автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Исследование процессов перемешивания петлевых потоков теплоносителя в опускном канале и напорной камере реактора ВВЭР

На правах рукописи УДК 621.039

003485320

ЛИСЕНКОВ ЕВГЕНИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ПЕТЛЕВЫХ ПОТОКОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ОПУСКНОМ КАНАЛЕ И НАПОРНОЙ КАМЕРЕ РЕАКТОРА ВВЭР

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 НОЯ 2009

Подольск - 2009

003485320

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе Опытное Конструкторское Бюро "ГИДРОПРЕСС" (ОКБ "ГИДРОПРЕСС")

Научный руководитель: доктор технических наук

Юрий Алексеевич Безруков

Официальные оппоненты; доктор технических наук

Илья Владимирович Елкин

доктор технических наук Валентин Михайлович Махин

Ведущая организация: ОАО «Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций» (ОАО ЭНИЦ)

Защита состоится 17 декабря 2009 года в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д418.001.01 ОКБ "ГИДРОПРЕСС" по адресу: 142103, г. Подольск Московской области, ул. Орджоникидзе, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОКБ "ГИДРОПРЕСС".

Отзыв на автореферат диссертации в количестве двух экземпляров, заверенных гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 142103, г.Подольск Московской области, ул. Орджоникидзе, 21, ученый совет ОКБ "ГИДРОПРЕСС".

Автореферат разослан «^» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

А.Н. Чуркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Согласно Федеральной целевой программе "РАЗВИТИЕ АТОМНОГО ЭНЕРГОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА РОССИИ НА 2007-2010 ГОДЫ И НА ПЕРСПЕКТИВУ ДО 2015 ГОДА" предусматривается ускоренное строительство атомных электростанций и ввод в эксплуатацию 10 новых энергоблоков атомных электростанций общей установленной мощностью не менее 9,8 ГВт. Основная часть этих энергоблоков будет оснащена реакторными установками с ВВЭР. В России разрабатываются проекты перспективных реакторных установок с реакторами ВВЭР-600, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 и ВВЭР-1500. Одним из основных критериев, предъявляемых к этим реакторам, является повышение уровня безопасности для соответствия современным нормативным требованиям. Это требует тщательного расчетного и экспериментального обоснования проекта реакторной установки.

На данный момент для выполнения анализов безопасности РУ с ВВЭР наиболее широкое применение находят такие теплогидравлические одномерные коды, как RELAP, CATHARE, ATHLET, ТРАП, КОРСАР и другие. В спектре анализируемых аварийных и переходных процессов имеют место исходные события, приводящие к несимметричному пространственному возмущению температуры или концентрации борной кислоты на входе в активную зону реактора, что приводит к соответствующему локальному изменению мощности реактора и влияет на безопасность. К таким исходным событиям относятся разрыв паропровода, закрытие БЗОК на одной из петель, подключение ГЦН ранее не работавшей петли, подача конденсата либо раствора борной кислоты в одну из петель и т.д. Однако несимметричные трехмерные переходные процессы в проточной части реактора, вызванные вышеперечисленными исходными событиями, невозможно корректно моделировать с помощью одномерных программных средств, т.к. они имеют ярко выраженный пространственный характер. Реакция активной зоны реактора на переходные режимы, приводящие к формированию неоднородных условий на входе в активную зону, сильно зависит от степени перемешивания теплоносителя в опускном канапе и напорной камере реактора перед тем, как он достигнет активной зоны. Необходимо подчеркнуть, что одним из наиболее сложных трехмерных гидродинамических процессов в системе теплоносителя первого контура является процесс разбавления и транспорта бора. При проведении расчетной оценки допущения «идеального перемешивания» и «отсутствия перемешивания» могут дать большое разнообразие предсказываемых последствий в активной зоне реактора, причем первое допущение приведет к слишком оптимистичным результатам, а второе допущение может привести к излишне завышенной консервативной оценке. Необходим уточненный метод моделирования процесса перемешивания, позволяющий обоснованно снизить консерватизм расчетов при выполнении анализов безопасности для обоснования повышения мощности действующих, строящихся и проектируемых реакторов типа ВВЭР. Наиболее приближенные к реальным значениям результаты позволят получить трехмерное моделирование процессов в реакторе.

-4В настоящее время в ОКБ "ГИДРОПРЕСС" для выполнения проектных расчетов применяется ряд пространственных системных теплогидравлических кодов таких, как ТРАП-КС, ДКМ, КОРСАР/ГП и другие. В качестве поддержки применяются коммерческие CFD-коды типа CFX и STAR-CD, однако расчеты по ним требуют очень больших временных и компьютерных ресурсов. На данный момент указанные коды не верифицированы и достоверность расчетов по ним может бьггь подвержена сомнению.

Актуальность диссертационной работы заключается в предоставлении недостающих результатов экспериментальных исследований, моделирующих пространственное изменение параметров теплоносителя (концентрации борной кислоты или температуры), предназначенных для верификационных целей. Исследования проводились на 4-х петлевом стенде, сооруженном в ОКБ «ГИДРОПРЕСС».

Цель научного исследования

Целью диссертационной работы являлось получение экспериментальных данных по перемешиванию потоков с разной концентрацией борной кислоты или разной температурой применительно к реакторам типа ВВЭР, предназначенных для верификации 3-х мерных системных теплогидравлических кодов ТРАП-КС, ДКМ, КОРСАР/ГП, а также CFD кодов.

Научная новизна

1. Разработана методика исследования перемешивания петлевых потоков теплоносителя в опускном канале и напорной камере ВВЭР с использованием солевого трассера и кондуктометрического метода.

2. Впервые в России получены экспериментальные данные по перемешиванию потоков теплоносителя с разной концентрацией борной кислоты и с разной температурой в проточной части реактора на четырехпеглевом стенде, моделирующем реакторную установку с ВВЭР в масштабе 1:5.

3. Впервые в России были выполнены эксперименты по перемешиванию в условиях естественной циркуляции и разности плотностей основного теплоносителя и впрыскиваемой «пробки» конденсата. Выявлено существенное влияние разности плотностей на процесс перемешивания.

Практическая значимость

Экспериментальные данные по перемешиванию теплоносителя в опускном канале и напорной камере реактора использованы для верификации кодов ТРАП-КС, ДКМ, КОРСАР/ГП, а также CFD кодов. Расчетный код КОРСАР/ГП уже аттестован.

Применение верифицированных пространственных теплогидравлических кодов позволяет обоснованно снизить консерватизм расчетов при выполнении анализов безопасности для РУ с ВВЭР, что, в свою очередь, приводит к повышению конкурентоспособности проекта РУ на внутреннем и внешнем рынке.

В результате исследований установлено, что при попадании в реактор «пробки» конденсата в режиме естественной циркуляции разность плотностей теплоносителя в «пробке» и циркуляционном контуре сильно влияет на характер перемешивания в

опускном канале реактора и приводит к существенному снижению опасности реактивностной аварии.

Достоверность

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных методов измерения, неоднократным повторением каждого из экспериментов, анализом погрешностей, использованием предгестовых и посттестовых расчетов и подтверждена хорошим согласием с зарубежными аналогами.

Личный вклад автора в полученные результаты

Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в постановке задачи, оснащении средствами измерения экспериментальной установки, разработке программы и методики экспериментов, проведении экспериментов, обработке результатов исследований и выпуске научно-технических отчетов.

На защиту выносятся

Результаты экспериментальных исследований перемешивания теплоносителя первого контура в опускном канале и напорной камере реактора ВВЭР-1000 с применением кондуктометрической методики. Исследования проводились применительно к следующим режимам:

• перемешивание потоков теплоносителя с различной концентрацией бора при пуске ГЦН;

• перемешивание потоков теплоносителя с разной плотностью при восстановлении естественной циркуляции в процессе аварии с «малой» течью теплоносителя первого контура;

• перемешивание потоков теплоносителя при работе различного числа ГЦН и в условиях естественной циркуляции.

Апробация работы и публикации

По результатам работы сделаны сообщения на Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» в г. Подольске в 2007 и 2009 г.г.

Результаты экспериментов обсуждались на совместных встречах с французскими, германскими и итальянскими специалистами в рамках международного проекта TACIS R2.02/02 «Развитие средств анализа безопасности реактора ВВЭР-1000, включая переходные процессы с пространственным возмущением характеристик теплоносителя (температуры или концентрации бора) на входе в активную зону».

