Методика определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ
|
Витюк, Владимир Анатольевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Томск-Курчатов
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.14
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Витюк Владимир Анатольевич
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
31 ик/ дщ
Томск-2013
005536230
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», на кафедре технической физики, и в филиале «Институт атомной энергии» Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения «Национальный ядерный центр Республики Казахстан».
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор
Шаманин Игорь Владимирович
Официальные оппоненты:
Бутов Владимир Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», отдел 100 Научно-исследовательского института прикладной математики и механики, заведующий отделом
Гольцев Александр Олегович, доктор технических наук, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», лаборатория топливных циклов и расчетных моделей, начальник лаборатории
Ведущая организация: ОАО «Ордена Ленина Научно-
исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени H.A. Доллежаля», г. Москва
Защита диссертации состоится 29 ноября 2013 г. в 10 час. 30 мин. на заседании совета Д 212.267.13, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 (корпус № 10).
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.
Автореферат разослан « » октября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, старший научный сотрудник
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена исследованию связи между теплофизическими и энергетическими параметрами испытаний внутриреакторных экспериментальных устройств в импульсном графитовом реакторе (ИГР) и созданию на основе полученных результатов методики определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях.
Актуальность работы. Имитационные испытания твэлов и TBC в исследовательских реакторах являются наиболее представительным способом получения экспериментальных данных о поведении реакторного топлива в различных режимах работы. При проведении экспериментов в реакторных условиях может быть достигнуто максимальное приближение к реальным эксплуатационным режимам, и, следовательно, поведение топлива в максимальной степени может соответствовать реальному.
Целью внутриреакторных экспериментов является установление параметров и механизмов поведения реакторного топлива в тех случаях, когда аналитические модели не позволяют получить правильного прогноза о направлении и количественных параметрах развития эксплуатационной ситуации. Достижение этой цели невозможно без использования методик, позволяющих с достаточной точностью определять параметры экспериментов.
Одним из наиболее востребованных для проведения такого рода испытаний является импульсный графитовый реактор [1], технические характеристики которого обеспечивают возможность моделирования тяжелых аварий в широком диапазоне основных определяющих величин, таких как флюенс тепловых нейтронов (до 1016 н/см2) и максимальная плотность потока тепловых нейтронов (до 1017 н/(см2 с)).
Актуальной задачей при проведении внутриреакторных импульсных исследований на ИГР является реализация заданных энергетических параметров в топливе испытываемых TBC и определение их значений по результатам испытаний.
Для определения энергетических параметров модельных TBC, а также для решения задачи выбора параметров работы ИГР в испытаниях до настоящего времени применялась методика экспериментального измерения интегрального энерговыделения с использованием спектрометрических исследований мониторов энерговыделения и топливной композиции [2]. Основными недостатками этой методики являются:
- необходимость проектирования и изготовления физического макета модельной TBC;
- ограниченные уровни облучения топлива и детекторов и, следовательно, относительно низкий уровень энерговыделения ИГР при проведении физических исследований в сравнении с уровнем имитационных испытаний;
- низкая оперативность определения энерговыделения, обусловленная как длительностью процедуры спектрометрических измерений, так и необходимостью выдержки TBC после облучения.
В настоящей работе представлен новый подход к решению задачи определения энергетических параметров модельных TBC в экспериментах на ИГР, основанный на использовании результатов измерений теплофизических параметров испытаний. На исследовательских реакторах, обеспечивающих возможность реализации продолжительных стационарных режимов, определение энергетических параметров TBC часто выполняется балансовыми методами, среди которых метод стационарного определения энерговыделения, теоретически, позволяет обеспечить получение результатов с погрешностью до 1%. Исследования на ИГР реализуются, как правило, в импульсном режиме работы реактора, при котором стационарный режим теплообмена в экспериментальном устройстве не достигается. Представленная методика определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов основана на решении уравнений теплового баланса и установлении связи между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных TBC в нестационарных режимах теплообмена.
Основным преимуществом такого подхода является то, что оценка термического состояния модельной TBC может быть выполнена практически при любом режиме облучения, не приводящем к разрушению конструкции TBC и средств измерения параметров, что позволит более качественно установить связь между энергетическими параметрами TBC и реактора при подготовке имитационных испытаний.
Целью диссертационной работы является разработка методики определения энергетических характеристик модельных TBC при проведении внутриреакторных импульсных экспериментов на основе результатов измерения теплофизических параметров.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- выполнить анализ существующих методов определения энергетических параметров TBC в экспериментальных устройствах исследовательских реакторов;
- разработать методические основы определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях по результатам измерений их теплофизических характеристик;
- провести аналитические и экспериментальные исследования в обоснование методики определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях по результатам измерений их теплофизических характеристик;
- продемонстрировать возможность определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях по результатам измерений их теплофизических характеристик;
- определить связь энергетических параметров модельной TBC и реактора для уровней энерговыделения близких к области имитационных испытаний, реализуемых для исследования поведения топлива в аварийных режимах.
Предмет исследования. Методика определения энергетических параметров модельных TBC при проведении импульсных внутриреакторных экспериментов на исследовательском реакторе на основе результатов измерений теплофизических параметров, в частности, температуры топлива, оболочек твэлов и конструкционных материалов, а также температуры и расхода рабочих тел (при их наличии).
Объект исследования. Взаимосвязь между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных TBC при проведении экспериментов в импульсном графитовом реакторе.
