроительный завод» ири изготовления имитаторов твэлов, разработанных конструкций.

На защиту выносятся:

1 Конструкция имитатора твэча косвенною нагрева с промежуточной обочочкои

2. Конструкция имитатора твэла прямого нагрева со ступенчатым но дшне профичем тепловыделения.

3. Результаты расчегно-эксперименталыюю опреде гения тен юфизических характеристик имитаторов твэ юв

Достоверность результатов ucaiedoeaituiï

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена экспериментальной проверкой всех технических решений, которые исиочьзованы в конструкциях имитаторов твэюв косвенною и прямого нагрева Проверка технических решений проведена при изюювчении опытных образцов в производственных условиях и испытаниях их на экспериментальных стендах, обеспечивающих параметры, соответствующие рабочим режимам ири экспериментальных исследованиях

Апробация работы

Основные положения работы бы ш до южены на1

- на отраслевой конференции в Обнинске, 29-31 мая 2001 I,

-на 4-ой международной научно-техническои конференции. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. 23-26 мая 2005 г. Подольск (2 доклада);

- на конференции по ядерным технологиям. Атомный форум в Нюремберге 2005г.;

- на международной молодежной ядерной конференции 9-14 мая 20041. Торонто, Канада

Публикации

Основные положения диссертационной работы изложены в 10 публикациях

Структура и объем диссертации

Настоящая диссертация состоит из введения, четырех клав, выводов и списка использованной литературы.

ВЫВОДЫ

1 Анализ известных конструкции имитаторов твэлов показал, что не существует универсальной конструкции улов отворяющей всем требованиям. Существующие конструкции имитаторов твэпов прямою нагрева не позволяют с удовлетворительной точностью моделировать профиль тепловыделения твэла Имитаторы твэлов косвенного нагрева требуют доработки конструкции в плане увеличения допустимой плотности теплового потока до значений, соответствующим номинальным для твэлов РУ ВВЭР-1000 и РБМК-1000, повышения надежности работы, приближения их теплофизических характеристик к характеристикам твэлов.

2. Впервые предтожены конструкция и технология изготовления имитатора твэла на базе 1ЭН, испо гьзующие промежуточную оболочку. Размещение термопар производится между промежуточной и основной оболочками, за счет чего достигается минимальная толщина и высокая теплопроводность электроизоляционного слоя. Экспериментальными исследованиями в стационарных условиях работы подтверждена работоспособность разработанной конструкции имитатора твэла косвенного нагрева при плотности теплового потока до 1,5 МВт/м2.

3. На базе предложенной конструкции имитатора твэла косвенною нагрева с промежуточной оболочкой разработаны конструкции имитаторов твэтов с п ютностыо теплового потока соответствующей номинальным значениям для твэлов ВВЭР-1000 и РБМК-1000. В имитаторе твэла РБМК впервые смоделирован разрыв по топливу между нижней и верхней частями Т ВС РУ РБМК.

4. Впервые предложена конструкция и технология изготовления имитатора твэла прямою нагрева, обеспечивающая получение профиля тепловыделения с заданной точностью.

5. На основании расчегно-экспсриментальных исследований определены теплофизические характеристики имитатора твэла косвенною нагрева и реального твэла в стационарных и динамических режимах. Показано, что характеристики имитатора твэла косвенною нагрева и реальною твэла близки. Последнее позволяет утверждать, что с помощью разработанных имитаторов твэлов косвенного нагрева с удов ютворительной точностью можно моделировать аварийные режимы.

6. С использованием разработанных имитаторов твэлов в ФГУП ЭНИЦ и РНЦ «Курчатовский институт» проведен широкий круг исследований аварийных режимов и кризиса теплоотдачи.

1. Смолин В.П., Шишов В.Н., Грачев В.И. и др. Некоторые проблемы крупномасштабных стендов безопасности. Атомная энергия, 2002, т.92, выи. 5, с.339-344.

2. Елкин И.В., Липатов И А., Мелихов В.И. и др. Общая программа экспериментальных исследований на крупномасштабном интегральном стенде ПСБ-ВВЭР. Годовой отчег ЭНИЦ ВНИИАЭС, 2001, с 20-26

3. Брус НА, Юсупов О Е , Миронов Ю.В. и др. Разработка программы экспериментов на интегральной установке ПСБ РБМК. Годовой отчег ЭНИЦ ВНИИАЭС, 2003, с.77-91

4. Балашов С.М., Виденеев E.H., Емельянов А.И. и др Разработка имитаторов твэтов ядерных реакторов с водяным теплоносителем. Теплоэнергетика, 1995, №1, с 52-55.