По теме диссертационной работы имеются публикации в рецензируемых журналах «Вопросы атомной науки и техники» и «Science and Technology of Nuclear Installations».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, 145 страниц текста, 108 иллюстраций и списка литературы из 32 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и практическая ценность диссертационной работы, показана целесообразность проведенных экспериментальных исследований и научная новизна, сформулированы решаемая научно-техническая задача, цель и основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о структуре и кратком содержании диссертации.

В первой главе рассмотрена проблема перемешивания теплоносителя первого контура, выполнен обзор экспериментальных данных по этой проблеме применительно как к реакторам ВВЭР, так и к западным реакторам Р\¥Я.

Изменение концентрации борной кислоты или температуры теплоносителя приводит в реакторах с водой под давлением к изменению реактивности. Поскольку от этого зависит безопасность работы РУ, все случаи отклонения от нормальных условий эксплуатации, связанные с изменением реактивности, предполагают экспериментальные и расчетные исследования. Наиболее опасными факторами являются разбавление концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура и снижение температуры теплоносителя первого контура, поскольку они приводят к введению положительной реактивности и увеличению мощности реактора.

Существует равновесное разбавление концентрации борной кислоты, которое предполагает медленное равномерное понижение концентрации борной кислоты вследствие ошибок оператора при борном регулировании или при попадании дистиллированной воды через уплотнение насоса подпитки, как это произошло на одном из блоков АЭС «Ловииза». Также равновесное разбавление концентрации борной кислоты возможно во время пуска блока. В рассматриваемых случаях изменение концентрации происходит относительно медленно и персонал имеет достаточно времени для произведения необходимых действий по осуществлению контроля за ядерной реакцией.

Неравновесное разбавление бора предполагает быстрое перемещение в активную зону реактора «пробок» конденсата, образовавшихся в одном из гидрозатворов циркуляционных петель (далее в тексте «пробкой» условно называется часть теплоносителя с резко отличающимися свойствами, например, по содержанию борной кислоты). В стояночном режиме в гидрозатвор может попадать конденсат из систем спецводоочистки, из системы нормальной подпитки и борного регулирования, из парогенераторов, если в них давление выше давления первого контура и существует неплотность трубок парогенераторов и т.д. При пуске ГЦН эта пробка конденсата быстро перемещается в сторону реактора и у оператора не имеется времени, чтобы оценить ситуацию и принять какие-либо действия. В случае аварии с «малой» течью конденсат может попадать в гидрозатвор из парогенератора. Это происходит тогда, когда в реакторе образуется уровень и через горячий трубопровод за счет естественной циркуляции пар поступает в парогенератор, там конденсируется и стекает по холодной нитке в гидрозатвор. В определенный момент гидрозатвор «пробивается» и конденсат перемещается в сторону реактора. Попадание пробки чистого конденсата в активную зону реактора чревато локальным ростом реактивности и возможным негативным воздействием на твэлы.

Другим фактором воздействия на реактивность может быть быстрое изменение температуры теплоносителя в отдельных участках активной зоны. Поступление в реактор потоков теплоносителя с разной температурой возможно в режимах с закрытием БЗОК на паропроводе одного из ПГ или в аварии с разрывом паропровода. В первом случае в аварийной петле происходит повышение температуры, а во втором случае наоборот понижение. Оба случая приводят к ассиметричному полю температур на входе в активную зону реактора. Однако наиболее опасным является режим с разрывом паропровода в неизолируемой части, который характеризуется резким снижением давления в аварийном ПГ и, как следствие, снижением температуры теплоносителя в аварийной петле. При отсутствии идеального межпетлевого перемешивания в реакторе возможно значительное перераспределение энерговыделений в активной зоне. В случае значительного расхолаживания первого контура и недостаточной эффективности введения отрицательной реактивности от ОР СУЗ и борного раствора возможно возникновение повторной критичности и увеличения мощности реактора.

Перемешивание теплоносителя позволяет уменьшить амплитуду изменения концентрации борной кислоты или температуры теплоносителя и тем самым смягчить ситуацию.

Анализ литературы показал, что исследованиями перемешивания потоков с разной концентрацией бора и температурой много занимались за рубежом, особенно в Германии, Франции, Швеции и Финляндии. В России подобные исследования были начаты в 1992 г.

В ОКБ «Гидропресс» на однопетлевой экспериментальной установке с моделью реактора в масштабе 1:5 были проведены в конце 90-х годов исследования по перемешиванию пробок конденсата применительно к реакторам ВВЭР с использованием температурной методики. Исследовались два вопроса, касающиеся проблемы разбавления бора. Первый - это влияние числа Рейнольдса на степень перемешивания потоков. Второй - изучение процессов перемешивания при моделировании восстановления естественной циркуляции.

Опыты первой серии были проведены при трех значениях расхода через реактор. Эти расходы соответствовали числам Рейнольдса от 0,9'106 до 4,0-106. На основании анализа проведенных экспериментов был сделан вывод, что в режимах с пуском ГЦН число Рейнольдса на характер перемешивания потоков с разной концентрацией бора не влияет.

В отличие от быстрого турбулентного перемешивания потоков с различной концентрацией бора при пуске ГЦН, сопровождаемого крупномасштабным вихреобразованием, перемешивание теплоносителя при восстановлении естественной .циркуляции - процесс более длительный и протекающий иначе. Во второй серии экспериментов с моделированием восстановления естественной циркуляции в аварии с «малой» течью опьгты были проведены для двух значений расходов. Были получены несколько иной режим изменения концентрации и характер прохождения пробки через активную зону, чем в опытах с пуском ГЦН.

Однако чувствительность результатов экспериментов к разности плотностей конденсата и основного теплоносителя не исследовалась. Следует отметить, что в

условиях естественной циркуляции, когда скорости теплоносителя достаточно низки, а времена исследуемых процессов достаточно велики, разность температур и плотностей конденсата, моделируемого холодной водой, и основного теплоносителя может оказывать существенное влияние на результаты экспериментов по перемешиванию с применением температурной методики. Также следует отметить, что при проведении исследований не было уделено внимание возможному влиянию на результаты экспериментов величины объема пробки конденсата. К недостатку исследований, отмеченных выше, следует отнести использование температурной методики, что может оказывать существенное влияние на результаты экспериментов по перемешиванию вследствие нестационарного теплообмена между теплоносителем и металлоконструкциями стенда и модели.

Эксперименты по изучению процессов массообмена и определению коэффициентов межпетлевого перемешивания в натурных условиях проводились в основном во время пуско-наладочных испытаний на этапах горячей обкатки и освоения мощности на реакторах ВВЭР-440, а также на многих блоках с реакторами ВВЭР-1000, начиная с 5 блока Ново-Воронежской АЭС. После анализа экспериментальных данных, полученных на 9 блоках с реакторами ВВЭР-1000, были отмечены следующие общие закономерности:

• каждый петлевой поток занимает в проточном тракте реактора соответствующий ему сектор;

• на большинстве блоков наблюдалось значительное угловое смещение сектора, присущего одной петле, в сторону другой петли. Смещение обычно происходило против часовой стрелки, если смотреть на реактор сверху;

• величина углового смещения оказывает большое влияние на степень перемешивания петлевых потоков в проточном тракте реактора.

Применительно к реакторам ВВЭР-440 было также выявлено отчетливое секторное течение в активной зоне с угловым поворотом потоков.

Также был проведен анализ экспериментальных данных по проблеме перемешивания применительно к западным реакторам PWR, полученных на экспериментальных установках ROCOM (Германия) и Vattenfall (Швеция). При сравнении западных и отечественных исследований были получены достаточно схожие результаты. Однако вследствие конструктивных отличий реакторов PWR и ВВЭР, а также коммерческих причин результаты западных экспериментов затруднительно использовать для верификации отечественных кодов.

В первой главе также представлено состояние дел с верификацией трехмерных теплогидравлических кодов. Отмечены сложность этой актуальной научно-технической задачи, а также затруднительность выполнения требований Ростехнадзора к составу и содержанию отчета о верификации в части достаточности информации, включенной в матрицу верификации. В рамках международного сотрудничества с организацией OECD была проанализирована экспериментальная база данных и разработан отчет «Матрицы верификации теплогидравлических кодов для ВВЭР». Из всех экспериментальных установок, рассматриваемых в данном документе, лишь одна, упомянутая выше «однопетлевая» установка, отмечена как пригодная для

моделирования процессов перемешивания и транспорта бора применительно к ВВЭР-1000, несмотря на ее явные недостатки.

