СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЙ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ И ТЕМПЕРАТУР В ТОПЛИВНОЙ СБОРКЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1999 года по МПК G21C17/00 G21C17/112 

Изобретение относится к исследованиям тепловых режимов активных зон ядерных реакторов.

Способ может быть использован в атомной энергетике при расчете полей тепловых потоков и температур в тепловыделяющих сборках твэлов.

Известно изобретение "Способ экспериментального определения статических и динамических полей температур в узлах активной зоны реактора". В этом способе предполагается наличие нагревательного элемента большой мощности и протяженности при моделировании внутренней структуры твэла для того, чтобы можно было зафиксировать температуры на поверхности макетов твэлов модельной сборки [1].

Способ не работает при резком изменении энерговыделения по длине твэла, а также при наличии дефектов во внутренней структуре твэлов, что всегда имеет место в реальных сборках твэлов.

Ближайшим техническим решением является способ определения температуры твэла топливной сборки ядерного, включающий использование модели сборки, набранной из реальных твэлов без тепловыделения или их макетов, и сменного макета с источником тепла, замещение сменным макетом последовательно каждого твэла или его макета, а также измерение температурного поля сборки после каждого изменения тепловыделения, при этом сменный макет выполняют из материала с теплопроводностью много меньшей теплопроводности теплоносителя, источник тепла выполняют точечным или линейным, устанавливают на поверхности сменного макета и перемещают его, затем заменяют сменный макет реальным твэлом и создают в нем тепловыделение, подобное реальному, изолируют его поверхность кроме той ее части, где создают сток тепла, и изменяют положение этого стока, а по полученным данным судят об искомой величине [2].

Недостатками известного способа является необходимость создания источников тепла большой мощности, повышенная погрешность в определении температур в случае, когда внутренняя структура твэла имеет сильную неоднородность и в случае, когда резко меняется локальная плотность энерговыделения в твэле, что всегда имеет место в реальных сборках твэлов.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности определения температур в сборках твэлов с сильной неравномерностью теплофизических свойств внутренней структуры твэлов сборки при наличии сильной неравномерности плотности энерговыделения в них, а также в случае наличия локальных отложений (зон с низкой теплопроводностью) на поверхности твэлов.

Технический результат достигается тем, что по способу определения полей тепловых потоков и температур в топливной сборке ядерного реактора, включающему замену сменного макета реальным твэлом и создание в нем тепловыделения, подобного реальному, изолирование его поверхности кроме той ее части, где создают сток тепла, и изменение положения этого стока, проведение каждый раз измерения температуры поверхности твэла, изготавливается экспериментальная модель сборки, набранной из имитаторов твэлов, с внутренней теплопроводностью много меньшей теплопроводности теплоносителя, для которых затем, в условиях расходов и температур теплоносителя, близких к условиям эксплуатации реальной сборки, создается постоянный тепловой поток к теплоносителю с поверхности имитаторов и с помощью термопар для всех возможных положений имитатора и на всей его протяженности измеряются температуры оболочки имитатора и находятся локальные коэффициенты теплоотдачи, используя зависимость
q_[i,j]= α_[i,j](t_cm,/i,j]-t_f,i),
и уравнение баланса тепла для экспериментальной модели сборки

после чего для каждого слоя топливной сборки, начиная с первого, когда i=1, решается система, составленная из k+1 уравнений



записанных для каждого из М твэлов сборки и уравнений сохранения энергии подобных уравнению

записанных для каждого из N каналов сборки, для замыкания которой используется выражение
q_[i,j]= α_[i,j](t_cm,[i,j]-t_f,i),
и результатом решения которой являются действительные значения полей тепловых потоков и температур реальной топливной сборки.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема пучка твэлов (для примера приведена семитвэльная сборка) и на фиг. 2 - расположение расчетных участков условного разбиения поперечного сечения сборки. Позиции на чертеже обозначают:
1 - теплоноситель;
2 - твэл;
3 - чехол тепловыделяющей сборки;
4 - твэл номер m тепловыделяющей сборки;
5 - межтвэльный зазор, на границе между соседними каналами;
6 - канал номер n со среднесмешанной температурой t_f,n, при разбиении межтвэльного проходного сечения сборки на каналы;
7 - расчетный участок поверхности твэла m с тангенциальной координатой j=1 и температурой t∂cm,m,[i,1]

