ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
  • СОЗДАНИЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
  • ЭФФЕКТИВНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМНОЖЕНИЯ
  • НЕЙТРОННЫЙ ПОТОК
  • УСТРОЙСТВО РЕАКТОРА
  • ОТВОД ТЕПЛОТЫ В РЕАКТОРЕ
  • ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ
    ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА
  • УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТОРОМ РЕГУЛИРОВАНИЕ
    МОЩНОСТИ РЕАКТОРА
  • АКТИВНАЯ ЗОНА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
  • ОСНОВЫ РАДИАЦИАННЫЙ БЕЗОПАСНОСТИ
  • МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ
    ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
  • Изменение нейтронного потока во времени
  • Мощность и кампания реактора
  • Контрольная работа № 1
  • Контрольная работа № 2
  •  

    ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА

    Расчет распределения температуры теплоносителя по длине ТВЭЛ будем производить при следующих заданных исходных данных: закон или эпюра энерговыделения, расход теплоносителя на один ТВЭЛ, тип и геометрия ТВЭЛ, (стержневой ТВЭЛ), температура теплоносителя на входе в ТВЭЛ. В дальнейших расчетах длину ТВЭЛ обозначим Н, текущую длину h, а длину ТВЭЛ с эффективной добавкой Н´ (рис. 3.7).

    Для симметричного энерговыделения начало координат расположим в точке h = o. В этом случае тепловыделение по длине (высоте реактора) будет соответствовать закону синуса

     . (3.38)

    Рис. 3.7. Синусоидальный закон тепловыделения по высоте ТВЭЛ

    В дальнейшем будем использовать удельные тепловые потоки, приходящиеся на единицу длины ТВЭЛ

     , (3.39)

    где Sт – площадь сечения топлива в тепловыделяющемся элементе; в нашем случае .

    Уравнение баланса тепла для участка ТВЭЛ длиной h напишем в следующем виде:

    , (3.40)

    где Qh – количество тепла, воспринимаемое теплоносителем, нагретым до температуры tт при прохождении участка ТВЭЛ длиной h-δ.

    В результате решения уравнения (3.41) получим

    , (3.41)

    где

    .

    Уравнение 3.41 позволяет определить температуру теплоносителя в любом сечении по длине ТВЭЛ. Оно справедливо для теплоносителей всех видов. Свойство теплоносителей выражается через соотношение для А, в которое входит расход Gт и теплоемкость С теплоносителя.

    Графическая иллюстрация зависимости (3.41) на рис. 3.8 представлена кривой 1. Наиболее крутой подъем температурной кривой, имеющийся в средней части длины ТВЭЛ отражает более высокое тепловыделение этого участка.

    Температуру теплоносителя на выходе из тепловыделяющей сборки найдем по уравнению (3.41), если вместо h подставить значение Н´-δ,

     . (3.42)

    Из формулы (3.42) следует, что для принятой тепловой мощности ТВЭЛ приращение температуры теплоносителя будет тем больше, чем меньше его расход и теплоемкость.

    Рис. 3.8. Изменение температуры по длине ТВЭЛ: 1 – теплоносителя; 2 – стенки оболочки со стороны теплоносителя; 3 – стенки оболочки со стороны топлива; 4 – топлива

    Рис. 3.9. Изменение температуры по сечению стержневого ТВЭЛ

    Температуры в рассматриваемом сечении стержневого ТВЭЛ обозначены на рис. 3.9, где  - температура поверхности оболочки со стороны теплоносителя, а  - со стороны, примыкающей к топливу. Принято, что ТВЭЛ охлаждается симметрично, а следовательно, наибольшая температура топлива устанавливается на продольной оси стержня.

    Температура теплоносителя tст со стены теплоносителя определяется зависимостью:

     . (3.43)

    Зависимость (3.43) позволяет определить температуру поверхности оболочки со стороны теплоносителя в любом сечении по длине ТВЭЛ. Исследование этой зависимости показывает, что в одном из сечений с координатой  находящемся во второй по ходу теплоносителя половине ТВЭЛ, устанавливается максимальная температура стенки t´ст max

     . (3.44)

    Из формулы (3.44) следует, что максимальная температура поверхности оболочки со стороны теплоносителя зависит от абсолютного значения температуры теплоносителя на входе tвх, теплофизических свойств теплоносителя (величины А), тепловой нагрузки ТВЭЛ, коэффициента теплоотдачи и геометрических характеристик ТВЭЛ (величина В´). Значение координаты h´о находится из условия

     .

    На рис. 3.8 кривой 2 представлено изменение температуры стенки оболочки со стороны теплоносителя в соответствии с уравнением (3.43). Абсолютная величина t´cт max должна находиться в допустимых пределах для рассматриваемых теплоносителей и материалов оболочки. Например, при водном теплоносителе определяющей величиной чаще всего является температура кипения воды ts при давлении в первом контуре.