Надо сказать, что процесс верификации системных теплогидравлических кодов идет в настоящее время с использованием имеющихся экспериментальных данных. И, например, такие программные комплексы как ТРАП-КС и КОРСАР/ГП уже подтверждают способность в целом по установке рассчитывать переходные процессы, моделирующие межпетлевое перемешивание теплоносителя для несимметричных возмущений параметров на входе в активную зону при работе всех ГЦН. Однако для получения более полных выводов необходимо провести верификационные расчеты новых экспериментов.

Таким образом, можно сказать, что существует дефицит верификационных материалов и назрела необходимость создания новой, более совершенной экспериментальной установки и проведения на ней исследований процессов перемешивания теплоносителя. Эта актуальная научно-техническая задача и решается в диссертации.

Во второй главе приведены анализ причин и группирование исходных событий, приводящих к формированию неоднородных условий на входе в активную зону реактора. Проанализированы внешние и внутренние причины, ведущие к понижению концентрации борной кислоты или температуры теплоносителя. Перечислены основные исходные события проектных аварий и переходных процессов, приводящих к формированию неоднородных условий на входе в активную зону реактора и подлежащих анализу в «Отчете по обоснованию безопасности АС». Показана потенциальная опасность для РУ в результате физических воздействий от вышеупомянутых исходных событий.

Для составления матрицы экспериментов и проведения исследований по перемешиванию потоков теплоносителя было предложено объединить в группы исходные события, приводящие к формированию неоднородных условий на входе в активную зону. Группирование исходных событий осуществлялось по специфичным признакам, позволяющим в дальнейшем иметь единые условия протекания экспериментального процесса, а также выделить наиболее значимые режимы, которые будут являться представителями групп исходных событий в матрице экспериментов. При группировании исходных событий учитывалось, что в настоящих исследованиях не предполагается полностью моделировать ту или иную аварийную последовательность и основной задачей является изучение перемешивания теплоносителя. В качестве отличительных признаков для группирования исходных событий и выделения наиболее значимых режимов использовались такие факторы, как условия равновесия протекания процессов перемешивания, режим течения теплоносителя, влияние на безопасность.

В результате было сформировано три группы режимов и выделены представители групп в матрице экспериментов:

Первая группа. Режимы с транспортом в активную зону пробки конденсата при пуске ГЦН. Режим-представитель: «Образование «пробки» конденсата в гидрозатворе циркуляционной петли и транспорт ее на вход в активную зону в результате пуска ГЦН»

Вторая группа. Режимы с транспортом в активную зону пробки конденсата при восстановлении естественной циркуляции. Режим-представитель: «Образование «пробки» конденсата в гидрозатворе циркуляционной петли в аварии с «малой» течью и транспорт ее на вход в активную зону в результате восстановления естественной циркуляции»

Третья группа. Режимы с равновесным изменением параметров теплоносителя в одной из циркуляционных петель при постоянном расходе через реактор. Режим-представитель: «Разрыв паропровода в неизолируемой части».

Во второй главе также были осуществлены выбор экспериментальных режимов и формирование матрицы экспериментов. При определении перечня и режимных параметров экспериментов основным руководством служили следующие условия и требования:

• масштаб модели реактора по отношению к ВВЭР-1000 равен 1:5;

• длина циркуляционных трубопроводов и объем расширительных сосудов приняты такими, чтобы время оборота теплоносителя по петле соответствовало натурному;

• параметры экспериментов должны бьггь максимально приближены к натурным параметрам с учётом масштабного фактора и возможностей стенда.

Для каждой из вышеописанных групп режимов, подлежащих экспериментальным исследованиям, распределением теплоносителя управляют три различные силы:

• для режимов с пуском ГЦН это инерционные силы, характеризующиеся

* для режимов с восстановлением естественной циркуляции это гравитационные силы, характеризующиеся критерием Фруда

* для режимов с постоянным расходом теплоносителя через реактор это силы трения, характеризующиеся критерием Рейнольдса

Приведенные в соотношениях (1), (2), (3) критерии использовались в качестве критериев подобия при осуществлении выбора экспериментальных режимов и параметров экспериментов. При формировании матрицы экспериментов также учитывался дефицит экспериментальных данных по перемешиванию теплоносителя применительно к ВВЭР-1000 и недостатки ранее проводимых экспериментов.

В первой группе экспериментов варьировался объем пробки конденсата, подаваемой в реактор при пуске ГЦН. Во второй группе экспериментов варьировалось соотношение плотностей теплоносителя в пробке и циркуляционном контуре при подаче пробки конденсата в условиях восстановления естественной циркуляции. В

числом Струхаля

(1)

(2)

третьей группе экспериментов варьировалось количество ГЦН, работающих в исходном состоянии. Расходы по циркуляционным петлям для всех групп экспериментов определялись из условия равенства критерия Струхаля на модели и в натурных условиях.

В результате была сформирована матрица экспериментов, приведенная в таблице 1. Таблица 1 - Матрица экспериментов

Номер опыта Расход циркуляции по петлям 1-4, м3/ч Расход впрыска в петли 1-4, мэ/ч Концентрация, г/кг Примечания

01 (?2 <2э <24 41 42 Чэ Ч< с„ Сг

Эксперименты с имитацией транспорта пробки конденсата в активную зону реактора при пуске ГЦН "Упр, м3

1 о. т. О. Т. О. т. 220 - - - - 0,0-1,0 5±0,5 0,072

2 о. т. о. т. О. т. 220 - - - - 0,0-1,0 2±0,5 0,12

Эксперименты с имитацией транспорта пробки конденсата в активную зону реактора при восстановлении естественной циркуляции Рпр/Рконт

3 0 0 0 20 - - - - 0,0-1,0 5±0,5 1,05

4 0 0 0 20 - - - - 0,0-1,0 5±0,5 1,0

5 0 0 0 20 - - - - 0,0-1,0 5±0,5 0,98

Эксперименты с имитацией несимметричного впрыска конденсата при работе различного количества ГЦН ТВПр» С

6 172 172 172 172 0 0 0 14 0,0-1,0 10+0,5 60

7 20 20 20 20 0 14 0 0 0,0-1,0 5±0,5 60

8 172 172 О. т. 172 0 14 0 0 0,0-1,0 10±0,5 60

9 172 172 О. т. о. т. 0 14 0 0 0,0-1,0 10±0,5 60

10 о. т. 172 0. т. о.т. 0 14 0 0 1 0,0-1,0 10±0,5 60

Примечание: 1) Объём пробки в экспериментах при восстановлении естественной циркуляции - 0,072 м3; 2) Концентрация трассера выбиралась, исходя из технических условий проведения экспериментов.

Обозначения, принятые в таблице 1:

• Упр - объём пробки, м3;

• С0 - начальная концентрация трассера в циркуляционном контуре, г/кг;

• Ст - концентрация трассера в баке раствора соли, г/кг;

• Рщ/Рчопт - соотношение плотностей воды в пробке и циркуляционном контуре;

• т„пр - продолжительность впрыска трассера, с;

• о.т. - обратный ток.

В третьей главе приведено описание экспериментальной установки, методики проведения исследований и обработки экспериментальных данных, выполнен анализ погрешностей.

Экспериментальная установка

моделирует РУ с ВВЭР-1000 и имеет четыре циркуляционные петли с моделью реактора и с компенсатором давления. Основные параметры: температура теплоносителя от 20 до 40 °С, расход по циркуляционной петле от 10 до 300 м3/ч. Принципиальная пространственная схема установки приведена на рисунке 1.

Основой экспериментальной установки является металлическая модель реактора ВВЭР-1000 в масштабе 1:5, в которой смоделирована геометрия проточной части реактора блока № 5 Нововоронежской АЭС, начиная от входных патрубков и до входа в активную зону. Модель реактора изображена на рисунке 2.

Активная зона имитируется не полностью. Вместо имитаторов TBC и блока защитных труб в модели реактора установлена «кассета», представляющая собой пучок из 91 трубы диаметром 14x2 мм, собранный с помощью трвх дистанционирующих решёток, которыми моделируется гидравлическое сопротивление активной зоны и блока защитных труб. Через крышку модели в эти трубки устанавливаются штанги с кондуктометрическими датчиками.

Экспериментальная установка имеет главный циркуляционный контур, состоящий из четырёх петель и вспомогательных систем для заполнения и продувки циркуляционного контура, подготовки и впрыска раствора соли. В каждой из циркуляционных петель установлен расширитель, который

предназначен для моделирования объёмного соотношения теплоносителя на стенде и в реакторной установке. С циркуляционной петлей № 2 соединен компенсатор давления.

