СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР В УЗЛАХ АКТИВНОЙ ЗОНЫ БЫСТРОГО РЕАКТОРА Советский патент 1996 года по МПК G21C17/112 

Изобретение относится к исследованиям тепловых режимов активных зон (АЗ) ядерных реакторов, в частности, на быстрых нейтронах (РБН).

Цель изобретения повышение точности определения температурных условий работы штатных твэлов.

Поставленная цель достигается тем, что определение полей температур в узлах активной зоны РБН ведут по окончанию реакторной кампании, дополнительно определяют координаты максимумов распухания материала оболочки и дистанционирующей проволоки, причем о температуре оболочки твэла судят по величине температурного напора в центральной части активной зоны, зависящей от координат максимумов распухания.

Сопоставительный анализ теплофизических расчетов и экспериментальных данных позволяет определить усредненную по кампании величину температурного напора Δ t_α в районе центра АЗ и оценить рабочую температуру твэла в районах:
максимума распухания материала оболочки;
максимума распухания материала дистанционирующей проволоки;
максимума температур оболочки твэла.

Графический пример сопоставительного анализа расчетных кривых распределения температур и экспериментальных зависимостей распухания материалов твэла по высоте АЗ приведен на чертеже.

Исходя из того, что:
температура максимума распухания Т_р, материала оболочки Т_р.твэл и ее дистанционирующей проволоки Т_рд одинакова (оболочка и дистанционирующая проволока изготовлены из одного материала) т.е. T_р≡ T_твэл≡ T_рд
от практически непосредственного соприкосновения с топливом оболочка имеет температуру Т_твэл несколько большую, чем температура дистанционирующей проволоки Т_д, находящейся в теплоносителе, т.е. Т_твэл> Т_д в районе центра АЗ;
распределение подогрева теплоносителя по высоте АЗ Т_Na(h) соответствует распределению температур на ее дистанционирующей проволоке Т_д(h), т.е. T_Na(h) ≡ ≡T_д(h), следует, что расположение координат максимумов распухания материала оболочки h(Sмакствэл

) и дистанционирующей проволоки h(Sмаксд) одного и того же твэла характеризуются некоторым смещением Δh относительного друг друга, т.е.

Δh [h(Sмаксд

)h(Sмакствэл)]
На чертеже кривые IV, V соответственно экспериментальные зависимости распухания материала оболочки и дистанционирующей проволоки по высоте АЗ.

В предлагаемом способе по величине Δh определяется величина температурного напора Δ t_αмакс в районе максимума распухания материала дистанционирующей проволоки Sмаксд

. Для этого используется закон распределения подогрева теплоносителя по высоте АЗ в виде монотонно возрастающей функции (кривая I) с минимальным значением температуры на входе теплоносителя в ТВС t_д (h 0) (точка 1, кривая I) и максимальным значением температуры на выходе теплоносителя из ТВС t_д (h H) (точка 5, кривая I). Закон изменения температуры теплоносителя имеет вид
T_дZ[(h)] t_д(h=0) + 1+
(1) где Z 2h/H безразмерная координата; γ 1 + безразмерный параметр;
ΔТ подогрев теплоносителя;
ΔT • • q_max,
(2) где D диаметр твэла, мм; Н длина АЗ, мм; G расход теплоносителя, кг/с; С_р объемная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг x x град; q_макс максимальная плотность теплового потока, Вт/м²; l экстраполированная добавка.

Температура стенки твэла отличается от средней температуры жидкости в данном сечении на величину температурного напора Δ τ_α в пограничном слое теплоносителя;
T_твэл[Z(h)] T_д[Z(h)] + 1+ + Δτ_α(h)cosγZ(h)
(3)
Изменение закона описывается кривой II (см. чертеж).

Определив экспериментально координаты максимумов распухания материала оболочки h(Sмакствэл

) и дистанционирующей проволоки h(Sмаксд) и учитывая, что Т_р Т_р.твэл. Т_рд, определяют величину температурного напора Δ τ_α в районе h(Sмаксд) по соотношению
Δτ_α≃ T_твэл{Z[h(Sмаксд)] T_твэл{Z[h(Sмакствэл)]
(4) или, учтя (3), получают
Δt
(5)
Локальное увеличение температуры оболочки непосредственно под дистанционирующей проволокой определяется по формуле (4):
Δt¹≃ • (0,344- 4,2•10^-4 Pe)
(6) где λ_Na- теплопроводность теплоносителя, Вт/H·град;
D диаметр твэла, мм;
q_s средний по периметру твэла тепловой поток, Вт/м²;
Ре число Пекле, Pe d_д/ где d_д диаметр дистанционирующей проволоки.

средняя скорость теплоносителя в сборке, м/с;
средний по периметру твэла коэффициент теплопередач.