5. Решетников ф.Г., Бибилашвили Ю.К., Головнин И.С. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов Кн 1 Энерголтомиздаг, М ,1995,320с

6. Аден В Г, Болтенко Э А., Бтаговестова Г.И. и др. Исследование кризиса теплоотдачи и интенсификация тенлосъема в четырехстержневом пучке на воде и фрионе-12 применительно к РБМК. В сб.: Теплофизические исследования М • ВИМИ. 1977, с.67-74.

7. Болтенко Э А., Песков O.J1., Иометько P.C. Кризис теплоотдачи в стержневой сборке при отсутствии циркуляции воды в условиях натекания тепла из графитовой кладки. Препринт ФЭИ №1464,1983

8. Болтенко Э.А, Иометько P.C. Кризис теплоотдачи в стержневых сборках. Методы расчета и теп ювою моделирования В сб '1ен югндравлика 94. Ген юфизическиеаспекты безопасности АЭС с водо-охлаждаемыми реакторами. Обнинск, 1995, с.34-49.

9. Бобков В.П., Ефанов А.Д, Смог алев И.П. и др. Критические тепловые потоки в условиях неравномерного энерговыделения в сборках твэлов в треуюльной упаковке. 4-ая международная конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». 23-26 мая 2005 г. Подольск

10. Haire I.C., Brackett G.F. Boiling Water Reactor Full Length Emergency Cooling Heat Transfer (BWR-FLECHT) test project IN-1385, 1970.

11. Clase G., Hain К., Meyder R. Measuremet of Cladding Temperatures Wnth Loss-of-fluul Facnty. Nuclear Technology, 1985, v.69, №1, p.72-81.

12. Левчук C.B Разработка имитаторов твэл реакторов типа ВВЭР и применение их для изучения аварийных процессов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М , МЭИ, 1982

13. Балашов С.М., Кумской В В., Павлов AM и др Имитатор твэла для исследования аварийных тепло! идравлических процессов водо-водяных реакторов. Атомная энергия, 1992, т.73, вып. 6, с 470-474.

14. Белавин Ю.А., Евстшнеев М А, Чернявский А.Н. Трубчатые электронагреватели и установки с их применением Энергоатомиздат, 1989г.,160с

15. Piggott B.D , Duffey R.B. The quenching of irradiated fuel pins. Nuclear Engineering and Design, 1975, v 32, №2, p. 182-190.

16. Erbacher F., Neit/ei H, Wiehr K. The role of thermal hydraulics m PWR fuel cladding deformation and coolability in a LOCA. Results of the REBEKA program In . Prog Intern Sem. of'Ihermophysics-90. Obninsk, 1990.

17. Kcmnen T, Purhonen H. REWET II re flood experiment projec. Trans ANS, 1984, v.46, p 471-472.

18. Балашов С M, Виденеев Е Н, Вересов А.В и др. Электронагреватели для экспериментальных установок и атомных электростанций. Теплоэнергетика, 2002, №5, с 27-30.

19. Вересов А В Новые разработки мощных электронагревателей для науки и техники. Атомная энергия, 2002, т.92, выи 4, с 335-336

20. Anklam Т. An experimental and analytical investigation of uncovered core heat transfer under high pressure, low heat flux conditions. Nuclear Engineering and Design, 1982, v. 73, №3, p 411

21. Балашов C.M., Павлов A M., Емельянов А.И., Назаров B.C. Разработка имитаторов твэлов РБМК и АСГ. Атомная энер1ия, 1993,т.74, вып.2, с.104-108.

22. Балашов С.М , Болтенко Э.А., Виноградов В.А. Опыт разработки имитаторов твэл водо-водяных реакторов. Теплоэнер1етика, 1998, №12, с.52-57

23. Смолин В Н., Шишов В П., Емельянов А.И и др. Электронагреватели для теплофизических моделей твэлов Атомная энергия, 2000, т 89, вып 6, с 497-500

24. В Ф Сучков,В И Светлова,Финкель. Жаростойкие кабели с менеральнои изоляцией. М , Энерюатомиздат, 1984i.