1 - циркуляционный насос; 2 - расширитель; 3 - напорная нитка петли; 4 - обратная нитка петли; 5 - модель реактора; б - расходомерное устройство;

7 - компенсатор давления Рисунок 1 - Схема четырёхпетлевого стенда

1 - корпус, 2 - нижняя часть шахты реактора, 3 - шахта реактора, 4 - «кассета», 5 - выгородка, 6 - зонды с кондуктометрическими датчиками Рисунок 2 - Модель реактора

Остальные петли идентичны этой, кроме петли №4, в которой установлены две дополнительные задвижки для имитации гидрозатвора с накопившимся в нем конденсатом посредством формирования между задвижками пробки трассера. Циркуляционные насосы в петлях имеют частотно-регулируемый привод для регулирования производительности. Расходы по петлям измеряются с помощью электромагнитных расходомеров фирмы YOKOGAWA с погрешностью 0,35 % от текущего значения. Для исследования процесса перемешивания использовалась солевая методика, предусматривающая введение в контур экспериментальной установки (в объём пробки или в одну из циркуляционных петель) в качестве трассера раствора соли NaCl. Система подготовки и ввода раствора соли в ГЦК стенда включает: бак подготовки раствора соли, насос-дозатор, быстродействующий клапан и сливной бак. Расходы вводимого в каждую петлю раствора соли измеряются электромагнитными расходомерами фирмы YOKOGAWA с погрешностью 0,35 %, излишки теплоносителя воспринимаются компенсатором давления. Впрыск солевого раствора осуществлялся в трубопровод непосредственно перед циркуляционными насосами.

Во время экспериментов фиксировались следующие параметры:

• расходы теплоносителя по петлям и расходы трассера по линиям впрыска;

• перепад давления на модели реактора;

• давление в компенсаторе давления

• уровни в баках и в компенсаторе давления;

• температуры теплоносителя и солевого раствора.

Для измерения концентрации соли использовались кондуктометрические датчики, которые установлены:

• на входе в модель активной зоны реактора - 90 датчиков;

• по одному на входных и выходных патрубках модели реактора;

• один датчик на линии подачи раствора соли.

На рисунке 3 приведена схема расположения кондуктометрических датчиков на

входе в активную зону. Кондуктометрические датчики измеряют проводимость среды в точке расположения измерительного

электрода. Пересч&г проводимостей в концентрацию раствора осуществлялся на основе калибровки, которая проводилась непосредственно перед проведением опыта с применением эталонного электронного кондуктометра "Эксперт-002", проходящего ежегодную поверку в Росттесте.

Вторичная аппаратура системы измерения концентрации соли, расходов, температуры, технологического КИП имеет интерфейс связи с измерительным комплексом SCXI фирмы National Instruments.

петля Jfe 1

Рисунок 3 - Схема расположения

кондуктометрических датчиков на входе в активную зону (вид на модель сверху)

С использованием калибровочных характеристик, полученных до проведения эксперимента, определялись фактические значения концентраций в каждой точке, где были установлены кондуктометрические датчики. Представление экспериментальных результатов и их анализ выполнено с помощью безразмерной (относительной) концентрации, определяемой по следующей формуле:

(4)

ч - ч>

где, С< (х, у, г, т) - текущее значение концентрации в точке измерения, г/кг;

• Со -начальная концентрация в циркуляционном контуре, г/кг;

* С1 -концентрация раствора, инжектируемого в циркуляционный контур, г/кг

Выбор граничных значений Со и С1 обусловлен тем, что в этом случае повышается

точность определения безразмерной концентрации. Чтобы охарактеризовать распределение концентраций на входе в активную зону, в диссертационной работе приводятся контурные графики для различных моментов времени. Средняя безразмерная концентрация по сечению входа в активную зону определялась для каждого момента времени, при этом использовались также расчетные осредненные безразмерные концентрации в тех точках, где кондуктометрические датчики не были установлены.

1 /=151

е»(т)=т~Ев,00 (5)

151

концентрации соли

в растворе формируется

Погрешность определения следующими составляющими:

• погрешность определения концентрации соли в эталонном растворе;

» погрешность датчика и электронной системы определения проводимости;

• погрешность аппроксимирующей зависимости, описывающей связь проводимости в зависимости от солесодержания и температуры;

• погрешность, определяемая осреднением результатов одинаковых опытов.

Концентрация соли в циркуляционном контуре перед началом и после окончания

опыта определялась с помощью кондуктометра "Эксперт-002" с погрешностью ± 2,0 %. Погрешность, обусловленная флуктуацией сигнала, была рассмотрена на основе анализа показаний отдельных датчиков в нескольких повторяющихся опытах. Ее максимальное значение составило ±5,8 %. Сюда же входит погрешность аппроксимирующей зависимости, описывающей связь проводимости в зависимости от солесодержания и температуры, а также погрешность датчика и электронной системы определения проводимости.

Безразмерная концентрация, приведенная в уравнении (4), является косвенно определяемой величиной. Следовательно, абсолютная максимальная погрешность безразмерной концентрации может быть записана в общем виде как

Щх,у,г, т) = ±

89

дотн (х, у, г, т)

изм +

дв

да,

■А ап +

дв

да.

Дет

\

(б)

Суммарная погрешность определения концентрации в одном опыте может быть в упрощенном виде записана как

^ = ^ + О)

где ст; - погрешность определения концентрации в каждом опыте;

• ст„ - погрешность определения концентрации в циркуляционном контуре перед началом опыта;

• Ст| - погрешность определения концентрации в циркуляционном контуре по окончании опыта;

• стшы - погрешность измерения, включающая погрешности датчика, электронной системы и погрешность за счет флуктуации сигнала.

Суммарная максимальная погрешность для одного опыта равна

ст, =л/22 + 22 +5,82 =^/41,64 = 6.45% (8)

Поскольку каждый эксперимент проводился пять раз и по ним определялось среднее значение безразмерной концентрации, то для оценки погрешности малой выборки измерений использовалось распределение Стьюдента.

х-а, 2,776-6,45 ОП111,

где х - квантиль распределения Стьюдента с уровнем доверия 95 %; п - число опытов

Таким образом, суммарная погрешность определения безразмерной концентрации при уровне доверия 95 % составила ± 8,01 %.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований. Эксперименты проводились в соответствии с матрицей, приведенной в таблице 1.

В первой группе экспериментов варьировался объем пробки конденсата, подаваемой в реактор при пуске ГЦН. В эксперименте 1 объем пробки составлял 72 литра, в эксперименте 2 он составлял 120 литров. В результате запуска ГЦН в петле 4 устанавливалась принудительная циркуляция с расходом около 220 м3/ч, в остальных петлях устанавливался обратный ток. На рисунках 4 и 5 приведены контурные графики изменения безразмерной концентрации на входе в активную зону (вид на модель сверху) в экспериментах 1 и 2 соответственно. Значение концентрации осреднено по пяти опытам.

Характер течения на входе в модель активной зоны определяется работой ГЦН петли 4. Сначала концентрация трассера начинает повышаться в противоположной относительно петли 4 периферийной части активной зоны, затем начинает увеличиваться концентрация трассера в районе петли 4, и лишь потом происходит относительно равномерное заполнение сечения на входе в активную зону трассером. Аналогично впоследствии происходит течение конденсата через сечение на входе в активную зону.

В целом по результатам первой группы экспериментов применительно к реакторным условиям можно сказать следующее. В режимах с включением ГЦН одной из циркуляционных петель поток теплоносителя движется в кольцевом зазоре, огибая шахту реактора При этом увеличение объема пробки конденсата, сформированной в гидрозатворе циркуляционной петли, не влияет на характер течения теплоносителя, но

приводит к более глубокому возмущению на входе в активную зону. Соответственно, можно сделать заключение, что с увеличением объема пробки конденсата, транспортируемой в реактор при пуске ГЦН, увеличивается степень разбавления борного раствора в активной зоне, а следовательно увеличивается потенциальная опасность повреждения твэл.

Петля №4 г -28 с Петая №4 т-29с Петая №4 г = 29,5 с Петля N¡¡4 т-30,5 с

Петля №4 >"31 о Петля №4 >-32с ^^ 1 = 33с ^^ т„34с

Рисунок 4 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону.