;
8 - расчетный участок поверхности твэла m с тангенциальной координатой j=k и температурой t∂cm,m,[i,k];
Способ осуществляется следующим образом. Решается внутренняя задача для твэла, т.е. находятся нормированные значения откликов температур (texpCT,m,[i,j][i,k]-texpCT,m,[i,i][i,j])/qexpj. Для этого в реальном твэле создают распределение плотности энерговыделения подобное реальному, изолируют поверхность твэла всюду, кроме небольшой ее части, где создается сток тепла, и меняют положение этого стока, каждый раз проводя измерения температуры поверхности твэла. Практическая реализация описанной операции может быть выполнена во внереакторных условиях с использованием электромодели твэла. Или возможно нахождение откликов температур путем численного расчета.

Затем изготавливают экспериментальную модель сборки, состоящую из имитаторов, представляющих собой тонкостенную оболочку твэла. В случае водяного теплоносителя, для предотвращения сминания тонкостенного имитатора, во внутренней полости создается давление газа, равное давлению теплоносителя, и, для создания постоянного теплового потока к теплоносителю, через оболочки пропускается электрический ток. В случае жидкометаллического теплоносителя, с той же целью, нагревательный элемент помещается внутрь имитатора. Для разных расходов и температур (близких к условиям эксплуатации реальной тепловыделяющей сборки) с помощью термопар измеряют температуры оболочки одного из имитаторов. Замеры производятся для различных положений имитатора в экспериментальной сборке, на всей ее протяженности, включая участки тепловой и гидродинамической стабилизации. После чего используя выражения
q_[i,j]= α_[i,j](t_cm,[i,j]-t_f,i) (1)
находят локальные коэффициенты теплоотдачи α_[i,j], где t_f,i - среднесмешанное значение температуры теплоносителя в сборке в слое i, находящееся из уравнения баланса тепла для экспериментальной модели сборки
(2)
где G - суммарный расход теплоносителя через экспериментальную модель сборки;
c_p - изобарная теплоемкость теплоносителя;
q_m,i - плотность теплового потока в слое i твэла m;
S_m,i - площадь поверхности в слое i твэла m.

Для каждого из М твэлов топливной сборки можно записать для поперечных слоев, начиная с первого (i=1), систему k+1 уравнений:



где i, j - координаты площадки в осевом и тангенциальном направлениях, соответственно;
k - количество площадок разбиения твэла в тангенциальном направлении;
t∂cm,m,[i,j]

- есть искомая температура площадки с координатами i,j реального m-го твэла;
m - номер твэла в сборке;
t∂,вхf,m,[i,j] - температура теплоносителя на входе в ячейку, примыкающую к площадке с координатами i,j реального твэла m сборки. Для первого сечения i= 1 эта температура равна температуре входа в сборку;
texpcm,m,[i,1][i,j] - экспериментально найденная температура площадки с координатами i, 1 при действии локального источника, расположенного на площадке с координатами i,j;
qexpm,[i,j] - тепловой поток с площадки с координатами i,j твэла m в условиях эксперимента;
q∂m,[i,j] - действительный тепловой поток с площадки с координатами i,j твэла m в реальной задаче;
C - константа;
q_ν,m,i - объемная плотность энерговыделения реального твэла m в i-м сечении;
S_[i,j] - площадь поверхности площадки с координатами i,j;
V_i - объем топлива i-го участка твэла.

С учетом разбиения проходного сечения тепловыделяющей сборки на каналы, схема которого приведена на фиг. 2, можно записать уравнение сохранения энергии для теплоносителя для n-го канала [3].

где L - число обращенных в канал твэлов;
l - число каналов, окружающих n-й канал;
w_n - скорость теплоносителя в n-ом канале;
ω_n - площадь проходного сечения n-го канала;
t_f,n - среднесмешанная температура жидкости в n-ом канале;

ρ_n - - плотность;
q∂k,n

- реальный тепловой поток с k-го твэла в n-й канал;
μTn,j - суммарный коэффициент обмена теплом между n-м и j-м каналами;
среднее значение проходного сечения n-ro и j-го каналов;
ΔS_nj - ширина межтвэльного зазора между каналами n и j;
0 - индекс центрального канала тепловыделяющей сборки.