Методы исследования. Расчетно-экспериментальные исследования с установлением зависимостей между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных TBC при проведении импульсных экспериментов в ИГР.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
- решена задача определения энергетических параметров импульсных испытаний в ИГР с использованием результатов измерений теплофизических параметров;
- разработан математический аппарат для определения связи между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных TBC в импульсных испытаниях в ИГР;
- в серии импульсных экспериментов в ИГР с использованием результатов измерений теплофизических параметров определены значения пиковой мощности и интегрального энерговыделения в модельных TBC;
- на основании результатов измерений теплофизических параметров определена связь энергетических параметров модельных TBC и ИГР для уровней энерговыделения в реакторе, близких к уровням имитационных испытаний, реализуемых для исследований поведения топлива в аварийных режимах.
Практическая значимость работы. Предложенный подход к решению задачи определения энергетических параметров модельных TBC в экспериментах в ИГР, основанный на использовании результатов измерений теплофизических параметров и решении уравнения теплового баланса, позволяет усовершенствовать схему подготовки внутриреакторных имитационных испытаний. Применение разработанной методики определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов позволяет повысить существующую точность и оперативность определения пиковой мощности и энерговыделения в TBC, а также точность прогнозирования реализуемых энергетических параметров TBC в имитационных испытаниях за счет более качественного установления связи между энергетическими параметрами испытуемой TBC и реактора.
Разработанная методика применялась при выполнении экспериментальных внутриреакторных исследований в ИГР в обоснование конструкции активной зоны перспективного реактора с внутренне присущим свойством защищенности от аварий, обусловленных формированием бассейна расплавленного топлива критической конфигурации.
Методика определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов может применяться при испытаниях топлива в исследовательских реакторах при условии оснащения испытуемых модельных TBC необходимым набором средств измерения теплофизических параметров.
На защиту выносятся:
1. Методика определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных режимах испытаний по результатам измерений теплофизических параметров и на основании решения уравнения теплового баланса.
2. Результаты анализа расчетно-экспериментальных исследований по реализации методики определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов.
3. Результаты определения связи энергетических параметров испытуемых TBC и ИГР в серии методических экспериментов.
Связь темы диссертации с планами научных работ. Диссертационная работа выполнена в рамках Республиканской целевой научно-технической программы «Развитие атомной энергетики в Республике Казахстан»: за 20042008 гг., шифр Ц. 0346 по теме «Исследования процессов, сопровождающих тяжелые аварии энергетических реакторов с плавлением активной зоны», №ГР 0105РК00016, за 2009-2011 гг., шифр О. 0490 по теме «Исследования в обоснование безопасности использования объектов ядерной техники» №ГР 0109РК00537, а также по контракту EAGLH с Японским агентством по атомной энергии (JAEA, O-arai).
Личный вклад диссертанта заключается в его непосредственном участии в разработке методических основ расчета энергетических параметров модельных TBC в импульсных экспериментах; в разработке и создании экспериментальных устройств и проведении внутриреакторных методических экспериментов на импульсном графитовом реакторе; в проведении расчетов и анализе полученных результатов, написании статей, докладов и отчётов о НИР.
Апробация работы. Основные положения, результаты и рекомендации, отражающие исследования автора, докладывались на следующих семинарах и конференциях:
- четвертый семинар «Ядерный потенциал Республики Казахстан» (г. Алматы, Республика Казахстан», 1-2 ноября 2008 г);
- одиннадцатая конференция-конкурс НИОКР молодых ученых и специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан (г. Курчатов, Республика Казахстан, 11-13 мая 2011 г);
- восьмая международная конференция «Ядерная и радиационная физика» (г. Алматы, Республика Казахстан, 20-23 сентября 2011 г);
- международная конференция молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии» (г. Алматы, Республика Казахстан, 6-8 июня 2012 г);
-девятая международная конференция «Ядерная и радиационная физика» (г. Алматы, Республика Казахстан, 24-27 сентября 2013 г).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах и 2 — в сборниках статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка используемой литературы. Материал работы изложен на 129 страницах, включая 28 рисунков и 22 таблицы. Библиографический список включает 104 наименования.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Во введении дается обзор состояния проблемы, обосновывается актуальность темы, определяется цель и задачи исследования, сформулированы результаты, отражающие научную новизну и практическую значимость работы, перечислены основные положения, которые соискатель выносит на защиту, описывается структура диссертации.
В первом разделе показано, что важнейшими факторами, определяющими приемлемость ИГР для проведения исследований, является степень совершенства методов прогноза ожидаемых экспериментальных результатов и высокое качество их определения.
Представлен анализ методологических аспектов внутриреакторных испытаний модельных TBC, в частности, задачи определения энергетических параметров TBC в процессе испытаний и, связанной с этим, задачи выбора режимов испытаний на исследовательских реакторах. Сделан вывод о том, что для получения корректных результатов внутриреакторных экспериментов необходим метод, обеспечивающий достаточную степень точности определения и прогнозирования энергетических параметров испытаний.
Выполнен обзор практических способов определения энергетических параметров испытуемых TBC во внутриреакторных экспериментах. Представлено описание существующей процедуры определения и прогнозирования энергетических параметров TBC в испытаниях в ИГР, основанной на применении гамма-спектрометрического метода.
Аналитически показано, что реализация подхода к определению и прогнозированию энергетических параметров испытаний, основанного на использовании результатов измерений теплофизических параметров и решении уравнения теплового баланса, позволит упростить существующую процедуру подготовки и улучшить представительность результатов имитационных экспериментов в ИГР.