Эксперимент 1

I ° етля №4 т = 27 с Петля №4 т = 28 с Петля Ха4 г = 28,5 сПетля №4 т = 29 с

А А

Петля №4 >=29,5 сПетля №4 > - 30,5 спетля №4 > = 32 с Петля №4 т-37с Рисунок 5 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону.

Эксперимент 2

Во второй группе экспериментов варьировалось соотношение плотностей теплоносителя в пробке и циркуляционном контуре при подаче пробки конденсата в условиях восстановления естественной циркуляции. В эксперименте 3 моделировалась «тяжелая» пробка, в эксперименте 4 моделировалось равенство плотностей теплоносителя в пробке и циркуляционном контуре, в эксперименте 5 моделировалась «легкая» пробка. На рисунках 6-8 приведены контурные графики изменения безразмерной концентрации на входе в активную зону (вид на модель сверху) в экспериментах 3, 4 и 5 соответственно. Значение концентрации осреднено по пяти опытам.

Характер течения теплоносителя в опускном канале модели реактора и перемешивание пробки с трассером определяется расходом теплоносителя на уровне 20 м3/ч и разностью плотностей теплоносителя в пробке и циркуляционном контуре.

Рисунок 6 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону. Эксперимент 3

Петля №4 т-80 с Петля №4 1-87 с Петля №4 т-100с Петля №4 т-]20с

Рисунок 7 - Изменение относительной концентрациина входе в активную зону. Эксперимент 4

Рисунок 8 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону.

Эксперимент 5

В целом по результатам второй группы экспериментов применительно к реакторным условиям можно сказать следующее. В режимах с естественной циркуляцией в условиях малого скоростного напора перемещение пробки конденсата сильно зависит от разности плотностей пробки и основного теплоносителя. При

равенстве плотностей пробка перемещается совместно с теплоносителем, при этом на входе в активную зону наблюдаются максимальные изменения концентраций. В случае «тяжелой» пробки конденсат опускается на дно нижней камеры реактора и вымывается оттуда постепенно за длительное время, начиная с периферии. Величина возмущения концентраций на входе в активную зону при этом уменьшается. Подобный же результат имеет место при перемещении «легкой» пробки. Только в этом случае пробка конденсата накапливается в верхней части опускного канала под разделительным буртом и также постепенно вымывается оттуда.

В третьей группе экспериментов варьировалось количество ГЦН, работающих в исходном состоянии. В эксперименте 6 моделировалась работа всех ГЦН, в эксперименте 7 моделировалась естественная циркуляция, в эксперименте 8 моделировалась работа трех ГЦН, в эксперименте 9 моделировалась работа двух ГЦН, в эксперименте 10 моделировалась работа одного ГЦН. На рисунках 9-13 приведены контурные графики изменения безразмерной концентрации на входе в активную зону (вид на модель сверху) в экспериментах 6, 7, 8, 9 и 10 соответственно. Значение концентрации осреднено по пяти опытам.

В целом по результатам третьей группы экспериментов применительно к реакторным условиям можно сказать следующее. При осуществлении впрыска конденсата в циркуляционную петлю реакторной установки в режимах работы четырех, трех и двух ГЦН, а также в условиях естественной циркуляции на входе в активную зону формируется сектор с пониженной концентрацией борного раствора.

Отличие от остальных экспериментов третьей группы с точки зрения формирования сектора составляет эксперимент 10, моделирующий работу одного ГЦН. При осуществлении впрыска трассера в циркуляционную петлю экспериментальной установки в режиме работы одного ГЦН формирование сектора с пониженной концентрацией трассера отсутствовало и имело место достаточно равномерное распределение трассера на все сечение активной зоны.

В процессе проведения третьей группы экспериментов был обнаружен эффект закрутки потока теплоносителя в опускном канале модели реактора против часовой стрелки. Данный эффект проявился в экспериментах 6, 8, 9 и отсутствовал в эксперименте 7, моделирующем условия естественной циркуляции, а также в эксперименте 9, в котором сектор не формировался. Как уже отмечалось ранее, закрутка потока оказывает существенное влияние на степень перемешивания в опускном канале и напорной камере реактора.

В целом по результатам экспериментов можно сказать, что они имеют хорошее согласие с результатами исследований по перемешиванию теплоносителя, полученными ранее. Результаты экспериментов продемонстрировали ярко выраженный пространственный характер распределения трассера в модели реактора и могут быть использованы для верификации расчетных кодов. Достоверность экспериментов подтверждается их многократным повторением.

§А§§

^^шР^ уРш^

Петля №4 t = 33 с Петля №4 т = 38с Петля №4 т«53с Петля №4 т = 73с ^ оп

| йщЯячи

Е МШ? МШ ЯШ у

Петля №4 Ч-18С Петля №4 т-93с Петля №4 т- 110 с Петля №4 т»145с Рисунок 9 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону.

Эксперимент 6

Петля №2 Петля №2

Петля №2 /

т-82с т = 95 с т= 115 с т- 135

Петля №2 Петля №2 Петля №2 Петля №2

Рисунок 11 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону.

Экспепимент 8

Рисунок

10 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону. Эксперимент 7

т-53 с

■ Петля №2 Петля

t - 28 с т - 33 с

Петля №2 Петля

/

Рисунок 12 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону.

Экспецимент 9

т-70 с

т = 28 с

т-80с

^ПетляЛЦ

т = 40 с

Петля

*"88с т = 98 с т- 118 с т = 250 с

Рисунок 13 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону.

Эксперимент 10

В пятой главе приведено сравнение результатов

экспериментов с результатами расчетов по CFD - кодам.

Для проведения расчетного анализа экспериментов

использовался коммерческий CFD код ANSYS CFX-10.0. Для построения твердотельной модели использовалась система трехмерного проектирования Solid Works.

Твердотельная модель необходима при разработке сетки расчетной области. Для CFD моделирования гидродинамических процессов

перемешивания теплоносителя

Рисунок 14 - Фрагменты расчетной модели

создана трехмерная расчетная модель экспериментальной установки. Расчетная сетка с детальным симулированием модели реактора была разработана с помощью пакета АЫвУв ГСЕМ-СИО 10.0 с использованием модульного подхода. Расчетная модель отражает натурную геометрию модели реактора и стенда и является полномасштабной гидродинамической СРР-моделью экспериментальной установки. Общее число расчетных ячеек в модели реактора составило порядка 6,5 миллионов. Иллюстрации с примерами фрагментов расчетной модели приведены на рисунке 14.

Далее приводится сравнение результатов расчетов и экспериментов для первой группы режимов. На рисунке 15 приведены контурные графики изменения

Рисунок 15 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону. Сравнение результатов расчета и эксперимента 1

безразмерной концентрации на входе в активную зону в эксперименте 1 (верхний ряд) и расчете этого эксперимента (нижний ряд). Характер распределения трассера по сечению на входе в активную зону в расчете совпадает с экспериментальными данными. Сначала начинает повышаться концентрация соли в противоположной относительно петли 4 периферийной части активной зоны, затем начинает увеличиваться концентрация соли в районе петли 4, и лишь потом происходит относительно равномерное заполнение сечения на входе в активную зону трассером. Аналогично, происходит течение конденсата через сечение на входе в активную зону. На рисунке 16 приведены графики изменения безразмерной концентрации для отдельных датчиков на входе в активную зону в эксперименте 2.

Сравнение результатов расчета и эксперимента 2

Видно хорошее совпадение результатов расчета и эксперимента, как по времени, так и по амплитуде возмущения.

По результатам второй группы экспериментов было сделано заключение о стратификации трассера и основного теплоносителя в опускном канале реактора. В случае «тяжелой» пробки (эксперимент 3) конденсат опускается на дно нижней камеры реактора и вымывается оттуда постепенно за длительное время, начиная с периферии. Величина возмущения концентраций на входе в активную зону при этом уменьшается. Подобный же результат имеет место при перемещении «легкой» пробки (эксперимент 5), только в этом случае пробка конденсата накапливается в верхней части опускного канала под разделительным буртом и также постепенно вымывается оттуда. Аналогичный результат был получен в расчете. На рисунках 17 и 18 показано распределение трассера в проточном тракте модели реактора в экспериментах 3 и 5.

моменты времени. Результаты расчета эксперимента 3

Рисунок 18 - Распределение трассера в проточном тракте модели реактора в различные моменты времени. Результаты расчета эксперимента 5

На рисунке 19 приведены графики изменения безразмерной концентрации для отдельных датчиков на входе в активную зону в эксперименте 4. Видно хорошее совпадение результатов расчета и эксперимента, как по времени, так и по амплитуде возмущения.