    Необходимость исключения пристеночного кипения в этом случае требует, чтобы температура стенки была не выше, чем ts+5 oC. Значит должно соблюдаться условие tст max ≤ ts+5.

    Зависимость для температуры поверхности оболочки ТВЭЛ со стороны топлива будет

     , (3.45)

    где

     . (3.46)

    После подстановки t´ст из (3.43) получаем

     . (3.47)

    На рис. 3.8 изменение температуры оболочки по зависимости (3.47) показано кривой 3.

    Максимальная температура оболочки со стороны горючего устанавливается в сечении с координатой , которая находится в результате решения уравнения (3.47) на максимум (полагая );

     . (3.48)

     . (3.49)

    Увеличение температуры стенки со стороны топлива по сравнению с   для тонких оболочек составляет небольшую величину, однако при больших тепловых потоках и малой теплопроводности материала оболочки эта разность может достигать нескольких десятков градусов.

    Значение максимальной температуры оболочки со стороны топлива должно быть ниже допустимой температуры, которая обусловливается термической стойкостью материала оболочки, совместимостью материала оболочки с топливом и другими факторами.

    Значения наибольшей температуры топлива находим по зависимости:

    , (3.50)

    где

    .

    Определив предварительно значения постоянных А, В´, В и D, можно рассчитать величину наибольшей температуры топлива в любом участке ТВЭЛ в зависимости от h. Исследование уравнения (3.50) показывает, что максимальная из наибольших температур устанавливается в сечении, находящемся во второй половине (по движению теплоносителя) длины ТВЭЛ. Обозначим расстояние от этого сечения до начала координат hот. Взяв производную уравнения (3.50), и приравняв ее к нулю, найдем

    . (3.51)

    Подставив значение  в уравнение (3.50), получим формулу для максимальной температуры топлива в ТВЭЛ

    . (3.52)

    ПРОВЕРКА НА ПРИСТЕНОЧНОЕ КИПЕНИЕ

    При охлаждении реакторов водой необходимо производить проверку на пристеночное кипение и запас по критической тепловой нагрузке.

    Пристеночным кипением называют такой процесс, когда у стенки, охлаждаемой недогретой до температуры кипения жидкостью, происходит парообразование, а образовавшиеся пузырьки пара, попадая в недогретое ядро воды, конденсируются. Подобное явление возможно, когда температура стенки выше температуры кипения воды при рассматриваемом давлении. Таким образом, наличие запаса до кипения в ядре потока не всегда исключает парообразование на поверхности ТВЭЛ. Поэтому тепловой режим реактора приходится оценивать не только по недогреву теплоносителя на выходе из реактора, но и по недогреву до пристеночного кипения.

    Если запас на пристеночное кипение обозначить ΔtПК, а температуру насыщения t´ то допустимая температура стенки будет равна

     . (3.53)

    Значение Δtпк обычно принимается в пределах 3÷10° С. Очевидно, что с целью получения в реакторе большего теплосъема, значение Δtпк нужно принимать по возможности наименьшим или же допускать даже некоторые превышения температуры стенки над температурой насыщения.

    Однако в этом случае появляется опасность снижения надежности отвода тепла, так как возможные отклонения и в режимных параметрах, и в конструктивных характеристиках ТВЭЛ от их оптимальных значений при наличии пристеночного кипения могут с большей вероятностью вызвать перегрев ТВЭЛ. Основным опасением при наличии пристеночного кипения является возможное нарушение условий охлаждения стенки ввиду влияния паровой фазы на гидродинамику потока теплоносителя. В данном случае ясно проявляется противоречие двух тенденций: с одной стороны, необходимо получить наибольший теплосъем и повысить КПД установки, что возможно при уменьшении величины ТПК, с другой - обеспечить наибольшую надежность, что достигается увеличением Δtпк .

    ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

    1. Что является источником тепловыделения при делении ядра урана? Какова доля кинетической энергии осколков деления?

    2. Определите суточный расход 235U на получение в реакторе тепловой энергии при мощности 1 МВт.

    3. Выразите мощность реактора через нейтронный поток и расход теплоносителя.

    4. Чем определяются параметры теплоносителя корпусного реактора?

    5. Представьте графически изменение температуры теплоносителя и рабочей среды в парогенераторе энергоблока с реактором ВВЭР.

    6. Какие параметры теплоносителя приняты для реактора РБМК?

    7. Какие параметры теплоносителя (жидкого металла) приняты для установок с реактором БН?

    8. Изложите последовательность определения размеров активной зоны реактора ВВЭР.

    9. Как изменяются средние и максимальные тепловые потоки, приходящиеся на единицу объема горючего? На единицу поверхности нагрева? На единицу длины ТВЭЛ.

    10. Приведите последовательность расчета максимальных температур оболочки и горючего ТВЭЛ?

    11. Как устроены горизонтальный и вертикальный парогенераторы блока с реактором ВВЭР?

    АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (АЭС)