Сформулирована задача разработки методики определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях в ИГР по результатам измерений теплофизических параметров и на основании решения уравнения теплового баланса, с учетом нестационарного характера протекания тепловых процессов.
Во втором разделе приведено обоснование методики определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях с использованием результатов измерений теплофизических параметров. Рассмотрен баланс тепла для элементарного объема твэла v высотой Лг, расположенного в окрестности некоторой произвольной точки между двумя перпендикулярными оси TBC плоскостями. В общем виде
т
ву =Zß, (1)
где т - количество конструкционных элементов; Qx- суммарное количество тепла, выделившееся в объеме топлива vt за интервал времени г, Дж:
т
Q1 = Jj^W^vA; (2)
v О
Q, - количество тепла, затраченное на разогрев /-ого конструктивного элемента TBC, Дж:
Й = (3)
и О
где qv - объемная плотность энерговыделения в топливе, Вт/м3; v, -элементарный объем /-ого элемента, м3; р, - плотность материала /'-ого элемента, кг/м3; с, - удельная теплоемкость материала /-ого элемента, Дж/(кг-К); Tj - температура /-ого элемента, К.
Объемная плотность энерговыделения в топливе может быть выражена соотношением
чА^Кг.кМ = Кг.К^.п{-<), (4)
где Кп Kz - значение радиального и высотного коэффициента неравномерности энерговыделения в рассматриваемом объеме; V - объем топлива в TBC, м3; и(т) — безразмерная функция мощности, п(т) =
N(x): AL-
«пиковое» значение мощности в импульсе, Вт.
Вид функции и(т) известен по результатам эксперимента, при этом ее максимальное значение равно единице по условию нормировки.
Двойной интеграл, описывающий тепло, затраченное на разогрев /-ого элемента, можно преобразовать к выражению:
яр, -С, -fj- - а = р, -С, -V,. -ш-щьР, -г, -V,.. дт;, (5>
где cj - средняя теплоемкость материала /-ого элемента в интервале
температур 7;(о)..7;(т), Дж/(кг-К); 7](о), %{т) - среднемассовая температура
/'-ого элемента в момент времени т, К.
Выражение (1) можно записать в виде
\т 1 m _
Кг ■ К, »f"v, J«(t)- dx = £p, ■ с,. • V,. ДГ,, (6)
' о
или, вынося в правой части за знак суммы слагаемое с / = 1 (относящееся к
топливу), получим:
N \ / \ -Глр -c -v АТЛ
Kr.Kt.^r№)-dz = pl.cl-yrbT1. ■ (7)
V о V '-I Pl С! V1
Выполнив замену v/v, = F/F,, где F; - площадь поперечного сечения /'-ого элемента TBC, для пикового значения мощности TBC получим соотношение
К- ^ (tn-e) (8)
о
где m, = рi-V, - масса топлива в TBC, кг; у =Prcj'Fi - относительная
Prcr-f]
Л АТ<
теплоемкость /'-ого элемента; в, = —- относительная температура /-ого
д71
элемента.
Если в некоторый момент времени т <?« 1 для /' > 3, то расчет пикового значения мощности Nm можно проводить по первым двум слагаемым соотношения (8). При этом Д7; и ¿¡Гг следует определять по показаниям датчиков температуры (термопар), установленных в твэле на одной высоте, т.е.
N + ф 2.дг2), (9)
где Г-интеграл безразмерной мощности вспышки, равный
о 0 "m 0 'm
где N(x) и Nm - текущее и максимальное значение мощности реактора, Вт; 1(х) и Im - текущее и максимальное значение показаний токовой камеры реактора, А.
Усреднив значения по каждой паре термопар, получим оценку пикового значения мощности:
Л^Д.%, (10)
где N„у — рассчитанное по формуле (8) по показаниям у-ой пары термопар значение, Вт; п - количество пар термопар.
Общая погрешность результатов определения мощности TBC определяется из выражения:
Sn"' = 4erN + а'к'
где - случайная погрешность многократных измерений, определяемая выражением:
где tm — коэффициент Стьюдента для я измерений при доверительной вероятности а; <т - среднеквадратичное отклонение результатов измерений от среднего арифметического в данной серии измерений.
а,у - погрешность однократных косвенных измерений мощности в точке, определяется как погрешность функции нескольких переменных:
Л &1&J
где cN/dXj - частная производная мощности по переменной х,\ ах, -погрешность измерения переменной xt; т — количество независимых переменных.
Оценку суммарного энерговыделения в импульсе можно выполнить по формуле:
0V Ш = (11)
^ о Кг -К2
При определении энергетических характеристик TBC в импульсе по выражениям (9) и (11) не будут учтены составляющие, связанные с передачей тепла от TBC к окружающим конструкционным материалам и теплоносителю. Поэтому, для оценки ошибки расчета необходимо оценить утечки тепла от TBC за время т.
Представлены способы определения величины утечек тепла, корректность которых является важной с точки зрения точности решения балансовых уравнений и определения энергетических параметров TBC. Утечки тепла определяются с учетом конструктивных особенностей и режимов испытаний внутриреакторных экспериментальных устройств.
Установлено, что представленная методика может применяться для определения энергетических параметров TBC при проведении внутриреакторных экспериментов. При этом в каждом конкретном случае могут быть свои характерные особенности в отношении подхода к проведению тепловых расчетов и математического представления теплофизических процессов, протекающих в экспериментальном устройстве.