По результатам третьей группы экспериментов было сделано заключение о том, что впрыск конденсата в циркуляционную петлю в процессе работы различного количества ГЦН приводит к формированию сектора на входе в активную зону с пониженной концентрацией борного раствора, за исключением случая с работой одного ГЦН. Формирование сектора в этом случае отсутствует. Аналогичный результат был получен в расчете.

Рисуиок 19 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону. Сравнение результатов расчета и эксперимента 4

На рисунке 20 показано распределение трассера на входе в активную зону в экспериментах 7, 8 и 10 и расчете в различные моменты времени исследуемых процессов. Видно хорошее совпадение результатов расчетов и экспериментов.

Однако с помощью расчетных методов не удалось смоделировать закрутку теплоносителя в опускном канале и напорной камере модели реактора. В качестве

Экспериментальные данные

Рисунок 20 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону. Сравнение результатов расчета и А) - эксперимента 7, Б) - эксперимента 8, В) - эксперимента 10

Расчет по А^УБ СРХ

Экспериментальные Расчет по

данные АШУЭ СБХ

»¿•г»!*

® «5 «'т'»

б,*:-:"

примера на рисунке 21 приведены контурные графики изменения безразмерной концентрации на входе в активную зону в эксперименте 9 и расчете.

Экспериментальные данные

Расчет по АИБУЗ СРХ

Экспериментальные данные

Расчет по АМБУБ СРХ

1|8

а - ¡«" -.и

в. 'га ;я

ь

0.16 0.14 0.12 0.11 0.09 0.07 0.06 0.04 0.03 0.01 0.00

Рисунок 21 - Изменение относительной концентрации на входе в активную зону. Сравнение результатов расчета и эксперимента 9

Видно, что в эксперименте сектор повернут против часовой стрелки примерно на 30 градусов, в то время как в расчете данный эффект отсутствует. Причины возникновения эффекта закрутки потока в настоящее время точно не установлены, и в дальнейшем эту проблему надо исследовать.

В общем, по результатам расчетов можно сделать заключение о том, что экспериментальный процесс перемешивания потоков теплоносителя описывается расчетом качественно и количественно достаточно хорошо, за исключением эффекта закрутки потока.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Решена актуальная научно-техническая задача по созданию экспериментальной установки и проведению на ней исследований процессов перемешивания теплоносителя в опускном канале и напорной камере ВВЭР. Полученные данные использованы для верификации программных средств.

2. Выполнен анализ ситуаций при эксплуатации реакторных установок с ВВЭР, когда вследствие отказов оборудования или ошибок персонала возможно попадание в активную зону реактора потоков теплоносителя с пониженной концентрацией борной кислоты или пониженной температурой. Показано значительное влияние этих ситуаций на безопасность реакторной установки и обоснована необходимость экспериментального исследования. Анализ известной литературы показал недостаток экспериментальных данных применительно к ВВЭР.

3. Из всей совокупности ситуаций, связанных с изменением температуры или концентрации борной кислоты на входе в реактор, были отобраны режимы, подлежащие экспериментальным исследованиям с учетом степени важности для безопасности АЭС и характера воздействия на оборудование и элементы РУ. Экспериментальные режимы для проведения исследований были смоделированы с использованием критериев подобия Струхаля, Фруда и Рейнольдса. Определены параметры экспериментов, сформирована матрица экспериментов.

4. Для измерения концентрации трассера была использована кондуктометрическая методика, которая имеет существенные преимущества перед

температурной методикой вследствие отсутствия теплообмена между теплоносителем и конструктивными элементами оборудования.

5. В процессе исследований выполнено десять различных экспериментов по перемешиванию потоков теплоносителя в проточной части модели реактора ВВЭР-1000, причем каждый эксперимент для статистической надежности был повторен, как минимум, пять раз. Результаты экспериментов продемонстрировали ярко выраженный пространственный характер распределения концентраций трассера по сечению модели реактора.

6. В результате исследований установлено, что при поступлении пробки конденсата в реактор в условиях естественной циркуляции разность плотностей теплоносителя в пробке и циркуляционном контуре сильно влияет на характер перемешивания в опускном канале реактора. «Легкая» или «тяжелая» пробка задерживается в опускном канале и напорной камере реактора и процесс проникновения конденсата в активную зону реактора растягивается во времени. Данный эффект существенно снижает опасность реактивностной аварии.

7. Получено хорошее согласие результатов расчетов, выполненных с помощью CFD кода ANSYS CFX, с результатами проведенных экспериментов, что создает предпосылки для расчетного моделирования режимов, связанных с перешиванием потоков с различной концентрацией борной кислоты или температуры.

8. Результаты экспериментальных исследований обсуждены широким кругом специалистов и рекомендованы для верификации расчетных кодов. Создан Российский банк данных для верификации пространственных теплогидравлических кодов, предназначенных для обоснования безопасности РУ с ВВЭР.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Е.А. Лисенков, Ю.А. Безруков, В.Н.Ульяновский, JI.A. Садий, Д.В.Ульяновский, Д.В. Зайцев, С.Г. Сергеев, М.А. Быков, С.И. Зайцев и др. «Исследование перемешивания теплоносителя в опускной камере реактора» // Вопросы атомной науки и техники, вып. 23, 2008.

2. F. Moretti, D. Melideo, A. Del Nevo, F. D'Auria, Т. Hoehne and E. Lisenkov. "CFD Analysis of a Slug Mixing Experiment Conducted on a WER-1000 Model" // Hindawi Publishing Corporation, Science and Technology of Nuclear Installations, Volume 2009, Article ID 436218,12 pages, doi: 10.1155/2009/436218.

3. М.А. Быков, E.A. Лисенков, Ю.В. Беляев, В.Н.Ульяновский и др. «Верификация модели перемешивания теплоносителя в корпусе реактора по результатам экспериментов на 4-х петлевом стенде ФГУП ОКБ «Гидропресс» // Труды 5-ой Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, май 2007.

4. Е.А. Лисенков, Ю.А. Безруков, A.B. Селезнев, В.Н.Ульяновский, JI.A. Салий, Д.В.Ульяновский, Д.В. Зайцев, С.Г. Сергеев, М.А. Быков, С.И. Зайцев. «Исследование перемешивания теплоносителя в реакторе ВВЭР-1000» // Труды 6-ой Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, 26-29 мая, 2009.

-265. S. Kliem, Т. Hoehne, U. Rohde, M. Bykov, E. Lisenkov. COMPARATIVE EVALUATION OF COOLANT MIXING EXPERIMENTS AT THE ROCOM AND THE GIDROPRESS TEST FACILITIES // Труды 6-ой Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, 26-29 мая, 2009.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И АНАЛИЗ ИЗВЕСТНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Состояние дел с верификацией трехмерных теплогидравлических кодов.

1.2 Проблема перемешивания теплоносителя первого контура.

1.3 Эксперименты по перемешиванию пробок конденсата применительно к реакторам ВВЭР.

1.4 Эксперименты с межпетлевым перемешиванием применительно к реакторам ВВЭР.

1.5 Эксперименты по перемешиванию теплоносителя применительно к реакторам PWR.

1.6 Сравнительный анализ экспериментов по перемешиванию теплоносителя в опускном канале реактора применительно к ВВЭР и PWR.

Выводы по Главе 1.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ И ГРУППИРОВАНИЕ ИСХОДНЫХ СОБЫТИЙ, ПРИВОДЯЩИХ К ФОРМИРОВАНИЮ НЕОДНОРОДНЫХ УСЛОВИЙ НА ВХОДЕ В АКТИВНУЮ ЗОНУ.

2.1 Анализ причин и исходных событий, приводящих к формированию неоднородных условий на входе в активную зону реактора.

2.2 Группирование исходных событий, приводящих к формированию неоднородных условий на входе в активную зону реактора.

2.3 Выбор экспериментальных режимов и формирование матрицы экспериментов.

Выводы по Главе 2.

ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Экспериментальная установка.

3.2 Методика проведения исследований.

3.3 Методика обработки экспериментальных данных.

3.4 Анализ погрешностей.

Выводы по Главе 3.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Эксперименты группы 1 с имитацией транспорта пробки конденсата в активную зону реактора при пуске ГЦН.

4.2 Анализ результатов экспериментов группы 1.

4.3 Эксперименты группы 2 с имитацией транспорта пробки конденсата в активную зону реактора при восстановлении естественной циркуляции.

