Введение к работе
Актуальность работы
Самой актуальной проблемой современной ядерной энергетики является повышение безопасности. В настоящее время во многих странах возрастает интерес к малой распределенной ядерной энергетике. В России этот интерес прежде всего связан с необходимостью освоения отдаленных регионов. Для широкого распространения станций малой мощности чрезвычайно важно обеспечить надежную радиационную безопасность в случае возникновения аварий.
Одним из решений, позволяющих принципиально увеличить
безопасность эксплуатации ядерных реакторов, является использование тепловыделяющих сборок с микротвэлами (ТВС МТ). Микротвэлы представляют собой сферические частицы, состоящие из топливного сердечника и многослойной оболочкой. Микротвэлы обладают высокой температурной стойкостью и герметичностью. Использование микротвэлов приводит к снижению температуры топлива и, следовательно, уровня аккумулированной энергии.
Концепция ТВС МТ для водоохлаждаемого реактора была предложена достаточно давно. Такая сборка представляет собой коллекторную систему с микротвэлами, которые размещаются в виде свободной засыпки между перфорированными стенками коллекторов и непосредственно омываются теплоносителем. В России проводились экспериментальные и расчетно-теоретические исследования теплогидравлических и нейтронно-физических параметров таких сборок, но, к сожалению, эти исследования не были завершены.
Для обоснования работы реакторных установок с микротвэлами необходимо проводить экспериментальные и численные исследования гидродинамики и теплообмена в шаровых засыпках при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения. В настоящий момент в литературе не представлены экспериментальные данные о теплообмене и гидродинамике в коллекторных системах с шаровыми засыпками при радиальном течении теплоносителя в условиях внутреннего тепловыделения. Решение теплогидравлической задачи при течении в микротвэльной засыпке с переменным сечением и объемном выделении энергии, исследование влияния раздаточного и сборного коллекторов на гидродинамику и теплообмен не является тривиальной задачей. Поэтому на этапе поиска наилучших конструктивный решений, численное моделирование, по-видимому, является самым оптимальным методом. Вместе с тем, методы, используемые для численного моделирования и получаемые результаты, требуют верификации на экспериментальных данных. Для этого представляется разумным использовать небольшие модельные стенды, позволяющие проводить эксперименты в достаточно широком диапазоне режимных параметров.
Цели и задачи работы
Целью работы являлось теплофизическое обоснование
работоспособности ТВС ядерных реакторов с топливом в виде сферических микротвэлов.
Для этого необходимо:
Провести экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в коллекторных системах с шаровыми засыпками в условиях внутреннего объемного тепловыделения.
Выполнить численное исследование гидродинамики и распределения температуры в модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами для ядерной реакторной установки малой мощности.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
-
Проектирование и создание экспериментального стенда и рабочих участков для исследования теплообмена и гидравлического сопротивления в шаровых засыпках.
-
Получение массива экспериментальных данных о гидравлическом сопротивлении перфорированной решетки с шаровой засыпкой.
-
Получение массива экспериментальных данных о потерях давления, распределении температуры и коэффициенте теплоотдачи при радиальном течении теплоносителя через шаровую засыпку с внутренним тепловыделением.
-
Верификация математической модели для численного исследования гидродинамики и распределения температуры в коллекторных системах с шаровыми засыпками в условиях внутреннего объемного тепловыделения.
-
Выполнение численного исследования гидродинамики и распределения температуры в модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами для ядерной реакторной установки малой мощности. Определение размеров тепловыделяющей сборки с микротвэлами и степени перфорации чехлов коллекторов, обеспечивающих требуемое течение и распределение температуры.
Положения, выносимые на защиту
-
Методика экспериментального исследования теплогидравлических процессов в шаровых засыпках.
-
Конструкция рабочего участка для исследования теплогидравлических процессов в коллекторных системах с шаровыми засыпками в условиях внутреннего объемного тепловыделения.
-
Опытные данные о потерях давления, распределении температуры и коэффициенте теплоотдачи при радиальном течении теплоносителя через шаровую засыпку с внутренним объемным тепловыделением.
-
Результаты численного исследования модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами для ядерной реакторной установки малой мощности.
Научная новизна работы
-
Получены экспериментальные данные, ранее не представленные в литературе, о теплообмене, потерях давления и распределении температуры жидкости в коллекторной системе с шаровой засыпкой в условиях внутреннего объемного тепловыделения.
-
Получены коэффициенты гидравлического сопротивления перфорированной решетки с шаровой засыпкой.
-
Предложена схема конструкции тепловыделяющей сборки с микротвэлами для реакторной установки малой мощности и выполнено теплогидравлическое обоснование ее работоспособности методами численного моделирования.
Достоверность результатов работы
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается тщательно проработанной методикой проведения исследований и обработки результатов измерений, применением надежных измерительных приборов и датчиков, предварительно прошедших тарировку. Результаты тестовых экспериментов соответствуют данным, представленным в литературе.
Достоверность результатов численного моделирования обеспечивается использованием надежных программных пакетов и верифицированных математических моделей.
Практическая ценность
Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке расчетных соотношений для коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи коллекторных систем с шаровыми засыпками.
Результаты численного исследования могут быть использованы при проектировании тепловыделяющих сборок с микротвэлами для реакторных установок.
Апробация работы
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 24 печатных работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 в научном журнале, 3 в трудах конференций и 16 в тезисах конференций, представленных ниже. Список основных публикаций по теме исследований представлен в конце автореферата.
Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
-
X, XIII Курчатовская молодежная научная школа (2012, 2015 гг.).
-
XIX, XX, XXI, XXII, XXIII, XIV Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2013, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018 гг.).
-
XIX, XX, XXI Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (2013, 2015, 2017 гг.).
-
Конференция молодых специалистов "Инновации в атомной энергетики" (2013 г.).
-
XXI международная научная конференция "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (2013 г.)
-
VI Российская национальная конференция по теплообмену (2014 г.).
-
Научно-техническая конференция "Теплофизика реакторов нового поколения" (Теплофизика-2015) (2015г.).
-
Российская конференция молодых ученых, специалистов, аспирантов, студентов «Атомные электростанции сверхмалой мощности для прикладных и учебных целей» (2016 г.).
-
Всероссийская научная конференция “Теплофизика и физическая гидродинамика” с элементами школы молодых ученых (2016 г.).
-
Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых учёных "XXXIII Сибирский теплофизический семинар" (2017г.).
-
Международная конференция «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (2017 г.)
Личный вклад автора
Результаты диссертационного исследования получены соискателем лично
или с соавторами. Личный вклад автора в полученные результаты носит
определяющий характер. Автором спроектирован и смонтирован
экспериментальный стенд: выполнена тарировка и наладка измерительного оборудования; разработаны и изготовлены рабочие участки; смонтирована и отлажена автоматизированная система сбора и обработки информации для экспериментального стенда. Получен массив экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене в шаровых засыпках при осевом и радиальном течении теплоносителя. Проведена верификация математической модели для численного исследования гидродинамики и распределения температуры в пористых средах с объемным тепловыделением. Выполнено численное исследование гидродинамики и распределения температуры в коллекторных системах с шаровыми засыпками при радиальном течении теплоносителя и объемном тепловыделении в шаровой засыпке.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа содержит 155 страниц, 17 таблиц, 86 рисунков. Список цитируемой литературы включает 88 наименований.