Теплогидравлические исследования в обоснование реакторной установки с естественной безопасностью 
БРЕСТ-ОД-300

Кузина Ю.А.

ГНЦ РФ - Физико-энергетический институт, Обнинск, Россия

Излагаются результаты экспериментальных теплогидравлических исследований, проведенных на модельных ТВС активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300.

Теплоотдача твэлов с двумя дистанционирующими решетками. В дополнение к ранее опубликованным результатам по теплоотдаче гладких твэлов и твэлов с одной дистанционирующей решеткой получены данные для чисел Нуссельта в сборках твэлов с двумя дистанционирующими решетками. Они оказались несколько выше (примерно на 15%) коэффициентов теплоотдачи для твэлов с одной дистанционирующей решеткой, что по-видимому, объясняется некоторым взаимодействием соседних решеток. Для исследованного диапазона чисел Пекле рекомендуется универсальная критериальная  зависимость:  

1.25£  s/d £  1.5;     10 £  Pe £  3000;     e @ 1.4

где коэффициент a зависит от геометрических условий в сборке и принимает следующие значения для исследованных геометрических вариантов: гладкие твэлы в ТВС - a=0,007; твэлы с одной дистанционирующей решеткой (e_р=20%) -a =0,009; твэлы с двумя дистанционирующими решетками (e_р=20%) - a=0,0115.

В области малых чисел Пекле происходит  предельный переход чисел Нуссельта к значениям, отвечающим ламинарному режиму течения теплоносителя в сборках гладких твэлов. Согласно соотношению (1) некоторый рост теплоотдачи по мере перехода от чисто гладких твэлов  к твэлам с одной, а затем с двумя дистанционирующими решетками, происходит лишь за счет турбулентной составляющей в числе Нуссельта, что свидетельствует о небольшой турбулизации потока теплоносителя одной (a=0.009) или двумя (a=0.0115) дистанционирующими решетками по сравнению с гладкими твэлами (a=0.007). При малых скоростях течения теплоносителя эффект от наличия дистанционирующих решеток (одной или нескольких) в отношении теплоотдачи практически отсутствует.

Численные значения средних по периметру измерительного имитатора твэла коэффициентов теплоотдачи (граница зон с разными диаметрами и энерговыделениями имитаторов: 15 и 10 имитаторов соответственно) зависят от величины скачка энерговыделения N(15)/N(10):

·      При больших скачках мощности N(15)/N(10) имеют место большие разности в подогревах теплоносителя по периметру имитатора, что обусловливает малые значения коэффициентов теплоотдачи.

·      С уменьшением скачков энерговыделения неравномерность в подогревах уменьшается,  коэффициенты теплоотдачи возрастают.

·      При малых значениях относительных энерговыделений появляется неравномерность в подогревах обратного характера, что обусловливает уменьшение коэффициентов теплоотдачи.

·      Противоположно действующие факторы с уменьшением скачков энерговыделения N(15)/N(10) в отношении среднего коэффициента теплоотдачи обусловливают максимум в закономерности a = f (N(15)/N(10)). В то же время, как отмечалось, опытные данные демонстрируют независимость коэффициентов теплоотдачи от скачков энерговыделения на участках периметра имитатора, обращенных в зоны с s/d = 1.25 и 1.34 . 

Температурные поля в условиях теплогидравлической неоднородности на границе зон с разными диаметрами и энерговыделениями твэлов. Основные закономерности в температурных полях имитаторов твэлов исследованной сборки (граница раздела имитаторов с различными диаметрами и мощностями) определяются градиентами температуры, под которые попадают имитаторы.

Общая неравномерность температуры обусловливается разностью подогревов теплоносителя при отличающихся  мощностях в зонах, когда мощность в зоне с s/d = 1.25 (где протекает меньше жидкости) превышает мощность  в зоне с s/d = 1.46. Даются рекомендации по расчету этих неравномерностей в виде графических зависимостей в функции скачка энерговыделения и числа Pe (с увеличением скачка энерговыделения и уменьшением числа Pe неравномерности температуры возрастают).

Периодическая  неравномерность температуры по периметру измерительного имитатора более значительна на участках периметра, обращенных в зоны регулярных ячеек с s/d = 1.25 по сравнению с участками, обращенными  в ячейку с s/d=1.34.

Предлагается обобщенная зависимость для максимальных периодических неравномерностей, справедливая для различных зон твэлов реактора БРЕСТ-ОД-300:  

1.25£  s/d£  1.34;      1£  Pe£  2300

Предельные значения неравномерностей температуры для ламинарного режима течения (DT_л) берутся по результатам расчета.

Особую важность представляют гидродинамические исследования для неоднородной модельной сборки, состоящей из имитаторов разного диаметра.

Эксперименты проведены для трех видов модельных сборок: сборка без дистанционирующих решеток, сборка с одной дистанционирующей решеткой, сборка с двумя дистанционирующими решетками (цель – выявить взаимное влияние решеток друг на друга,  что представляет наибольший интерес для реального случая).

Использовался электромагнитный метод измерений, который обоснован теоретически и практически для трех видов течения: продольного, поперечного, смешанного.

Результаты гидродинамических исследований.

а) Гладкие имитаторы. Физика течения состоит в наличии амплитуд скоростей в четырехугольной ячейке имитаторов (узкая, широкая часть ячейки) и в распределении скоростей по зонам в соответствии с затеснением смежных ячеек: в затесненных ячейках скорость меньше, в открытых ячейках скорость больше. Амплитуды неравномерности скорости в четырехугольной ячейке с s/d = 1.34 составляет ~10% от средней в ячейке скорости, в ячейке с s/d = 1.25 неравномерность увеличивается до ~15%, а неравномерность скорости на границе зоны с ячейками s/d = 1.34 и 1.25 достигает ~20%.

б) Имитаторы с одной дистанционирующей решеткой. В районе решетки происходит сильное возмущение течения: скорость оказывается большей в затесненной зоне, меньшей - в открытой зоне. Неравномерность скоростей  сохраняется до выхода из модельной сборки, хотя ее численное значение уменьшается.

в) Имитаторы с двумя дистанционирующими решетками. До первой дистанционирующей решетки течение соответствует течению в зоне с гладкими имитаторами модельной сборки. Непосредственно после первой решетки распределения не столь аномальны, как при использовании одной решетки. Более того, закономерности в общем соответствуют закономерностям, характерным для сборки с гладкими имитаторами твэлов: бόльшая скорость –  в открытой зоне сборки, меньшая – в тесной зоне, чего не наблюдалось в сборке с одной дистанционирующей решеткой.

Можно сказать, что наличие двух дистанционирующих решеток способствует уменьшению неоднородности течения, хотя полностью его не устраняет.