Материал: Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

5.ТЕПЛОГИДРАВЛИКА

5.1.Тепловыделение и отвод тепла в реакторе

Энергия деления преобразуется в тепловую различными путями. Около 90 % тепла получается за счет кинетической энергии осколков деления и β-частиц. Тепловыделение пропорционально числу делений в единице объема за единицу времени, которое в реакторе на тепловых нейтронах равно ΣfФ (Σf – макроскопическое сечение деления ядерного топлива; Ф – плотность потока тепловых нейтронов в ядерном топливе). Если концентрация ядерного топлива в активной зоне постоянна, то плотность тепловыделения пропорциональна плотности потока Ф. Остальные 10 % энергии деления выделяются в активной зоне, отражателе и биологической защите при поглощении γ-квантов и замедлении быстрых нейтронов.

Тепловыделение, как и плотность потока нейтронов, неравномерно в активной зоне. Максимальное значение плотности тепловыделения – в центре реактора, а минимальное – вблизи его границы.

Коэффициенты неравномерности тепловыделения и плотности потока нейтронов совпадают между собой. При больших коэффициентах неравномерности распределения энерговыделения по ТВС kq тепловая нагрузка ТВС очень неравномерна: небольшое число центральных ТВС имеет максимальную нагрузку, а остальные ТВС работают с меньшим kq.

Чтобы выровнять тепловыделение по радиусу активной зоны, повышают удельную скорость делений по мере приближения к пе-

риферии активной зоны. Это достигается увеличением обогащения 235U в периферийных ТВС.

При радиальном выравнивании тепловыделения активную зону разбивают на несколько концентрических зон (орбит симметрии). В каждой зоне помещаются ТВС, содержание 235U в которых увеличивается по мере удаления зоны от центральной оси реактора.

В зависимости от уровня мощности теплоотдача от твэлов к воде может осуществляться различным образом [2].

1. Если температура поверхности твэлов ниже температуры кипения теплоносителя при данном давлении, то имеет место конвективный теплообмен с однофазной жидкостью.

126

2.Если температура поверхности твэлов выше температуры кипения теплоносителя при данном давлении, то вода в пристеночном слое перегревается и при наличии центров парообразования закипает, то есть возникает поверхностное кипение. Режим кипения при относительно малых тепловых потоках пузырьковый. Образовавшиеся пузырьки пара отрываются и уносятся с поверхности твэлов потоком теплоносителя. При попадании пузырьков пара в слой недогретой до кипения воды они конденсируются с отдачей тепла. Появление пузырькового кипения недогретой жидкости вызывает сильную турбулизацию потока теплоносителя, что также увеличивает теплоотдачу от поверхности твэлов.

3.При дальнейшем увеличении теплового потока количество образующихся пузырьков пара и, следовательно, площадь поверхности твэлов, занятая паровой фазой, увеличивается. Если температура теплоносителя становится выше температуры кипения при данном давлении, то поверхностное кипение воды переходит в объёмное, при котором пузырьки пара не конденсируются в объёме жидкости.

4.При определённом сочетании значений теплового потока, расхода охлаждающей среды и её массового паросодержания пузырьковый режим кипения переходит в плёночный, при котором паровая фаза занимает всю площадь поверхности твэлов. Механизм теплоотдачи при этом резко меняется: на поверхности твэлов появляется сплошная паровая плёнка с большим термическим сопротивлением. Конвективный теплообмен практически прекращается

иколичество отводимого от твэлов тепла ограничивается теплопроводностью через паровую плёнку. Температура твэлов при этом резко возрастает, что может привести к расплавлению оболочки и топлива. Очевидно, что при эксплуатации реакторов такой режим, называемый кризисом теплообмена, должен быть исключён соответствующим ограничением мощности реактора и отдельных ТВС.

Интенсивность теплообмена между поверхностью твэлов и теп-

лоносителем определяется коэффициентом теплоотдачи α. Он равен количеству тепла, переданного через единичную поверхность за единицу времени, если разность температур поверхности и теплоносителя равна 1 град. Плотность теплового потока [1,2]:

где q – плотность теплового потока, Вт/м2, tст – температура поверхности твэла, °C; t – температура теплоносителя; α – коэффи-

циент теплоотдачи от поверхности твэла к воде, Вт/м2град (для ВВЭР значение α находится в пределах 3,3–3,5 104 Вт/м2град).

