Исследование теплопередачи в моделях тепловыделяющих пучков и систем пассивного теплоотвода для усиления барьеров безопасности в атомной энергетике

Постановка и проведение данной работы обусловлены: 1) насущной необходимостью поддержания и усиления барьеров безопасности в атомной энергетике пассивными методами теплоотвода; 2) перспективностью создания пассивных систем испарительно-конденсационного типа (ИКТ) для теплоотвода и тепловой защиты; 3) значительной ограниченностью указанных исследований и разработок и отсутствием их практического применения в ядерных энерготехнологиях; 4) крайне недостаточной базой экспериментальных данных по температурным режимам в активной зоне реакторов нового поколения со сверхкритическими параметрами теплоносителя (СКД) и, как следствие, отсутствием надежных эмпирических зависимостей для расчета допустимых, то есть безопасных тепловых нагрузок активной зоны, что позволило бы максимально повысить коэффициент полезного действия энергоблоков и, таким образом, уменьшить удельные капиталовложения для строительства АЭС.

Разработана новая методика расчета теплопередачи в тепловыделяющих элементах (твэлах) на основе их экспериментальных теплогидравлических характеристик. CFD-моделирование (аналитические и дифференциальные процедуры трехмерной вычислительной гидродинамики) теплогидравлических процессов осуществлялось с использованием метода DNS (непосредственное численное моделирование) как результат тестирования вычислительных кодов FLUENT, DNS, TEMPA-SC, модификации k-e-модели, который дал возможность получить информацию о внутренних причинах особенностей теплообмена при СКД. Результаты CFD моделирования подтвердили адекватность физической концепции возникновения ухудшенной теплоотдачи (УТО) при определенных параметрах воды СКД в обогревательных каналах вследствие термического ускорения потока, которое приводит к его ламинаризации и росту термического сопротивления в пристеночном слое. Экспериментальное исследование режимов УТО в трубах, кольцевых каналах и имитаторе 3-стержневой тепловыделяющей сборки (ТВС) показало, что, вопреки распространенному выводу о невозможности таких режимов при опускном движении теплоносителя (и воды при сверхкритическом давлении, в частности), они при определенных условиях, имеют место и в этом случае, но при большей тепловой нагрузке канала. Другой важный вывод заключается в том, что УТО опасна, прежде всего, не столько высоким абсолютным уровнем температуры стенки, сколько ее большой зависимостью от даже незначительного изменения режимных параметров. Для итерационного расчета температурного режима в трубах, кольцевых каналах и в имитаторе 3-стержневой ТВС при подъемном и опускном движении воды СКД разработана система из двух корреляционных уравнений. Разработана зависимость для расчета плотности теплового потока qb, выше которой наступает ухудшение теплоотдачи в трубах, в кольцевых каналах и в имитаторе 3-стержневой ТВС.

На основе исследований закономерностей влияния теплофизических факторов на теплопередающую способность получены зависимости для определения основных теплотехнических характеристик систем пассивного теплоотвода ВКТ.

Сформулированы основные положения и принципы тепловых расчетов в соответствии с характерными тепловыми схемами таких систем. Получены зависимости для определения оптимального соотношения длин зон, при котором теплообменная система имеет минимальное термическое сопротивление теплопередачи. На основе выполненных исследований теплотехнических характеристик модельных образцов длинномерных теплопроводов испарительно-конденсационного типа установлены их высокая теплопередающая способность, устойчивая и надежная работа, а также соответствие их теплопередающей способности уровню тепловых нагрузок для систем теплоотвода и тепловой защиты, которые могут быть созданы на базе подобных теплопередающих элементов. Огневые исследования теплотехнических характеристик модельных образцов теплопередающих элементов (ТЭ) ИКТ в условиях температурного режима пожара показали, что предел огнестойкости теплопередающих элементов ИКТ с огнезащитным покрытием толщиной примерно 5 мм, металлоконструкций с таким же покрытием и оснащенных ТЭ ИКТ превысила 1 час, тогда как для металлических конструкций с таким же покрытием той же толщины, но без ТЭ, предел огнестойкости составил около 15 минут.

Разработаны специфичные технологические решения по обеспечению эффективности и надежности функционирования пассивных систем теплопередачи ИКТ. Разработаны оригинальные схемно-конструктивные решения пассивных систем теплопередачи ИКТ для поддержания целостности барьеров безопасности ядерных реакторов, для безопасного хранения отработанного ядерного топлива в хранилищах, а также для тепловой защиты строительных металлоконструкций энергообъектов в экстремальных условиях, которые защищены патентами Украины.