Дослідження теплопередачі в моделях тепловидільних пучків і систем пасивного тепловідведення для підсилення бар’єрів безпеки в атомній енергетиці

Постановка і проведення даної роботи обумовлені: 1) нагальною необхідністю підтримання і підсилення бар'єрів безпеки в атомній енергетиці пасивними методами тепловідведення; 2) перспективністю створення пасивних систем випаровувально-конденсаційного типу (ВКТ) для тепловідведення і теплового захисту; 3) значною обмеженістю зазначених досліджень та розробок і відсутністю їх практичного застосування в ядерних енерготехнологіях; 4) вкрай недостатньою базою експериментальних даних щодо температурних режимів в активній зоні реакторів нового покоління з надкритичними параметрами теплоносія (НКТ) і, як наслідок, відсутністю надійних емпіричних залежностей для розрахунку припустимих, тобто безпечних теплових навантажень активної зони, що дозволило би максимально підвищити коефіцієнт корисної дії енергоблоків і, таким чином, зменшити питомі капіталовкладення для спорудження АЕС.

Розроблено нову методику розрахунку теплопередачі в тепловидільних елементах (твелах) на основі їх експериментальних теплогідравлічних характеристик. CFD-моделювання (аналітичні та диференціальні процедури тривимірної обчислювальної гідродинаміки) теплогідравлічних процесів здійснювалось з використанням методу DNS (безпосереднє числове моделювання) як результат тестування обчислювальних кодів FLUENT, DNS, TEMPA-SC, модифікації k-e-моделі, який дав можливість отримати інформацію про внутрішні причини особливостей теплообміну при НКТ. Результати CFD моделювання підтвердили адекватність фізичної концепції виникнення погіршеної тепловіддачі (ПТВ) при певних параметрах води НКТ в обігрівальних каналах внаслідок термічного прискорення потоку, яке призводить до його ламінаризації і зростання термічного опору в пристінному шарі. Експериментальне дослідження режимів ПТВ в трубах, кільцевих каналах та імітаторі 3-стрижневої тепловидільної збірки (ТВЗ) показало, що, всупереч поширеному висновку про неможливість таких режимів при опускному русі теплоносія (і води при надкритичному тиску, зокрема), вони при певних умовах, мають місце і в цьому випадку, але при більшому тепловому навантаженні каналу. Інший важливий висновок полягає в тому, що ПТВ небезпечна, перш за все, не стільки високим абсолютним рівнем температури стінки, скільки її великою залежністю від навіть незначної зміни режимних параметрів. Для ітераційного розрахунку температурного режиму в трубах, кільцевих каналах та в імітаторі 3-стрижневої ТВЗ при підйомному та опускному русі води НКТ розроблено систему з двох кореляційних рівнянь. Розроблено залежність для розрахунку густини теплового потоку qb, вище якого настає погіршення тепловіддачі в трубах, в кільцевих каналах і в імітаторі 3-стрижневої ТВЗ.

На основі досліджень закономірностей впливу теплофізичних факторів на теплопередавальну спроможність отримано залежності для визначення основних теплотехнічних характеристик систем пасивного тепловідведення ВКТ. Сформульовані основні положення і принципи теплових розрахунків відповідно до характерних теплових схем таких систем. Отримано залежності для визначення оптимального співвідношення довжин зон, при якому теплообмінна система має мінімальний термічний опір теплопередачі. На основі виконаних досліджень теплотехнічних характеристик модельних зразків довгомірних теплопроводів випаровувально-конденсаційного типу встановлено їх високу теплопередавальну здатність, сталу і надійну роботу, а також відповідність їх теплопередавальної здатності рівню теплових навантажень для систем тепловідведення та теплового захисту, які можуть бути створені на базі подібних теплопередавальних елементів.

Вогневі дослідження теплотехнічних характеристик модельних зразків теплопередавальних елементів (ТЕ) ВКТ в умовах температурного режиму пожежі показали, що межа вогнестійкості теплопередавальних елементів ВКТ з вогнезахисним покриттям товщиною приблизно 5 мм, металоконструкцій з таким же покриттям і споряджених ТЕ ВКТ перевищила 1 годину, тоді як для металевих конструкцій з таким же покриттям тієї ж товщини, але без спорядження їх ТЕ, межа вогнестійкості склала близько 15 хвилин.

Розроблено специфічні технологічні рішення щодо забезпечення ефективності та надійності функціонування пасивних систем теплопередачі ВКТ. Розроблено оригінальні схемно-конструктивні рішення пасивних систем теплопередачі ВКТ для підтримання цілісності бар’єрів безпеки ядерних реакторів, для безпечного зберігання відпрацьованого ядерного палива в сховищах, а також для теплового захисту будівельних металоконструкцій енергооб’єктів в екстремальних умовах, які захищені патентами України.