Выяснено, что основными факторами, влияющими на корректность результатов применения методики, являются точность определения теплофизических параметров в процессе эксперимента, правильность
выбранного подхода к проведению тепловых расчетов и полнота учета параметров теплообмена в экспериментальном устройстве. Энергетические параметры TBC определяются косвенно, на основе измерений теплофизических параметров в точке, поэтому в процессе подготовки экспериментов важно свести к минимуму погрешность измерений теплофизических параметров, а также в полной мере учесть конструктивные особенности TBC и их влияние на протекание тепловых процессов в экспериментальном устройстве.
В третьем разделе приводятся результаты расчетно-экспериментальных исследований по реализации методики определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов.
Экспериментальные исследования выполнены на ИГР, который относится к классу гомогенных реакторов с активной зоной, составленной из графита, пропитанного солью урана (уранилдинитратом). ИГР является единственным в мире мощным действующим исследовательским реактором, позволяющим проводить разрушающие эксперименты с большими экспериментальными устройствами, загруженными значительным количеством исследуемого топлива - до 10 кг в виде диоксида урана в составе модельных TBC.
Разработаны схемы проведения экспериментов, определены режимы испытаний и состав средств измерений параметров.
Представлено описание внутриреакторных экспериментальных устройств (ЭУ), использованных при реализации разработанной методики определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных экспериментах (рисунок 1), приведены характеристики и схемы расстановки средств измерений параметров.
1 - TBC, 2 — тракт охлаждения TBC, 3 - теплоизоляционный пакет, 4 - корпус TBC, 5 - силовой чехол (на разрезе условно не показан)
а) ЭУ-1
1 - TBC, 2 - камера TBC, 3 - граница газовой полости, 4 - графитовый стакан,5 - графитовый войлок, 6 - корпус чехла TBC, 7 - силовой корпус
б) ЭУ-2
Рисунок 1 - Принципиальные схемы экспериментальных устройств
Приведены результаты физического (предварительного) и методического (основного) этапа исследований. В рамках физического этана определены значения относительной неравномерности энерговыделения в TBC (рисунок 2).
£
\
N
)
/
? J
i' Н
ч i
/ /
¡1.01
11.0 6Г
а) TBC ЭУ-1
б) TBC ЭУ-2
Рисунок 2 - Результаты определения неравномерности энерговыделения в
TBC
В рамках методического этапа реализованы шесть пусков ИГР (рисунок 3, таблица 1) с экспериментальными устройствами, в которых осуществлялась регистрация теплофизических параметров (рисунки 4 и 5).
а)
Таблица 1 -Энерговыделение в активной зоне ИГР в экспериментах
Экспериментальное Номер Энерговыделение в активной
устройство эксперимента зоне ИГР, МДж
1 43
ЭУ-1 2 81
3 105
4 325
ЭУ-2 5 520
6 865
эксперименты с устройством ЭУ-1 б) эксперименты с устройством ЭУ-2 Рисунок 3 - Диаграмма мощности ИГР в экспериментах
20 30 40
Время, с
« Эксперимент №2 -»Эксперимент №3
-- Эксперимент №4
-«-Эксперимент №1
25 30 35
Время с
- Эксперимент №5 —Эксперимент М26
в) третий эксперимент Рисунок 4 - Основные результаты экспериментов с ЭУ-1
о 50 100 150 200 250 300 350 400
б) пятый эксперимент
50 100 150 200 250 300
Вр«мя, с
а) четвертый эксперимент
в) шестой эксперимент
Рисунок 5 - Основные результаты экспериментов с ЭУ-2
Представлены результаты обработки показаний средств измерений теплофизических параметров и расчета энергетических параметров модельных TBC в методических экспериментах (таблица 2).
Таблица 2 - Результаты определения энергетических параметров TBC в серии методических экспериментов
Устройство ЭУ-1 ЭУ-2
Номер эксперимента 1 2 3 4 5 6
Количество теплоты на разогрев TBC*, кДж 504±9 950±15 1134±30 502±8 732±15 1155±32
Утечки теплоты от TBC, кДж, в том числе: 28 55 24 11 14 49
- конвективным теплообменом, кДж; 18 36 9 7 7 11
- тепловым излучением, кДж 10 19 15 4 7 38
Энерговыделение в TBC, кДж 545±11 1030±18 1168±30 510±8 746±15 1204±32
Удельное энерговыделение в TBC, Дж/г(и02) 91±2 173±3 196±5 253±4 370±7 597±16
Мощность TBC (пиковая), кВт 530±11 1065±18 44±1 480±8 568±11 736±20
^результаты представлены с указанием стандартного отклонения среднего для соответствующего количества измерений
Погрешность определения энергетических параметров TBC в экспериментах с использованием разработанной методики находится в диапазоне от 5,8 % до 12,7 %.
Представлено сравнение результатов применения разработанной методики и спектрометрического метода при определении энергетических параметров TBC ЭУ-1 (таблица 3). Приведенные результаты находятся в интервале ±5% от среднего, что указывает на отсутствие противоречий между полученными по независимым методикам результатами. Кроме того, наблюдается случайный характер отклонения значений параметров от среднего, что позволяет предположить отсутствие систематической ошибки при использовании данных методик.