Составив систему уравнений на основе уравнения (4) для каждого канала (при этом принимаем, что профили скоростей и коэффициенты межканального обмена известны) с учетом системы (3) для каждого твэла и используя соотношения (1), (2) для замыкания системы, решается система уравнений (1)-(4) последовательно для каждого слоя топливной сборки. Таким образом использование уравнений баланса тепла для теплоносителя и локальных коэффициентов теплоотдачи позволяет учесть взаимовлияние температурных полей в твэле и в теплоносителе, отказаться от необходимости включения в суммарный коэффициент обмена теплом μTn,j

члена, учитывающего обмен теплом между соседними каналами за счет теплопроводности твэлов, поскольку этот обмен автоматически учитывается изменением тепловых потоков, и таким образом существенно повысить точность расчета. При этом, за счет того, что внутренняя задача решается для каждого разбиения твэла в тангенциальном направлении, достигается возможность рассчитывать температурные поля для случаев, когда во внутренней структуре твэлов имеются дефекты различного рода, а также для случаев, когда на поверхности твэлов имеются отложения (зоны с малой теплопроводностью), чего не позволяют сделать рассмотренные выше аналоги.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1356852, G 21 С 17/10, 1985 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 650429, G 01 N 25/00, 1976 г.

3. Метод сосредоточенных параметров в задаче о температурном поле в формоизмененных ТВС быстрых реакторов с неадиабатическими граничными условиями. - Препринт ФЭИ 1672, 1985 г., О.Д. Казачковский, А.П. Сорокин, А.В. Жуков и др.

Сущность: при расчете полей тепловых потоков находятся нормированные значения откликов температур. Затем в реальном твэле создают распределение плотности энерговыделения, подобное реальному, изолируют поверхность твэла всюду, кроме небольшой ее части, где создают сток тепла, и меняют положение этого стока, каждый раз проводя измерения температуры поверхности твэла. Далее изготавливается экспериментальная модель сборки, набранной из имитаторов твэлов, с внутренней теплопроводностью много меньшей теплопроводности теплоносителя, для которых затем в условиях расходов и температур теплоносителя, близких к условиям эксплуатации реальной сборки, создается постоянный тепловой поток к теплоносителю с поверхности имитаторов и с помощью термопар для всех возможных положений имитатора и на всей его протяженности измеряются температуры оболочки имитатора и находятся локальные коэффициенты теплоотдачи. После чего, решая последовательно для каждого слоя топливной сборки соответствующие системы уравнений для каждого канала и для каждого твэла, находятся действительные значения полей тепловых потоков. В результате повышается точность определения температур. 2 ил.

Способ определения полей тепловых потоков и температур в топливной сборке ядерного реактора, включающий замену сменного макета реальным твэлом и создание в нем тепловыделения, подобного реальному, изолирование его поверхности, кроме той ее части, где создают сток тепла, и изменение положения этого стока, проведение каждый раз измерения температуры поверхности твэла, отличающийся тем, что изготавливается экспериментальная модель сборки, набранной из имитаторов твэлов, с внутренней теплопроводностью много меньше теплопроводности теплоносителя, для которых затем в условиях расходов и температур теплоносителя, близких к условия эксплуатации реальной сборки, создается постоянный тепловой поток к теплоносителю с поверхности имитаторов и с помощью термопар для всех возможных положений имитатора и на всей его протяженности измеряются температуры оболочки имитатора и находятся локальные коэффициенты теплоотдачи, используя зависимость
q_[i,j]= α_[i,j](t_cm,[i,j]-t_f,i)
и уравнение баланса тепла для экспериментальной модели сборки

после чего для каждого слоя топливной сборки, начиная с первого, когда i = 1, решается система, составленная из к + 1 уравнений:



записанных для каждого из М твэлов сборки и уравнений сохранения энергии подобных уравнению

записанных для каждого из N каналов сборки, для замыкания которой используется выражение
q_[i,j]= α_[i,j](t_cm[i,j]-t_f,i),
и результатом решения которой являются действительные значения полей тепловых потоков и температур реальной топливной сборки.