Введение к работе
Развитие атомной энергетики неразрывно связано с повышенными требованиями к её безопасности. Такие же требования выдвигаются к проекту международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) и к системе охлаждения его вакуумной камеры (ВК) - основной системе, обеспечивающей нераспространение нейтронного потока и расхолаживание установки. Эта система имеет ряд особенностей, близких к пассивным системам отвода тепла от первого контура АЭС с водоводяными реакторами:
низкие скорости воды [w=(0,005-O,15) м/с] в разветвленной системе параллельно - последовательно включённых каналов ВК при разной ориентации каналов, но при отсутствии опускного движения воды;
низкие удельные тепловые потоки на стенках каналов ВК (q<10 кВт/м2) и относительно низкий уровень температур воды (100-107,5 С);
требование отсутствия даже поверхностного кипения в пределах ВК циркулирующей воды, которая является и элементом нейтронной защиты.
Это требование вынудило центральную команду проектировщиков ИТЭР остановиться на варианте с отсутствием кипения воды в пределах всего циркуляционного контура, а неясности с взаимо распределением потоков воды привели к увеличению общего её расхода с соответствующим снижением (до 2,5 К) её подогрева в ВК и ростом затрат энергии на прокачку воды через систему при нормальной её эксплуатации. Переход к ЕЦ при авариях с обесточиванием установки сопровождается снижением в 16-20 раз расхода воды и резким увеличением её подогрева в ВК. Указанное приводит к термическим напряжениям в металлоконструкциях ВК.
Вместе с тем рассматриваемая система имеет ряд особенностей, положительных для ЕЦ с кипением лишь за пределами ВК:
существенное отличие (20 м) в отметках расположения верхнего сечения ВК и теплообменника, что позволяет создать между ними тяговый участок;
приведённый выше рабочий диапазон температур воды соответствует весьма низкому давлению её насыщения (0,101-0,132 МПа), для которого имеют место высокие значения производной di'/dp«<10 кДж/(м в.ст.). Поэтому, приняв давление на выходе тягового участка, равным атмосферному, имеем соответствие температуры насыщения температуре воды на входе в ВК. Наличие приращения теплосодержания воды в ВК даёт её под-кипание в верхней части тягового участка и рост расхода ЕЦ, что, гарантирует отсутствие поверхностного кипения воды в пределах ВК.
Перечисленные особенности позволили российской группе проекта ИТЭР предложить вариант циркуляционного контура с вводом в его состав сепаратора пара и направления в теплообменник лишь этого пара. Это позволяет обеспечить практически всережимное охлаждение ВК на ЕЦ и плавный переход к её аварийному расхолаживанию. Однако отсутствие
экспериментального обоснования теплогидравлических характеристик и устойчивости предлагаемого контура не позволили руководству проекта ИТЭР остановиться на этом варианте. Согласно требованиям Госатомнадзора и МАГАТЭ такое обоснование должно быть выполнено с использованием крупномасштабных моделей рассматриваемой системы с сохранением натурной высоты как всего контура, так и его основных узлов.
Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью экспериментального обоснования решений, заложенных в предложенном российской группой ИТЭР варианте циркуляционного контура системы охлаждения ВК с подкипанием воды на участке между этой камерой и теплообменником.
Общей целью работы являлось экспериментальное обоснование решений, заложенных в приведённый выше вариант проекта.
Методический подход, принятый в работе:
эксперименты проведены на двух полновысотных моделях циркуляционного контура системы охлаждения ВК ИТЭР и на ряде их узлов;
рассмотренный диапазон давлений и температур теплоносителя, тепловых потоков в ВК охватывает реальный диапазон этих параметров.
разработаны методики и измерительные системы, фиксирующие с требуемой точностью количественные характеристики процессов.
предложенные замыкающие соотношения базируются на современных достижениях в области теплообмена и гидродинамики.
Автор защищает:
экспериментальные данные по гидравлическим характеристикам контура ЕЦ большой высоты (35 м): кипящий и некипящий варианты;
экспериментальные данные по перегреву относительно температуры насыщения адиабатного турбулентного потока воды [Re=(9-72)10 ]. Соотношения, определяющие максимальные значения этого перегрева;
экспериментальные данные по особенностям распределению низкоскоростных потоков воды между параллельно включёнными каналами («эжектирующий эффект» и кратковременное обратное движение воды).
Научная новизна работы обусловлена следующим:
на созданных двух полновысотных моделях циркуляционного кон
тура системы охлаждения ВК ИТЭР получен экспериментальный материал
по теплогидравлическим характеристикам этих контуров при движении в
них воды или пароводяной смеси низкого давления, включая и область от
носительного вакуума (р=50-200 кПа, абс);
продемонстрировано саморегулирование температур воды в параллельно включённых каналах при теплоподводе лишь к одному из них путём кратковременного опускного движения воды в необогреваемом канале;
получены экспериментальные данные по перегреву относительно температуры насыщения адиабатного турбулентного потока воды низкого
давления и предложен ряд замыкающих соотношения, определяющих максимальные значения рассмотренного перегрева воды; продемонстрирован «эжектирующий эффект» - влияние конструкции входного узла на распределение расходов воды между параллельно включёнными каналами при разных вариантах исполнения этого входного узла. Достоверность научных положений основывается на следующем:
эксперименты выполнены на крупномасштабных моделях с натурными вертикальными размерами основных элементов и их значениями коэффициента гидросопротивления. Эксперименты выполнены при натурных параметрах теплоносителя и удельного теплового потока;
предлагаемые выводы и соотношения, в основном, базируются на результатах экспериментов, проведенных автором на ряде моделей, а также с использованием данных отечественных и зарубежных исследователей;
- в исследованиях использованы современные средства измерения;
опыты в малоисследованном диапазоне параметров сочетались с опытами
в диапазоне параметров, где имеются надёжные расчетные рекомендации;
- предложенные физические модели и соотношения, согласуются с со
временными представлениями о процессах теплоообмена и гидродинами
ки.
Практическая ценность и реализация результатов работы: полученный экспериментальный материал и результаты его анализа используются в проектной документации ИТЭР, а также может быть использован при создании СПОТ ЯЭУ, предусматривающих глубокое расхолаживание реактора.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты экспериментальных и расчётных разработок, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками лаборатории 106 НПО ЦКТИ, в число которых он входит. При этом автору принадлежит создание двух полновысотных моделей циркуляционного контура системы охлаждения ВК ИТЭР; проведение экспериментов на этих моделях, анализ их результатов и разработка соотношений, описывающих интенсивность рассматриваемых процессов.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлялись на ежегодных международных совещаниях по проекту ВК ИТЭР, НИИЭФА (п. Металлострой, 2003-2005); семинаре по динамике Минатома РФ (Сосновый Бор, 3-6 октября, 2004); 5-ой международной Балтийской конференции по теплообмену (Санкт-Петербург, 2007); НТС ОАО "НПО ЦКТИ" в 2004-2008 гг.
Публикации. Результаты диссертации изложены в 5 печатных работах.
Структура и объём работы. Диссертация содержит 215 страниц основного текста (введение, 7 глав с выводами, заключение по работе), 48 рисунков, 15 таблиц. Список литературных источников содержит 76 наименований (без трудов автора). Общий объем диссертации - 228 страниц.