Таблица 3 - Результаты определения интегрального по TBC энерговыделения и мощности TBC ЭУ-1 с использованием двух независимых методик
Номер эксперимента 1 2 3
Методика QtBCJ кДж Ntbo кВт Qtbo кДж Ntbc» кВт QtBC; кДж Ntbc, кВт
Разработанная методика* 545+11 530+11 1030±18 1065+18 1168+30 44±1
Спектрометрический метод 531+30 516±30 1051+60 1087+60 1273±70 48+2
Среднее взвешенное значение параметра 543±10 528±10 1032±17 1067117 1184±27 45+1
^результаты представлены с указанием стандартного отклонения среднего для соответствующего количества измерений
На основании проведенных исследований определены базовые значения отношения энерговыделения в топливе модельных TBC и в реакторе ИГР. Полученные значения использовались для установления параметров работы реактора ИГР в имитационных экспериментах.
у= 0,0 R* = 0. 99х 986
У
У
у = 0.0007х
R = 0.9957
V
i
Энерговыделе мие в реакторе. МДт.
ЭУ-1
Энерговыделение в реакторе. Mit«
ЭУ-2
Рисунок 6 — Результаты определения базового отношения энергетических параметров испытуемых TBC и реактора ИГР
По результатам проведенных расчетно-экспериментальных исследований показана возможность оперативного определения энергетических параметров импульсных реакторных экспериментов с высоким уровнем энерговыделения, при котором применение гамма-спектрометрического метода становится крайне затруднительным. За счет этого улучшается качество определения связи энергетических параметров TBC и реактора при подготовке имитационных испытаний.
В заключении констатировано достижение поставленной цели диссертационной работы, сформулированы ее основные результаты и выводы. Отражена их научная и практическая значимость.
16
Основные результаты и выводы диссертационной работы следующие:
1. Разработана методика определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях в ИГР, основанная на решении уравнения теплового баланса и установлении зависимостей между энергетическими и теплофизическими параметрами объекта испытаний.
2. Разработаны схемы внутриреакторных экспериментов по отработке методики определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях. Впервые на ИГР реализована серия из шести методических экспериментов с использованием двух типов устройств, отличающихся размерно-материальными характеристиками и конфигурацией топливных сборок.
3. Впервые с использованием результатов измерений теплофизических параметров определены мощность и интегральное энерговыделение модельных TBC для близких к области имитационных испытаний уровней энерговыделения.
4. Установлена связь энергетических параметров объектов испытаний и ИГР. Определены базовые отношения энерговыделения в TBC и в реакторе, которые использовались при подготовке и реализации имитационных испытаний.
5. Улучшена представительность результатов внутриреакторных экспериментальных исследований. Предложенный подход рекомендован в качестве типичной процедуры для подготовки внутриреакторных имитационных экспериментов по изучению поведения топлива и конструкционных элементов ядерных реакторов в переходных и аварийных режимах.
Оценка полноты решений поставленных задач. Поставленные в диссертационной работе цели достигнуты в полном объеме, решены все намеченные экспериментальные и теоретические задачи. На основе проведенных исследований создана новая методика определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов.
Разработка рекомендаций и исходные данные по конкретному использованию результатов. Разработанная методика может быть использована для определения энергетических параметров модельных TBC при проведении экспериментов на исследовательских реакторах при условии оснащения экспериментальной секции необходимым набором средств измерения теплофизических параметров.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Работа и полученные результаты соответствуют современному научно-техническому уровню, теоретические результаты получены с использованием проверенного математического аппарата, отличаются комплексным подходом, выводы не противоречат общепринятым представлениям. Высокий научно-технический и методический уровень выполненной работы подтверждается тем, что
полученные результаты и выводы на их основе обсуждены на международных конференциях, опубликованы в рецензируемых журналах, сборниках статей, трудах конференций и семинаров.
Литература.
1. Курчатов, И.В. Импульсный графитовый реактор ИГР / И.В. Курчатов, С.М. Фейнберг, H.A. Доллежаль // Атомная энергия. - 1964. -Т. 17,№6.-С. 463-474.
2. Определение энерговыделения в топливных детекторах гамма-спектрометрическим методом при проведении испытаний на реакторе ИГР : методические указания / Национальный ядерный центр Республики Казахстан ; разраб.: М.О. Токтаганов [и др.]. - Курчатов, 2001. - 16 с. -АК.65000.00.728 МУ. - Инв. № К-38051 от 04.03.2001.
Основные результаты диссертационной работы представлены в следующих публикациях:
Статья, опубликованная в журнале, входящем в перечень российских рецензируемых журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций:
1. Витюк В.А. Теплофизический метод определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях на реакторе ИГР / В.А. Витюк, А.Д. Вурим, С.Б. Козловский, И.В. Шаманин // Известия Томского политехнического университета. - 2013. - Т. 323, вып. 2. - С. 168-173.-0,4/0,3 пл.
Публикации в других научных изданиях:
2. Витюк В.А. Реакторные эксперименты по исследованию тяжелых аварий энергетических реакторов с плавлением активной зоны / В.А. Витюк,
A.B. Пахниц // Ядерный потенциал Республики Казахстан : 4-й семинар : сборник докладов / Ассоциация «Ядерное общество Республики Казахстан». - Алматы, 2008. - С. 35-45. - 0,67 / 0,43 пл.
3.Васильев Ю.С Исследования процессов, сопровождающих тяжелые аварии энергетических реакторов с плавлением активной зоны / Ю.С. Васильев, А.Д. Вурим, A.A. Колодешников, Ю.В. Алейников,
B.В. Бакланов, В.А. Витюк, В.А. Гайдайчук, Д.А. Гановичев, B.C. Жданов,
B.А. Зуев, В.И. Игнашев, Е.В. Козловский, A.B. Микиша, A.B. Пахниц,
C.Н. Пешехонов, И.В. Прозорова, Е.В. Тарасенко // Экспериментальные исследования в области безопасности атомной энергии / Национальный ядерный центр Республики Казахстан. - Курчатов, 2010. - С. 225-263. -2,36/0,12 пл.
