Определение критической тепловой нагрузки

Для определения критических тепловых нагрузок при вынужденном движении воды, недогретой до кипения существует несколько полуэмпирических формул, полученных, исходя из условий теплообмена и используемых теорий описания кризисных явлений теплоотдачи.

Для реакторов в ВВЭР-1000 критическая тепловая нагрузка может быть рассчитана по формуле [3], которая получена в условиях, максимально приближенных к условиям работы реактора.

, кВт/м²(9.3)

где n = 0,105∙ р – 0,5;

m = 0,311(1- (z)) – 0,127;

- относительная энтальпия потока;

р - давление теплоносителя, МПа;

r - скрытая теплота парообразования, кДж/кг. Определяется по температуре насыщения при заданном давлении.

Пределы применимости формулы: давление р _тн = 7,45…16,7 МПа; массовая скорость =700…3800 кг/м² ּс; относительная энтальпия x = (-0,07)…0,4; высота активной зоны Н_аз = 1,7…3,5 м; наружный диаметр твэла d _твэ = 9 мм.

Из формулы (9.3) видно, что критическая тепловая нагрузка q_кр (z) зависит от изменения по высоте канала величины относительной энтальпии х_отн (z). Поэтому вначале необходимо рассчитать значения относительной энтальпии для средней и максимальной тепловых нагрузок х_отн (z) и , затем определить, соответственно, критическую тепловую нагрузку , .

Для расчета критической тепловой нагрузки может быть рекомендована расчетная зависимость Зинкевича-Субботина [3]:

, кВт/м² (9.4)

где G _{1 ТВС} - массовый расход теп­лоносителя через ТВС, кг/с;

S _тн - проходное сечение теплоносителя в ТВС, м²;

Δt_s = t_s – t_тн (z), - недогрев теплоносителя до кипения в сечении z;

- удельный объем воды и пара на линии насыщения при давлении теплоно­сителя в рассматриваемом сечении z.

Диапазон применимости: давление p = 12…21 МПа; массовая скорость rw = 830…5000 кг/(м²с), недогрев теплоносителя до кипения Δt_s= 10…100 °С.

Расчетные значения истинной и критической тепловой нагрузки, а также значения коэффициента запаса до кризиса теплоотдачи сводятся в табл. 13. После этого строятся графики зависимостей q = f(z) и q_кр = f(z) и определяется искомый коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи как для средней, так и максимальной тепловой нагрузки, (z) и (z), что показано на рис.7 (см.прил.1).

Таблица 13 - Изменение фактической и критической тепловой нагрузки по высоте активной зоны

z, м	, кВт/м2	, кВт/м2	кВт/м2	кВт/м2

Из всех полученных значений коэффициента запаса выбирается минимальное значение. Если минимальное значение коэффициента запаса, рассчитанное для наиболее нагруженной ТВС больше единицы (z) >1, значит, в активной зоне осуществляется бескризисное охлаждение твэла, а значит обеспечивается безопасная эксплуатация ЯЭУ (для ВВЭР-1000 для номинального режима работы ЯЭУ К_зап ≥1,2, в случае работы ядерного реактора с двумя ГЦН К_зап ≥1,9).

Если коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи меньше или равен единице, то это обстоятельство говорит о наличии кризиса теплоотдачи в активной зоне. Для водо-водяных реакторов под давлением характерен кризис теплоотдачи первого рода, который характеризуется переходом поверхностного пузырькового кипения в пленочное, наступает этот переход, когда тепловая нагрузка превышает значение критической тепловой нагрузки при этом теплоноситель недогрет до температуры насыщения. В этом случае происходит локальный пережог оболочки твэла.

Для повышения теплотехнической надежности активной зоны и единичной мощности ЯЭУ используются такие направления как: изменение конструкции отдельных элементов в ядерном реакторе, применение новых материалов, физическое и гидравлическое профилирование активной зоны, интенсификация теплоотвода, оптимальный выбор режимных параметров и повышение точности их измерения.

Физическое профилирование направлено на снижение неравномерности тепловыделения в активной зоне. В качестве мер применяют:

- профилирование активной зоны за счёт размещения в активной зоне ТВС с разным обогащением топлива;

- перемещение в активной зоне ТВС с разным выгоранием топлива в процессе работы реактора через определённый промежуток кампании, выгрузкой отработанных ТВС и частичной загрузкой «свежих» ТВС;

- использование в ТВС конструкционных элементов стержней с выгорающим поглотителем карбидом бора (СВП) или тепловыделящих элементов с уган-гадолиниевым топливом (ТВЭГ) для выравнивания энерговыделения по радиусу ТВС. СВП или ТВЭГи целесообразно размещать в местах максимальной плотности потока нейтронов.

- установку отражателей нейтронов для увеличения плотности потока нейтронов на периферии и торцах активной зоны за счет уменьшения утечки нейтронов.

Интенсификация потока в активной зоне в ВВЭР направлена на улучшение условий отвода тепла от тепловыделяющих элементов, осуществляется за счет дополнительной установки в ТВС решеток-интенсификаторов. За счет сложной конфигурации ячейки в решетке или установки в решетке дополнительных устройств (лопаток, расположенных в разных направлениях под разным углом) создается направленное движение потока теплоносителя вокруг твэла, что способствуют турбулизации пограничного слоя и более интенсивному перемешиванию теплоносителя между ячейками.

Повышение теплотехнической надежности активной зоны ЯР ведет к повышению коэффициента запаса до кризиса теплоотдачи. Если скорректировать запас до кризиса теплоотдачи до прежнего уровня, то появляется возможность увеличить средние значения тепловой нагрузки и тем самым увеличить мощность ядерного реактора. Любое изменение параметров будь то конструкционные или режимные, требует повторных поверочных расчетов, основной задачей которых является обоснование безопасной эксплуатации ЯЭУ. Стоит также отметить, что в борьбе за экономической выгодой никогда нельзя забывать о том, что безопасная эксплуатация ЯЭУ является приоритетным условием.