Таким образом, величина температурного напора с учетом локального перегрева оболочки под дистанционирующей проволокой (кривая III) определяется по соотношению
Δτ_α ×
• (0,344- 4,2•10^-4d_д/)
(7)
В практике для экспресс-оценки величины температурного напора в районе центра АЗ и температуры оболочки твэла в районах максимумов распухания материала оболочки h(Sмакствэл

) и дистанционирующей проволоки h(Sмаксд) предлагается воспользоваться соотношением, основанным на линеаризации закона распределения теплоносителя по высоте АЗ Т_д[Z(h)] и линеаризации закона распределения температуры оболочки твэла по высоте АЗ Т_твэл[Z(h)] на участке Т_твэл[Z(h 0] Т_твэл[Z(h h(Sмаксд))]
Тогда, зная из условий эксплуатации температуру теплоносителя на входе t_Na(h= 0)= t_д(h= 0) и выходе t_Na(h H) t_д(h H) тепловыделяющей сборки и определив экспериментально координаты и величину смещения максимумов распухания материала оболочки и дистанционирующей проволоки Δh, требуется осуществить параллельный перенос участка линейной зависимости Т_д[Z( Δh)] в районе h(Sмаксд) на величину, пропорциональную относительному подогреву теплоносителя:

(8) тогда величина температурного метода определяется по соотношению
Δt_α ≃ Δh •
(9)
Температура оболочки в районе максимума распухания дистанционирующей проволоки (точка 3, кривая 1) определяется по соотношению
t_твэл[h(Sмаксд)] ≃ t_д[h(Sмаксд)]+Δτ_α
(10)
Температура оболочки в районе максимума распухания оболочки (точка 2, кривая III) определяется соотношением
t_твэл[h(Sмакствэл)] × t_твэл[h(Sмаксд)]
(11)
В центральной части АЗ происходит максимальное энерговыделение, поэтому с достаточно высокой степенью приближения можно считать, что рассчитанная величина Δ τ_αявляется практически максимальной Δ τмаксα, т.е. Δτ_α ≲ Δτмаксα тогда, используя выражение (3), определяют максимальную температуру стенки твэла (точка 4, кривая III):
+ ≲ tмакствэл
(12) на расстоянии
Z(hмакствэл)≃ arctg
(13)
Таким образом, предложенный способ позволяет произвести коррекцию зависимости распределения температур оболочки твэла по высоте АЗ Т_твэл[Z(h)] используя до 5 реперных точек, определенных экспериментально.

Сравнение заявленного способа с известными стендовыми экспериментами показывает, что в предложенном способе ведется экспериментальное определение координат максимумов распухания материала оболочки и дистанционирующей проволоки после их штатной эксплуатации, местоположение которых по известному закону связано с температурными условиями работы твэлов.

Сопоставительный анализ с прототипом по определению изменений температур оболочки твэла в направлении течения теплоносителя показывает, что заявленный способ позволяет определить положение в АЗ участков с истинной, усредненной по времени эксплуатационной кампании, температурой оболочки твэла.

Экспериментальные послереакторные исследования штатных ТВС РБН, проведенные с целью определения температурных условий работы твэлов, позволяют выявить возможные отклонения действительных распределений температур от проектных. Изучение закономерностей в существовании разницы величины температурного напора как по сечению в одной ТВС, так и между различными ТВС позволяет уточнить реальные параметры эксплуатации твэлов ТВС РБН.

Сущность изобретения: способ основан на экспериментальном определении координат максимумов распухания материала дистанционирующей проволоки и материала оболочки твэла. Координаты максимумов распухания оболочки и дистанционирующей проволоки определяют по окончании реакторной кампании. Местоположение максимумов распухания известным математическим законом связано с температурными условиями работы твэлов. Это позволяет определить положение в активной зоне участков с истинной, усредненной по времени экспериментальной кампании, температурой оболочки твэла. 1 ил.

СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР В УЗЛАХ АКТИВНОЙ ЗОНЫ БЫСТРОГО РЕАКТОРА, заключающийся в определении температуры оболочки твэлов в реперных точках и последующем нахождении температурного поля путем известных математических приемов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения тепловых режимов активной зоны, исследования ведут по окончании реакторной компании, определяют координаты максимумов распухания материала оболочки твэлов и дистанционирующей проволоки, а о температуре оболочки твэла судят по величине температурного напора Δτ_α в центральной части активной зоны, зависящей от координат максимумов распухания, по соотношению

где Δh - величина смещения максимумов распухания материала оболочки твэла и дистанционирующей проволоки относительно друг друга, мм;
ΔT - температура подогрева теплоносителя по высоте активной зоны, ^oС;
H - высота активной зоны, мм.