4. Жотабаев Ж.Р. Выбор режима разогрева экспериментального устройства для внутриреакторных испытаний / Ж.Р. Жотабаев, A.M. Курпешева, В.А. Витюк, В.В. Романенко // Вестник Национального
ядерного центра Республики Казахстан. - 2010. - Вып. 4 (44). - С. 74-78. -0,3/0,1 пл.
5. Вурим А.Д. Реакторные исследования топлива перспективных ядерных реакторов на базе исследовательских реакторов ИВГ.1М и ИГР I А .Д. Вурим, Ю.В. Алейников, В.А. Витюк, В.А. Гайдайчук, И.И. Дерявко, B.C. Жданов, A.B. Пахниц // Экспериментальные исследования в области безопасности атомной энергии / Национальный ядерный центр Республики Казахстан. - Курчатов, 2010. - С. 196-224. - 1,7 / 0,22 пл.
6. Витюк В.А. Прогнозирование энергетических параметров модельных TBC в экспериментах на исследовательском реакторе ИГР / В.А. Витюк, А .Д. Вурим, В.А. Гайдайчук, A.B. Пахниц, Ю.В. Алейников, Ж.Р. Жотабаев // Ядерная и радиационная физика : материалы 8-й международной конференции. - Алматы, 2011. - С. 141-146. - 0,36 / 0,21 пл.
7. Мухаммедов Н.Е. Анализ теплового состояния экспериментального устройства при проведении испытаний на реакторе ИГР / Н.Е. Мухамедов, В.А. Витюк // Вестник Национального ядерного центра Республики Казахстан. - 2011. - Вып. 3 (47). - С. 63-66. - 0,24 / 0,1 пл.
8. Витюк В.А. Экспериментальные исследования на реакторе ИГР по реализации теплофизического метода калибровки мощности модельных TBC / В.А. Витюк, А .Д. Вурим // Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии : тезисы международной конференции молодых ученых и специалистов, 6-8 июня 2012 / Институт ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан. - Алматы, 2012. - С. 150-151. -0,12/0,08 п.л.
9. Мухаммедов Н.Е. Обоснование режимов испытаний внутриреакторных устройств при подготовке экспериментов на реакторе ИГР / Н.Е. Мухаммедов, A.B. Пахниц, В.А. Витюк, М.А. Баусадыков // Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии : тезисы международной конференции молодых ученых и специалистов, 6-8 июня 2012 / Институт ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан. - Алматы, 2012. - С. 121-122. - 0,12 / 0,05 пл.
10. Витюк В.А. Экспериментальные исследования на реакторе ИГР по реализации теплофизического метода калибровки мощности модельных TBC / В.А. Витюк, А.Д. Вурим // Вестник Национального ядерного центра Республики Казахстан. - 2012. - Вып. 3 (51). - С. 19-25. - 0,36 / 0,28 пл.
11. Витюк В.А. Определение энергетических параметров топливных сборок теплофизическим методом в экспериментах в импульсном реакторе / В.А. Витюк, А.Д. Вурим, A.B. Пахниц // Вестник Национального ядерного центра Республики Казахстан. - 2013. - Вып. 1 (53). - С. 65-69. -0,28/0,19 пл.
Подписано в печать 24.10.2013 г. Формат А4/2. Ризография . л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ № 09/10-13 Отпечатано в ООО «Позитив-НБ» 634050 г. Томск, пр. Ленина 34а
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Филиал «Институт атомной энергии» Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения «Национальный ядерный центр Республики Казахстан»
Методика определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов
01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
На правах рукописи
04201456091
ВИТЮК ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ
Научный руководитель:
Доктор физико-математических наук,
профессор Шаманин И.В.
Томск, Курчатов - 2013
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................4
1 АНАЛИЗ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЬНЫХ TBC......................................................................13
1.1 Задача выбора режимов испытаний модельных TBC на исследовательских реакторах.....................................................................................................................13
1.2 Практические способы определения энергетических параметров модельных TBC во внутриреакторных экспериментах..........................................18
1.3 Определение и прогнозирование параметров испытаний на ИГР..............29
1.4 Выводы..............................................................................................................35
2 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ......................36
2.1 Проблема определения мощности и энерговыделения в модельных твэлах и TBC...........................................................................................................................36
2.2 Метод определения мощности TBC в режиме импульсного нагрева.........39
2.3 Методы определения мощности и интегрального энерговыделения для установившихся параметров TBC в стационарном режиме..................................43
2.4 Расчет ошибок определения энергетических характеристик TBC по результатам измерений теплофизических параметров..........................................49
2.5 Способы определения утечек тепла в процессе испытаний........................53
2.6 Выводы..............................................................................................................63
3 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ................................................................................................64
3.1 Постановка задачи............................................................................................64
3.2 Физико-технические характеристики реактора ИГР....................................65
3.3 Объекты испытаний.........................................................................................70
3.4 Результаты экспериментов с устройством ЭУ-1...........................................74
3.5 Результаты экспериментов с устройством ЭУ-2...........................................96
3.6 Выводы............................................................................................................112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................113
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...............................115
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................................117
ВВЕДЕНИЕ
Состояние проблемы и ее актуальность. В последние годы многие страны мира проявляют повышенный интерес к атомной энергетике, при этом определяющим фактором ее развития становится убежденность в том, что атомная энергетика не будет представлять угрозы ни для здоровья и безопасности населения, ни для окружающей среды [1]. Для достижения такой убежденности необходимо провести тщательный анализ проблем безопасности атомных электростанций, не ограничиваясь конкретными событиями и обстоятельствами, в том числе теми, которые привели к ситуациям на Три-Майл Айленд, Чернобыле и Фукусиме. Такая переоценка должна быть выполнена со стороны промышленности и национальных органов регулирования безопасности как демонстрация критического отношения к ключевому элементу атомной энергетики - безопасности.