25. Metal sheathed tubular. Kanthal handbook Catalogue 7-1-3-3 93.04,53p

26. Duncon I.D., Leohard I E. Emergency Cooling in Boiling Water Reactory under Smnlated Loss-of-coo!ant Conditions (BWR-FLECHT final report) GEAP-13197, 1971.

27. Патент № 3898431 МКИ H05I3 3/40, (США) Трубчатый э гектрический нагреватель в сборе с термопарами. Публикация от 05 08 75, т. 937, №1.

28. Akson S , Guentay S , Varad G. Theoretical investigations on thermal behavior or nuclear fuel and Neptun heater element. Transaction of ANS, 1980, v.35, p 328-330.

29. Carbajo J. Clodding critical thickness under rewetting conditions. Transaction of ANS, 1985, v.49, p 269 -270.

30. Sugimoto J., Sudo T, Murao J. Analitical study of thermal response similarity between fuel rods and nuclear fuel rods during reflood phase of PWR-LOCA J of Nuclear Science and Technology. 1986, v 23, №4, p 315-325.

31. Basin P. Experimental effects of oscillations and of fuel simulator structure on reflooding The 3rd JSME/ASME Joint International Conference Of Nuclear Engineering. Kyoto, apnl 23-27, 1995,229-235.

32. M.Maged ,G.Norbak, P.Wiman e.a. Experience using individually supplied heater rods in critical power testing of advansed BWR fuel. NURETH-7, 1998, p.2608-2620.

33. Балашов C.M., Коньков А С., Павпов A.M. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерною реактора А с №1340441, МКИ G 21 С 17/06.

34. Самсонов Г В., Виницкий И.П. Тугоплавкие соединения Справочник, Металлур1ия, 1976,558с

35. Электрическое оборудование. Справочник иод общей редакцией А П Альтгаузена. Энергия, М., 1967,487с.

36. Брус Н.А., Прокопенков А.А., Юсупов О Е и др. Разработка и испытание элементов оборудования для стенда ПСБ РБМК. Годовой отчет ЭИИЦ ВНИИАЭС, 2001, с 105114.

37. Ел кип И.В, Липатов И А, Дремин Г.И. и др. Экспериментальные исследования аварийных режимов РУ ВВЭР-1000 на крупномасштабной установке ПСБ-ВВЭР. Годовой отчег ЭИИЦ ВНИИАЭС, 2002, с 7-25.

38. Ншматулин Б И. Современные методы обоснования теплогидравлических аспектов безопасности атомных станции на крупномасштабных интегральных стендах. Теплоэнергетика, 1990,№ 8, с.21 27.

39. Сконкин Л 10 Обзор литературы но теме: «Моделирование аварий с малыми течами на АЭС с реакторами типа ВВЭР с помощью интегральных стендов. Основные критерии моделирования» Электрогорск, 1986

40. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. Изд 3-е, М., Энергия, 1975,488с

41. Тейлор Д/к. Введение в теорию ошибок. Пер с англ. М., Мир, 1985,272с.

42. Масленков С.Б., Масленкова Б А Стали и сплавы для высоких температур. Справочник Металургия, M , 1991,383с.

43. Патент России 22214010 MKH3G 21С17/06 Тепловыделяющая сборка/ Э.А. Бо гтенко, C.B. Зевалкин, H.A. Романов, С.И. Сергеев, ИЛ. Тимофеев// Заявка №2001122093 от 09.085.2001. Открытия Изобретения. 2002. №32.

44. Брус H.A., Миронов Ю.В., Афремов Д.А. и др. Основные задачи экспериментальных исследований аварийных и переходных режимов РБМК на интегральном теплогидравлическом стенде. Атомная энерг ия, 2005, т.99, вып 2, с.95-102.

45. Технический проект. Канал экспериментальный стенда ПСИ РБМК НИКИЭГ, M ,2000

46. Анохин AM, Богыпаков ВВ., Завальскии В.II. и др. Исследование кризиса теплоотдачи на 25-ти стержневой модели TBC реактора тина PWR. 2-я Российская конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» 15-17 марта 2005i. Москва.

47. Кириллов ПЛ., Юрьев Ю.С., Бобков ВН. Справочник по тегглогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). Энерг оатомнздат, 1990г.,360с.

48. Справочник но электротехническим материалам в 3-х т. Под редакцией