4.4 Анализ результатов экспериментов группы 2.

4.5 Эксперименты группы 3 с имитацией несимметричного впрыска конденсата при работе различного количества ГЦН.

4.6 Анализ результатов экспериментов группы 3.

Выводы по Главе 4.

ГЛАВА 5. РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

5.1 Результаты расчетов применительно к экспериментам группы 1.

5.2 Результаты расчетов применительно к экспериментам группы 2.

5.3 Результаты расчетов применительно к экспериментам группы 3.

Выводы по Главе 5.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Настоящая работа представляет собой исследование процессов перемешивания потоков с разной концентрацией бора или с разной температурой в проточной части реактора ВВЭР и содержит описание методики, результаты экспериментов и сравнение их с расчетами по трехмерным кодам.

Актуальность работы

Согласно Федеральной целевой программе "РАЗВИТИЕ АТОМНОГО ЭНЕРГОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА РОССИИ НА 2007 - 2010 ГОДЫ И НА ПЕРСПЕКТИВУ ДО 2015 ГОДА" предусматривается ускоренное строительство атомных электростанций и ввод в эксплуатацию 10 новых энергоблоков атомных электростанций общей установленной мощностью не менее 9,8 ГВт. Основная часть этих энергоблоков будет оснащена реакторными установками с ВВЭР. В России разрабатываются проекты перспективных реакторных установок с реакторами ВВЭР-600, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 и ВВЭР-1500. Одним из основных критериев, предъявляемых к этим реакторам, является повышение уровня безопасности для соответствия современным нормативным требованиям. Это требует тщательного расчетного и экспериментального обоснования проекта реакторной установки.

На данный момент для выполнения анализов безопасности РУ с ВВЭР наиболее широкое применение находят такие теплогидравлические одномерные коды, как RELAP, CATHARE, ATHLET, ТРАП, КОРСАР и другие. В спектре анализируемых аварийных и переходных процессов имеют место исходные события, приводящие к несимметричному пространственному возмущению температуры или концентрации борной кислоты на входе в активную зону реактора, что приводит к соответствующему локальному изменению мощности реактора и влияет на безопасность. К таким исходным событиям относятся разрыв паропровода, закрытие БЗОК на одной из петель, подключение ГЦН ранее не работавшей петли, подача конденсата либо раствора борной кислоты в одну из петель и т.д. Однако несимметричные трехмерные переходные процессы в проточной части реактора, вызванные вышеперечисленными исходными событиями, невозможно корректно моделировать с помощью одномерных программных средств, т.к. они имеют ярко выраженный пространственный характер. Реакция активной зоны реактора на переходные режимы, приводящие к формированию неоднородных условий на входе в активную зону, сильно зависит от степени перемешивания теплоносителя в опускном канале и напорной камере реактора перед тем, как он достигнет активной зоны. Необходимо подчеркнуть, что одним из наиболее сложных трехмерных гидродинамических процессов в системе теплоносителя первого контура является процесс разбавления и транспорта бора. При проведении расчетной оценки допущения «идеального перемешивания» и «отсутствия перемешивания» могут дать большое разнообразие предсказываемых последствий в активной зоне реактора, причем первое допущение приведет к слишком оптимистичным результатам, а второе допущение может привести к излишне завышенной консервативной оценке. Необходим уточненный метод моделирования процесса перемешивания, позволяющий обоснованно снизить консерватизм расчетов при выполнении анализов безопасности для обоснования повышения мощности действующих, строящихся и проектируемых реакторов типа ВВЭР. Наиболее приближенные к реальным значениям результаты позволит получить трехмерное моделирование процессов в реакторе [1].

В настоящее время в ОКБ "ГИДРОПРЕСС" для выполнения проектных расчетов применяется ряд пространственных системных теплогидравлических кодов таких, как ТРАП-КС, ДКМ, КОРСАР/ГП и другие. В качестве поддержки применяются коммерческие CFD-коды типа CFX и STAR-CD, однако расчеты по ним требуют очень больших временных и компьютерных ресурсов. На данный момент указанные коды не верифицированы и достоверность расчетов по ним может быть подвержена сомнению.

Актуальность диссертационной работы заключается в предоставлении недостающих результатов экспериментальных исследований, моделирующих пространственное изменение параметров теплоносителя (концентрации борной кислоты или температуры), предназначенных для верификационных целей. Исследования проводились на 4-петлевом стенде, сооруженном в ОКБ «Гидропресс».

Цель научного исследования

Целью диссертационной работы являлось получение экспериментальных данных по перемешиванию потоков с разной концентрацией борной кислоты или разной температурой применительно к реакторам типа ВВЭР, предназначенных для верификации 3-х мерных системных теплогидравлических кодов ТРАП-КС, ДКМ, КОРСАР/ГП, а также CFD кодов.

Научная новизна

1. Разработана методика исследования перемешивания петлевых потоков теплоносителя в опускном канале и напорной камере ВВЭР с использованием солевого трассера и кондуктометрического метода.

2. Впервые в России получены экспериментальные данные по перемешиванию потоков теплоносителя с разной концентрацией борной кислоты и с разной температурой в проточной части реактора на четырехпетлевом стенде, моделирующем реакторную установку с ВВЭР в масштабе 1:5.

3. Впервые в России были выполнены эксперименты по перемешиванию в условиях естественной циркуляции и разности плотностей основного теплоносителя и впрыскиваемой «пробки» конденсата. Выявлено существенное влияние разности плотностей на процесс перемешивания.

Практическая значимость

Экспериментальные данные по перемешиванию теплоносителя в опускном канале и напорной камере реактора использованы для верификации кодов ТРАП-КС, ДКМ, КОРСАР/ГП, а также CFD кодов. Расчетный код КОРСАР/ГП уже аттестован.

Применение верифицированных пространственных теплогидравлических кодов позволяет обоснованно снизить консерватизм расчетов при выполнении анализов безопасности для РУ с ВВЭР, что, в свою очередь, приводит к повышению конкурентоспособности проекта РУ на внутреннем и внешнем рынке.

В результате исследований установлено, что при попадании в реактор «пробки» конденсата в режиме естественной циркуляции разность плотностей теплоносителя в «пробке» и циркуляционном контуре сильно влияет на характер перемешивания в опускном канале реактора и приводит к существенному снижению опасности реактивностной аварии.

Достоверность

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных методов измерения, неоднократным повторением каждого из экспериментов, анализом погрешностей, использованием предтестовых и посттестовых расчетов и подтверждена хорошим согласием с зарубежными аналогами.

Личный вклад автора в полученные результаты

Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в постановке задачи, оснащении средствами измерения экспериментальной установки, разработке программы и методики экспериментов, проведении экспериментов, обработке результатов исследований и выпуске научно-технических отчетов.

На защиту выносятся

Результаты экспериментальных исследований перемешивания теплоносителя первого контура в опускном канале и напорной камере реактора ВВЭР-1000 с применением кондуктометрической методики. Исследования проводились применительно к следующим режимам:

• перемешивание потоков теплоносителя с различной концентрацией бора при пуске ГЦН;

• перемешивание потоков теплоносителя с разной плотностью при восстановлении естественной циркуляции в процессе аварии с «малой» течью теплоносителя первого контура;

• перемешивание потоков теплоносителя при работе различного числа ГЦН и в условиях естественной циркуляции.

Апробация работы и публикации

По теме диссертационной работы были сделаны публикации в рецензируемых журналах, а также доклады на конференциях, в частности:

E.А. Лисенков, Ю.А. Безруков, В.Н.Ульяновский, JI.A. Салий, Д.В.Ульяновский, Д.В. Зайцев, С.Г. Сергеев, М.А. Быков, С.И. Зайцев и др. «Исследование перемешивания теплоносителя в опускной камере реактора» // Вопросы атомной науки и техники, вып. 23, 2008.

F. Moretti, D. Melideo, A. Del Nevo, F. D'Auria, Т. Hoehne and E. Lisenkov. "CFD Analysis of a Slug Mixing Experiment Conducted on a VVER-1000 Model" // Hindawi Publishing Corporation, Science and Technology of Nuclear Installations, Volume 2009, Article ID 436218,12 pages, doi:10.1155/2009/436218.

М.А. Быков, Е.А. Лисенков, Ю.В. Беляев, В.Н.Ульяновский и др. «Верификация модели перемешивания теплоносителя в корпусе реактора по результатам экспериментов на 4-х петлевом стенде ФГУП ОКБ «Гидропресс» // Труды 5-ой Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, май 2007.