Авария на АЭС «Фукусима-1» заставила мировое атомное сообщество пересмотреть в сторону ужесточения нормы и подходы к проектированию и эксплуатации атомных станций, особенно к запроектным отклонениям. Для этого должны быть выработаны новые технологические решения, позволяющие обеспечить безопасность АЭС при любых внутренних и внешних воздействиях, в том числе маловероятных.
Для выработки таких технологических решений потребуется решить ряд задач по повышению надежности и безопасности активных зон реакторов и, в первую очередь, их наиболее напряженных узлов - тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок (TBC). В частности, необходимо провести анализ тяжелых аварий применительно к конкретной АЭС (или сделать ревизию имеющегося) с использованием моделей и исходных данных, которые позволят получить комплекс систематизированных знаний о поведении твэлов и TBC в аварийных и переходных режимах.
Процесс получения таких знаний, как правило, опирается на два основных
взаимосвязанных способа. Первый способ основывается на расчетном анализе режимов нормальной и аварийной эксплуатации. Второй - на экспериментальных исследованиях этих режимов [2-4]. Оба способа, если их использовать в отрыве друг от друга, могут дать в значительной степени ограниченные сведения. Точный расчетный анализ невозможно провести без знания характеристик реальных процессов, которые, как правило, могут быть получены только в экспериментальных исследованиях. Экспериментальные исследования, с другой стороны, как бы они тщательно не были выполнены, моделируют поведение отдельных элементов или процессов реальной установки, при этом влияние других элементов или процессов, в свою очередь, моделируется соответствующими граничными условиями с учетом факторов масштабирования, и, следовательно, для переноса экспериментальных результатов, полученных для моделей, на реальные реакторы необходимо применение расчетных методов.
Основной проблемой реализации описанных принципов анализа является проблема консервативности используемых моделей и, следовательно, предсказания возможных последствий рассматриваемых аварийных ситуаций. Существование этой проблемы объясняется недостаточным объемом экспериментальных данных для целей комбинированного применения расчетных моделей. В условиях недостатка экспериментальных данных требование большего консерватизма моделей и методов воспринимается, на первый взгляд, обоснованно. Подобный консерватизм может быть снят на основании результатов экспериментов, что позволит придать большую реальность расчетному моделированию. При этом могут быть не только ослаблены некоторые проектные критерии, но и уменьшены экономические затраты, связанные с техническим обеспечением безопасности для условий наихудшей аварии.
Имитационные испытания твэлов и TBC энергетических реакторов в исследовательских реакторах остаются одним из общепризнанных и надежных прямых методов получения экспериментальной информации, используемой как для верификации существующих и разрабатываемых компьютерных кодов, описывающих поведение топлива в энергетических реакторах на различных
режимах, включая аварийные, так и для прямой экспериментальной оценки работоспособности твэлов и тепловыделяющих сборок [5-12].
Внутриреакторные исследования являются наиболее представительным, и, вместе с тем, наиболее дорогим видом экспериментальных работ. При проведении экспериментов в реакторных условиях может быть достигнуто максимальное приближение к реальным эксплуатационным режимам, и, следовательно, поведение топлива в максимальной степени может соответствовать реальному.
Экспериментальные исследования поведения ядерного топлива в различных условиях являются основой для принятия обобщающих решений, несмотря на то, что эксперименты не могут охватывать ни все гипотетические, ни даже практически возможные режимы эксплуатации твэлов, особенно аварийные. Обобщающие решения - это описание наиболее важных механизмов поведения ядерного топлива в виде аналитических зависимостей, предназначенных для расчетного прогноза поведения топлива в реакторе в широком диапазоне условий эксплуатации, в котором конкретные условия, смоделированные в экспериментах, могут быть лишь небольшим эпизодом.
Таким образом, основной задачей внутриреакторных экспериментов является установление параметров и механизмов поведения реакторного топлива в тех случаях, когда аналитические модели не позволяют получить правильного прогноза о направлении и количественных параметрах развития эксплуатационной ситуации.
Специфической проблемой реакторных экспериментов является проблема измерения параметров с приемлемой точностью. Недостаток пространства и реакторное излучение являются основными факторами, усложняющими измерения теплогидравлических параметров (температура, давление, расход) в реакторных экспериментах, по сравнению внереакторными.
Подобные проблемы возникают при определении энергетических параметров экспериментов (мощность и энерговыделение в топливе экспериментального устройства), которые важны как для правильной интерпретации их результатов, так и для повышения точности реализации
заданных параметров испытаний. Другими словами, качество получаемых экспериментальных результатов прямым образом зависит от качества используемых методик и средств измерения параметров, поэтому в настоящее время в практике внутриреакторных исследований большое внимание уделяется вопросам их совершенствования [13,-19].