Плотность теплового потока в современных энергетических реакторах достигает нескольких тысяч киловатт на 1 м2. Коэффициент теплоотдачи α пропорционален v0,8 (v – скорость теплоносителя). Поэтому при постоянном значении q температура tст уменьшается с увеличением скорости v. Верхний предел скорости жидких теплоносителей ограничивается эрозией (размыванием) поверхности защитной оболочки. Поток жидкости, текущей с большой скоростью, смывает с защитной оболочки микроскопические кусочки металла. Длительный унос металла с поверхности может привести к разрушению защитной оболочки. Максимальные скорости жидких теплоносителей с приемлемой эрозией металлической поверхности не превышают 10 м/с. Для получения высоких коэффициентов теплоотдачи газовые теплоносители прокачиваются через активную зону со скоростью до 60 м/с. Максимальную скорость газа выбирают с таким расчетом, чтобы были приемлемы и коэффициент теплоотдачи, и расход мощности на прокачку газа.

Температурный напор t = tст – t в некипящих реакторах ограничивается или пленочным кипением, или химической нестойкостью конструкционных материалов в теплоносителе. Пленочное кипение может возникнуть при невысоких температурах в ВВЭР и ВГР. Максимальная температура жидких металлов в реакторах значительно ниже температуры кипения. В этом случае ограничителем температурного напора является химическая нестойкость конструкционных материалов.

С повышением температуры стенки увеличивается температурный напор t. На стенке начинается образование пузырьков пара, которые растут, а затем отрываются от поверхности. После отрыва пузырьков происходит дополнительное перемешивание воды около стенки, и теплообмен улучшается. Такой режим кипения называют пузырьковым. По мере повышения температурного напора на поверхности возникает все больше и больше пузырьков. При определенном температурном напоре на поверхности образуются не отдельные пузырьки, а целая пленка водяного пара, а пузырьковое

128

кипение переходит в пленочное. Водяной пар – плохой проводник тепла. Поэтому условия теплообмена при пленочном кипении резко ухудшаются, и появляется опасность перегрева твэлов.

Опасность пленочного кипения возникает при резком падении давления в первом контуре без соответствующего снижения уровня мощности реактора. Твэлы в кипящих реакторах работают в более напряженных условиях, чем в некипящих реакторах. Тепловыделение и теплообмен в активной зоне обусловливают изменение температур теплоносителя t(z), защитной оболочки tст(z) и ядерного топлива tU(z) вдоль канала.

На рис. 5.1 показана зависимость температур от координаты z по оси топливного канала со стержневым твэлом в реакторе без торцевых отражателей, за начало координат принят геометрический центр канала.

Температура теплоносителя t(z) монотонно увеличивается от температуры входа t1 до температуры выхода t2. Подогрев теплоносителя t = t2 – t1 в реакторе с определенной мощностью зависит от расхода теплоносителя Q. Чем выше расход Q, тем меньше подогрев теплоносителя.

Температура стенки защитной оболочки твэла:

Плотность теплового потока q(z) вдоль канала в реакторе без торцевых отражателей, так же как и плотность потока нейтронов, изменяется по закону косинуса. Если начало координат поместить

0 H

где q0 – плотность теплового потока в центре канала.

129

Коэффициент теплоотдачи α мало меняется по длине канала, если теплоноситель остается в одном агрегатном состоянии. Поэтому температура стенки tст(z) зависит от изменения двух величин: t(z) и q(z). Первая из этих функций монотонно возрастает с увеличением z, вторая (при z > H/2) – монотонно убывает. Как следствие такого изменения величин t(z) и q(z) температура стенки tcт(z) принимает максимальное значение на участке канала от z = H/2 до z = H. Наличие максимума объясняется тем, что температура теплоносителя на выходном участке почти постоянна, в то время как плотность теплового потока на этом участке резко падает.

Допустимая температура стенки ограничивается коррозионной стойкостью защитной оболочки в теплоносителе, ее механической прочностью и возможностью пленочного кипения.

Температура ядерного топлива изменяется в радиальном направлении и достигает максимума t(x) на оси стержневого твэла. Различие температур tU(x) и tст(x) связано с плотностью теплового потока q(x), радиусом сердечника R и коэффициентом теплопроводности ядерного топлива λят уравнением

Так как коэффициент теплопроводности λят мало зависит от температуры, то на изменение температуры tU(z) при постоянном значении R влияют две величины: tст(z) и q(z). Температура стенки сначала повышается, достигает максимума, затем падает. Плотность теплового потока q(z) является (при z > H/2) монотонно убывающей функцией от (z). Поэтому максимум температуры на оси стержневого твэла (см. рис. 5.1) лежит ближе к центру канала, чем максимум температуры стенки. Максимальная температура ядерного топлива, а вместе с ней и удельная мощность, ограничиваются температурой плавления и распуханием.

5.2. Гидравлические характеристики ВВЭР-1000

На рис. 5.2 приведён вид реактора ВВЭР-1000. В конструкцию ВВЭР-1000 заложены многие решения, которые являются общими для реакторов всех трёх поколений. Для корпуса реактора применяется высокопрочная низколегированная сталь, что обеспечивает

130