Е.А. Лисенков, Ю.А. Безруков, А.В. Селезнев, В.Н.Ульяновский, Л.А. Салий, Д.В.Ульяновский, Д.В. Зайцев, С.Г. Сергеев, М.А. Быков, С.И. Зайцев. «Исследование перемешивания теплоносителя в реакторе ВВЭР-1000» // Труды 6-ой Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, 26-29 мая, 2009.

S. Kliem, Т. Hoehne, U. Rohde, М. Bykov, Е. Lisenkov. COMPARATIVE EVALUATION OF COOLANT MIXING EXPERIMENTS AT THE ROCOM AND THE GIDROPRESS TEST FACILITIES // Труды 6-ой Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, 26-29 мая, 2009.

По результатам выполненных по теме диссертации исследований выпущено 4 научно-технических отчета.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, 145 страниц текста, 108 иллюстраций и списка литературы из 32 наименований. Благодарности

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Решена актуальная научно-техническая задача по созданию экспериментальной установки и проведению на ней исследований процессов перемешивания теплоносителя в опускном канале и напорной камере ВВЭР. Полученные данные использованы для верификации программных средств.

2. Выполнен анализ ситуаций при эксплуатации реакторных установок с ВВЭР, когда вследствие отказов оборудования или ошибок персонала возможно попадание в активную зону реактора потоков теплоносителя с пониженной концентрацией борной кислоты или пониженной температурой. Показано значительное влияние этих ситуаций на безопасность реакторной установки и обоснована необходимость экспериментального исследования. Анализ известной литературы показал недостаток экспериментальных данных применительно к ВВЭР.

3. Из всей совокупности ситуаций, связанных с изменением температуры или концентрации борной кислоты на входе в реактор, были отобраны режимы, подлежащие экспериментальным исследованиям с учетом степени важности для безопасности АЭС и характера воздействия на оборудование и элементы РУ. Экспериментальные режимы для проведения исследований были смоделирован^ с использованием критериев подобия Струхаля, Фруда и Рейнольдса. Определены параметры экспериментов, сформирована матрица экспериментов.

4. Для измерения концентрации трассера была использована кондуктометрическая методика, которая имеет существенные преимущества перед температурной методикой вследствие отсутствия теплообмена между теплоносителем и конструктивными элементами оборудования.

5. В процессе исследований выполнено десять различных экспериментов по перемешиванию потоков теплоносителя в проточной части модели реактора ВВЭР-1000, причем каждый эксперимент для статистической надежности был повторен, как минимум, пять раз. Результаты экспериментов продемонстрировали ярко выраженный пространственный характер распределения концентраций трассера по сечению модели реактора.

6. В результате исследований установлено, что при поступлении пробки конденсата в реактор в условиях естественной циркуляции разность плотностей теплоносителя в пробке и циркуляционном контуре сильно влияет на характер перемешивания в опускном канале реактора. «Легкая» или «тяжелая» пробка задерживается в опускном канале и напорной камере реактора и процесс проникновения конденсата в активную зону реактора растягивается во времени. Данный эффект существенно снижает опасность реактивностной аварии.

7. Получено хорошее согласие результатов расчетов, выполненных с помощью CFD кода ANSYS CFX, с результатами проведенных экспериментов, что создает предпосылки для расчетного моделирования режимов, связанных с перешиванием потоков с различной концентрацией борной кислоты или температуры.

8. Результаты экспериментальных исследований обсуждены широким кругом специалистов и рекомендованы для верификации расчетных кодов. Создан Российский банк данных для верификации пространственных теплогидравлических кодов, предназначенных для обоснования безопасности РУ с ВВЭР.

1. Нигматулин Б.И., Василенко В.А., Соловьев C.JI. и др. Разработка расчетных кодов нового поколения актуальная задача развития отечественной атомной энергетики // Теплоэнергетика. № 11. 2002. - С. 2-10.

2. Validation Matrix for the Assessment of Thermal Hydraulic Codes for YVER LOCA and Transients // A report by the OECD Support Group on the VVER Thermal Hydraulic Codes Validation Matrix, 2001.

3. Требования к составу и содержанию отчета о верификации и обосновании программных средств, применяемых для обоснования безопасности объектов использования атомной энергии, РД-03-34-2000, 2000.

4. А.Л.Громов, С.П.Калугин и др. Исследование аварий со снижением концентрации борной кислоты в 1-м контуре РУ с ВВЭР-1000 (модель 91). Proceedings of the ASME-JSME 4th International Conference on Nuclear Engineering, 1996.

5. В.П. Спассков, Ю.Г. Драгунов, С.Б. Рыжов и др. Расчетное обоснование теплогидравлических характеристик реактора и РУ ВВЭР, ИКЦ «Академкнига», 2004, стр. 196-219.

6. EUBORA. Concerted Action on Boron Dilution Experiments. Paper on FISA-99 Symposium, 29 November -1 December 1999, Luxembourg.

7. Logvinov S.A., Ulyanovsky V.N., Bezrukov Yu.A., Kozlov A.N. Mixing of coolant with different boron concentration at the VVER-1000 core inlet during RCP start-up. Proceedings of "ANNUAL MEETING ON NUCLEAR TECHNOLOGY 2000", Bonn, 22-24 May 2000. p.p.

8. Yu. Bezrukov et. al. A Study of Boron and Temperature Mixing in the Downcommer and Lower Part of a VVER Reactor Vessel. Nuclear Technology, May 2004, Vol 146, No. 2, pp. 122-130.

9. Ю.А. Безруков, Ю.Г. Драгунов, C.A. Логвинов, B.H. Ульяновский, Исследование перемешивания потоков теплоносителя в корпусе ВВЭР, Атомная энергия, том 96, вып. 6, июнь 2004, стр. 432-439.

10. U. Rohde, S. Kliem, В. Hemstrom, Т. Toppila, Y. Bezrukov, The European project FLOMIX-R: Description of the slug mixing and buoyancy related experiments at the different test facilities (Final report on WP 2), August 2005.

11. Ю.А. Безруков. Обоснование безопасности реакторов ВВЭР на основе экспериментальных теплогидравлических исследований. Докторская диссертация, ОКБ «Гидропресс», Подольск, 2007, стр. 124-156.

12. Yu. Bezrukov, Yu. Dragunov, S. Logvinov, V. Ulyanovsky, Study of Coolant Mixing in the VVER Vessel, 13th Symposium of AER on VVER Reactor Physics and Reactor Safety, Dresden, Germany, 22-26 September, 2003.

13. J. Elter: "Experiment Summary Report: Experimental investigation of thermal mixing phenomena in a six loop VVER type reactor", Paks Nuclear Power Plant Ltd, Safety Assessment Group, 28.02.2002

14. Цымбалов С.А., Крайко A.B. Температурное поле в теплоносителе на входе в активную зону ВВЭР 440. Атомная Энергия, т.52, вып. 5, май 1982, стр. 304-308.

15. Jirous F., Teplotni a rychlostni pole па vstupu do aktivni zony VVER-440 (in Czech), Jadema energie 35, 1989, p.p. 390-396.

16. T. Hohne, Vergleich von Kuhlmittelstromung und — vermischung in einem skalierten Modell des DWR KONVOI mit den Vorgangen im Originalreaktor, FZR-Report, FZR-210, 7S, 1998.

17. T. Hohne, G. Grunwald, H.-M. Prasser, Das 1:5 skalierte Vermischungsmodell des DWR KONVOI, Arbeitsbericht, FZR, 29 S, 1999.

18. Требования к содержанию отчета по обоснованию безопасности АС с реактором типа ВВЭР, ПНАЭ Г- 01-036-95, с Изменением №1,1995 г.

19. С.А. Логвинов, Ю.А. Безруков, Ю.Г. Драгунов. Экспериментальное обоснование теплогидравлической надежности реакторов ВВЭР, ИКЦ «Академкнига», 2004, стр. 223-235.

20. Кондуктометр "Эксперт-002". Руководство по эксплуатации и методика поверки, КТЖГ.414311.004 РЭ, ООО "Эконикс-эксперт", Москва, 2005.

21. П.В. Новицкий, И.А. Зограф. Оценка погрешностей результатов измерений, «Энергоатомиздат», 1985, стр. 122-125.

22. ANSYS CFX-10.0 User Manual, (embedded in the software package), 2005.

23. ANSYS ICEM-CFD 10.0 User Manual, (embedded in the software package), 2005.