Точность измерения параметров и точность их реализации в процессе решения конкретной экспериментальной задачи взаимосвязаны. Та точность измерения параметров, на которую можно рассчитывать, исходя из наличного набора методик и средств измерения, определяет объем экспериментов, который должен быть выполнен для удовлетворительного выполнения конкретных требований к точности реализации параметров экспериментов. Таким образом, повышение точности определения энергетических параметров TBC (мощность и энерговыделение в топливе) является актуальной задачей при подготовке и проведении внутриреакторных экспериментов, решение которой позволит снизить количество вспомогательных экспериментов.
На исследовательских реакторах, обеспечивающих возможность реализации продолжительных стационарных режимов, определение энергетических параметров топлива экспериментальных устройств выполняется балансовыми методами, которые при правильном наборе средств измерения параметров, теоретически, позволяют обеспечить реализацию заданного энерговыделения с погрешностью до 1%.
Эксплуатационные возможности исследовательского реактора ИГР ИАЭ НЯЦ PK позволяют реализовывать исследования, направленные на получение экспериментальной информации о быстропротекающих физических и тепловых процессах в ядерных реакторах, поведении топлива и конструкционных материалов активных зон ядерных энергетических установок в переходных и аварийных режимах [20]. В процессе таких исследований, как правило, в экспериментальном устройстве стационарный режим теплообмена не достигается. Это обстоятельство ограничивает возможность применения балансовых методов
для тепловой калибровки экспериментальных устройств при проведении испытаний на реакторе ИГР.
В настоящее время для решения задачи выбора параметров работы реактора ИГР, необходимых для выполнения требований по реализации заданной мощности и интегрального энерговыделения в TBC, используется методика экспериментального измерения интегрального энерговыделения с использованием спектрометрических и радиометрических исследований мониторов энерговыделения, топливной композиции и активационных детекторов, с последующим установлением зависимости измеренного значения с параметрами реактора на конкретном пуске.
Основными недостатками этого метода являются относительно высокая суммарная погрешность при измерениях активности детекторов и определении энерговыделения (10 %) и погрешность определения мощности и энерговыделения реактора (от 3 % до 5 %). Кроме того, так как для оперативного применения методов спектро- и радиометрии необходимо ограничивать уровни облучения топлива и детекторов, то этими методами экспериментальное значение интегрального энерговыделения может быть измерено только на режимах физического уровня мощности. Это означает, что может быть получена фактически одна экспериментальная точка в самом начале диапазона ожидаемого энерговыделения для проверки расчетных оценок величины мощности и энерговыделения, которые необходимо реализовать.
В то же время, модельные TBC поступают на испытания с достаточно развитой системой измерения теплофизических параметров (датчики измерения температуры, давления), что позволяет рассмотреть возможность их применения для оценки энергетических характеристик TBC на импульсных режимах исследовательских пусков, в которых удается измерить необходимое количество параметров.
Цель работы. Целью работы является разработка методики определения энергетических характеристик модельных TBC в процессе проведения импульсных экспериментов на основе результатов измерения теплофизических
параметров.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ существующих методов определения энергетических параметров TBC в экспериментальных устройствах исследовательских реакторов;
2. Разработать методические основы определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях по результатам измерений их теплофизических характеристик;
3. Провести аналитические и экспериментальные исследования в обоснование методики определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях по результатам измерений их теплофизических характеристик;
4. Продемонстрировать возможность определения энергетических параметров модельных TBC в импульсных испытаниях по результатам измерений их теплофизических характеристик;
5. Определить связь энергетических параметров модельной TBC и реактора для уровней энерговыделения, близких к области имитационных испытаний, реализуемых для исследования поведения топлива в аварийных режимах.
Предмет исследования.
Методы определения энергетических параметров модельных TBC при проведении импульсных внутриреакторных экспериментов на ИР на основе результатов измерений теплофизических параметров, в частности температуры топлива, оболочек твэлов и конструкционных материалов, а также температуры и расхода рабочих тел (при их наличии).
Объект исследования.
Взаимосвязь между теплофизическими и энергетическими параметрами TBC при проведении экспериментов в импульсном графитовом реакторе.
Методы исследования.
Расчетно-экспериментальные исследования с установлением зависимостей между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных TBC при проведении импульсных экспериментов на реакторе ИГР.
Научная новизна.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
• Решена задача определения энергетических параметров импульсных испытаний на реакторе ИГР с использованием результатов измерений теплофизических параметров;
• Разработан математический аппарат для определения связи между теплофизическими и энергетическими параметрами модельных TBC в импульсных испытаниях на реакторе ИГР;
• С использованием результатов теплофизических измерений в серии импульсных экспериментов на реакторе ИГР определены значения пиковой мощности и интегрального энерговыделения в модельных TBC;
• С использованием результатов теплофизических измерений определена связь энергетических параметров модельных TBC и реактора ИГР для уровней энерговыделения в реакторе, близких к уровням имитационных испытаний.
Практическая значимость.
Предложенный подход к решению задачи определения энергетических параметров модельных TBC в экспериментах на реакторе ИГР, основанный на использовании результатов измерений теплофизических параметров, позволяет усовершенствовать схему подготовки внутриреакторных имитационных испытаний. Применение разработанной методики определения энергетических параметров внутриреакторных импульсных экспериментов позволяет повысить существующую точность определения пиковой мощности и энерговыделения в TBC и более качественно установить связь между энергетическими параметрами испытуемой TBC и реактора. Разработанная методика применялась при выполнении экспериментальных внутриреакторных исследований на реакторе
ИГР по исследованию поведения модельных TBC типа ВВЭР-1000 в условиях, моделирующих заключительную фазу аварии с потерей теплоносителя, а также в процессе исследований в обоснование конструкции активно�
