Дослідження теплогідравлічних процесів в елементах систем тепловідведення для перспективних об’єктів атомної енергетики

Постановка і проведення даної роботи обумовлені: 1) неприйнятною невизначеністю температурних режимів тепловиділяючих елементів (твелів) перспективних реакторів в умовах, близьких до погіршеної тепловіддачі (ПТВ); 2) практичною неможливістю досліджувати температурні режими тепловидільних збірок в реальних умовах ядерних реакторів (ЯР); 3) посиленням пріоритетної орієнтації на пасивні методи тепловідведення в атомних енерготехнологіях; 4) необхідністю підвищення ефективності і надійності перспективних пасивних систем тепловідведення випаровувально-конденсаційного типу (ВКТ); 5) необхідністю підвищення точності визначення і прогнозування меж режимів нормального функціонування зазначених систем.
Для концепції ЯР з надкритичними параметрами (НКП) теплоносія дуже важливим є прогнозування погіршеного тепловіддачі, а також впливу цього явища на основні характеристики перспективної активної зони. Виділені дві основні проблеми, які стосуються методів прогнозування характеристик ПТВ: проблема застосування неявних емпіричних залежностей і проблема «ускладнення» постановок при моделюванні за допомогою методів обчислювальної гідродинаміки (CFD). Основна ідея, яка стосується CFD в контексті виконаної роботи, полягає в тому, щоб, базуючись на відносно простих і економічних RANS моделях турбулентності, оцінити їх можливості з точки зору адаптації до умов нелінійного теплообміну при НКП. Обрано три моделі турбулентності, серед яких дві двопараметричні (RNG та SST) і однопараметрична – EVT, які валідовані (кваліфіковані) на основі комплексних зондових досліджень структури турбулентного потоку двоокису вуглецю з урахуванням підйомної сили. Основною метою даного аналізу була оцінка «чутливості» транспортних рівнянь турбулентних характеристик, а також можливості універсальних пристінкових функцій (УПФ). В результаті досліджень обрані моделі кваліфіковано як з точки зору їх прогнозних властивостей, так і їх можливої адаптації для задач теплообміну з надкритичними параметрами. На основі експериментальних досліджень КПІ ім. Ігоря Сікорського на 3-ох та 7-ми стрижневих збірках з водою НКП розроблені відповідні CFD моделі і проведено оцінку їх прогнозних властивостей в умовах ПТВ. Проаналізовано вплив кількісних та якісних відмінностей між розрахунками та експериментом на напружений стан імітаторів твел. Запропонована адаптація УПФ в контексті створення спеціальної температурної пристінкової функції (СПФ). Отримано трансцендентну залежність для оцінки температури стінки на основі розподілу основних характеристик потоку в пристінковій області при використанні high-Re моделей турбулентності. Запропонована температурна СПФ дозволяє отримувати прогнозні температурні поля для режимів ПТВ. Запропонована оригінальна процедура вирішення системи нелінійних диференційних та трансцендентних рівнянь, яка базується на відомому методі передаточних матриць (ТММ). Переваги теплогідравлічної реалізації ТММ продемонстровані на основі неявних кореляцій. На основі проведеного CFD дослідження запропонована методика аналізу впливу ПТВ на напружений стан перспективних збірок. Реалізований інструментарій може застосовуватися при проєктуванні перспективних активних зон. Стосовно до теплопередавальних пристроїв ВКТ як перспективних елементівпасивних систем тепловідведення і теплового захисту в ядерній енергетиці, виявлено закономірності впливу вихідних структурних параметрів на специфічні структурні характеристики, характеристики гідравлічного опору, капілярний тиск та капілярно- фільтраційні властивості ефективних пористих металоволокнових капілярних структур (МВКС) для теплопередавальних пристроїв ВКТ, та отримано розрахункові залежності для визначення зазначених характеристик і властивостей. В результаті дослідження процесів, обмежуючих теплопередавальну здатність випаровувально-конденсаційних пристроїв за умовами капілярного транспорту при одномірній фільтрації проміжного теплоносія та при взаємодії капілярних і масових сил, виявлено закономірності впливу характеристик МВКС, теплофізичних властивостей теплоносія, геометричних параметрів пристрою, його орієнтації в полі масових сил на граничні теплові потоки, та на цій основі отримано залежності для визначення граничних теплових потоків, а також оптимальних структурних параметрів МВКС з точки зору забезпечення екстремальних (максимальних) величин граничнихтеплових потоків. Для підвищення точності визначення капілярно-транспортного обмеження теплопередавальної здатності запропоновано двомірну модель фільтрації в капілярній структурі теплопередавального елемента (ТЕ) ВКТ. Для підвищення теплопередавальної здатності ТЕ ВКТ запропоновано і реалізовано капілярно-артеріальну систему в трьох зонах, а також створення капілярно-артеріальної системи в зоні випаровування, відокремлених каналів для пари і конденсату в транспортній зоні та організацію супутнього руху потоків у зоні конденсації. Розроблено технологічні процеси створення ТЕ ВКТ з металевими КС волокнової будови із заданими характеристиками. Розроблено технологічні рішення зі створення ТЕ із зміненням параметрів КС за напрямками капілярної фільтрації. Розроблено схемно-конструктивні рішення щодо надійних та ефективних пасивних випаровувально-конденсаційних систем (ВКС) для тепловідведення при аваріях із втратою теплоносія, які захищені патентами України.