Предложения по модернизации активной зоны реакторов ВВЭР-1000
Дата: 24/07/2013 Тема: Атомная наука
с целью уменьшения неравномерности распределения расходов по кассетам С.П.Никонов, НИЦ «Курчатовский институт»
В работе [1] представлено описание методики, позволяющей создать довольно точную расчетную модель внутриреакторного пространства реакторной установки ВВЭР-1000, которая в дальнейшем используется в расчетном коде ATHLET [2]. Проведенные по данной модели уже первые расчеты[3], подтвержденные последующими работами [4-11], позволили выявить конструкторскую ошибку, заложенную при проектировании активной зоны реактора (модель В-320). Суть этой ошибки будет видна из представленной ниже информации.
Расчеты по разработанной модели по программе ATHLET были проведены для блока №3 Калининской АЭС в период освоения работы на номинальной мощности. Все приведенные ниже результаты были рассмотрены для исходного состояния при работе 4-х ГЦН практически на номинальной мощности (98,6% от номинала).
На рисунках 1-3 представлена пространственная модель как всего реактора, так и отдельных групп элементов, структура которых оказывает наибольшее влияние на распределение температур и расходов. Рис.1 Общий вид реактора и компоновка его внутренних структур (реальная – левый объект и модельная – два объекта справа, термогидравлические структуры и тепловые структуры для днища и верха крышки реактора)
Рис.2 Различные группы гидравлических объектов реактора в области нижней решетки блока защитных труб (НР БЗТ)
Рис.3 Верхняя часть тепловыделяющей сборки (ТВС) и ее составляющие элементы (слева – реальный объект, справа – модель, общий вид и отдельные гидравлические объекты.
UH-последний обогреваемый участок кассеты; UN-необогреваемый участок до концевиков твэл; UP- участок от концевиков твэл и до нижней решетки головки кассеты (ГК); AH1-нижняя часть вокруг ГК – от нижней решетки ГК и до уровня средней решетки ГК; AH2-верхняя часть вокруг ГК – от средней решетки ГК и до нижней решетки БЗТ; BТ1-нижняя внутренняя часть ГК – от нижней решетки ГК и до уровня средней решетки ГК; BТ2-средняя внутренняя часть ГК – от средней решетки ГК и до верхней решетки ГК; HT-верхняя часть ГК – от верхней решетки ГК и до верха ГК (там установлена термодатчик); GCH- выход из направляющих и центрального канала (далее - направляющий канал) в области HT. 1.13 - K q (исходное состояние) 1.11 - K q (конечное состояние) 82 - номер ТВС Рисунок 4 – Распределение относительного энерговыделение в ТВС в начальный и конечный момент переходного процесса.
На рисунках 5 и 6 представлено расчетное распределение расходов теплоносителя по элементам модели реакторной установки перед началом переходного процесса. Эти рисунки различаются лишь тем, что на рисунке 5 даны расходы на входе в кассеты на уровне нижней опорной решетки, а на рисунке 6 – на уровне концевиков тепловыделяющих элементов, остальные расходы для одних и тех же элементов установки. Цветовая палитра нормирована на распределение расходов по кассетам. Видно, что если на входе в активную зону у нас имеется практически равномерное распределение расходов по кассетам, то на уровне концевиков твэл эта разница достигает 35% (относительно среднего расхода по кассетам). На рисунке 7 приведено распределение расходов теплоносителя от нижней опорной решетки кассет до нижней решетки БЗТ для кассет от левого нижнего угла и до центральной кассеты. Для всех кассет имеет место снижение расхода сразу после первой дистанционирующей решетки, что связано с потоком части теплоносителя в направляющие каналы. Для 1, 7, 8 кассет имеет место увеличение расхода до уровня концевиков, для 18, 29, 41, 54, 88 и 82 – уменьшение, причем для 54 кассеты – самое значительное уменьшение, что связано с наибольшим энерговыделением (рисунок 4). Затем, перед отбойной решеткой головок кассет, идет значительное выравнивание расходов, и при проходе через нижнюю решетку БЗТ значительное снижение расхода для кассет 41 и 82 (кассеты с ОР СУЗ- 7 и 9 группы соответственно) и максимальное увеличение для кассет 1, 7 и 8 (над ними нет труб БЗТ). Над остальными кассетами находятся трубы БЗТ с проводкой от датчиков ТК и ДПЗ. Причина такого распределения расходов ясна из рисунка 8.
Рисунок 5 - Распределение расходов (кг/с) теплоносителя на входе и выходе реактора, внизу опускной камеры, на входе в активную зону и выгородку.
Рисунок 6 - Распределение расходов теплоносителя(кг/с) по кассетам на уровне концевиков твэл (остальные параметры как на рис.5)
Рисунок 7 - Изменение относительного(от среднего) расхода теплоносителя (%) по высоте кассет (1, 7, 8, 18, 29, 41, 54, 68, 82) от нижней опорной решетки кассет до нижней решетки БЗТ Рис.8 - Распределение потоков теплоносителя в области нижней решетки БЗТ. Красный цвет – поток основного теплоносителя, синий – поток теплоносителя из направляющих каналов и выгородки
Наличие зазора между нижней отбойной решеткой головки кассет и верхом выгородки приводит, можно сказать, к эффекту открытого шлюза. Если качественно этот шлюзовой эффект вполне понятен, то количественно он зависит от величины зазора и способа расчета местного коэффициента сопротивления этого зазора. Влияние этого фактора отражено на рисунке 9. Необходимо отметить, что даже увеличение выгородки до нижней решетки блока защитных труб оставляет неравномерность в распределении расхода по кассетам (около 3% на уровне концевиков твэл), что объясняет рисунок 8. Рисунок 9 - Изменение относительного (% от среднего расхода в кассеты на входе в активную зону) расхода теплоносителя для кассет 54(1,2,3) и 149 (4,5,6) по высоте (240- 240 см, topH- конец обогрева, top – уровень концевиков твэл) от относительного коэффициента сопротивления зазора между областью кассет и выгородкой
Проведенный анализ показал наличие неравномерности в распределении расходов теплоносителя по кассетам в осевом направлении, особенно в верхней трети активной зоны – уменьшение расхода в центральной части и увеличение на периферии. Эта неравномерность обусловлена конструкционной особенностью активной зоны в области нижней решетки БЗТ, связанной с наличием зазора между выгородкой и нижней отбойной решеткой головки кассет. При проектировании эта особенность не была учтена. Этот эффект - его можно назвать шлюзовым эффектом, зависит от типа кассеты, точнее конструкции ее головки. Увеличение зазора, в общем случае, ведет к увеличению неравномерности расходов. В таблице 1 дано представление о величине зазора между нижней отбойной решеткой головки кассет и выгородкой для разного типа кассет.
Изменение в распределении расходов несет в себе изменение в распределении плотностей и температур теплоносителя, что меняет физическое состояние зоны, что необходимо учитывать при нейтронно-физическом анализе. Наличие поперечного потока теплоносителя, особенно сильного в верхней части ТВС в области концевиков твэл, цикличность его изменения (колебания расхода всегда есть в циркуляционном контуре при работе насосов) должны приниматься в расчет при обосновании прочности ТВС. Таблица 1. Высота головки кассеты (Н) и расстояние от отбойной решетки до уровня выгородки (dН). Высота выгородки, приведенна к началу кассеты 4070+40+7=4117мм Высота кассеты=4570мм
Кассета
| Серийная
| Пере-ходная
| УТВС-ТВСА
| ТВС-2
| ТВС-2М
| ТВСА-Т
| H
| 425
| 433
| 436
| 446
| 384
| 368+22
| dН
| 28
| 20
| 17
| 7
| 71
| 63
|
Следует отметить, что ситуацию с распределением теплоносителя по ТВС может значительно ухудшить и загрузка в активную зону различных типов кассет (имеется в виду различная геометрия головок ТВС). Наличие на периферии кассет с более короткой головкой, чем в остальной части зоны, увеличит поперечный переток теплоносителя и увеличит разницу в расходах по ТВС, что усугубит основные неприятности (смотри выше). К той же неприятности может привести и установка подобных кассет в центре активной зоны. До сих пор предполагалось, что если и есть какое расхождение по расходам в кассетах, то оно практически исчезает в нижней части активной зоны и расход остается неизменным по высоте. В частности, это предположение легло в основу практически всех предыдущих расчетов в обоснование безопасности последних серий реакторов ВВЭР-1000, не только строящихся в России, но и за рубежом. В связи с этим возникают сомнения и в расчете запаса до кризиса, который используется для защит и блокировок в реактор.
Решение проблемы с выравниванием расхода по высоте кассет может быть проведено, если так встанет вопрос, разными путями. Самый простой – выгородку увеличить до нижней плиты блока защитных труб (рис.10) или, как минимум, до уровня верха нижней решетки головки кассеты. Результаты, приведенные в данной работе, показывают практически полное выравнивание, но при этом увеличивается сопротивление на реакторе и общеконтурный расход в системе уменьшается. Можно уменьшить сопротивление нижней решетки головки кассет и спрофилировать отверстия на краях нижней решетки блока защитных труб и т.д.
Рис.10 – Распределение давлений(бар) во входных и выходных патрубка, конце опускного участка, абсолютных расходов в выгородку (кг/с) и относительное(%) распределение расходов теплоносителя над кассетами на уровне концевиков твэл при выгородке, продленной до уровня низа нижней решетки БЗТ
REFERENCES - S. Nikonov, 3D Grid for Calculation of the Coolant Parameter Distributions in the Reactor Volume, 19th Symposium of AER, Varna, Bulgaria, Sept. 21-25, 2009.
- G.Lerchl, H.Austregesilo, ATHLET Mod2.2 Cycle A, User’s Manual,GRS,2009
- С.П. Никонов, Расчет распределения расходов теплоносителя в реакторном объеме. РНЦ«КИ», ИЯР, ОВВЭР, инв. № 32/1-25-410 от 08.11.2010
- S.Nikonov, A. Pautz, K.Velkov, Detailed modeling of KALININ-3 NPP VVER-1000 reactor pressure vessel by the coupled system code ATHLET/BIPR-VVER, International Conference on Mathematics and Computational Methods Applied to Nuclear Science and Engineering (M&C 2011), ISBN 978-85-63688-00-2, Rio de Janeiro, RJ, Brazil, May 8-12, 2011
- Никонов С.П., Журбенко А.В, Семченков Ю.М., Оценка влияния внутрикорпусных характеристик реактора ВВЭР-1000 на точность расчета теплогидравлических параметров, 7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, 17-20 мая 2011 г
- I. Pasichnyk, K. Velkov, S. Nikonov, Calculation of coolant temperature distribution in the fuel assembly head of VVER-1000 NPP, 7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, 17-20 мая 2011 г
- S. Nikonov, Modeling the spatial distribution of the parameters of the coolant in the reactor volume, 21th Symposium of AER on VVER Reactor Physics and Reactor Safety, Dresden, Germany, September, 19-23, 2011
- S. Nikonov, I. Pasichnyk, K. Velkov, A. Pautz, Comparisons with Measured Data of the Simulated Local Core Parameters by the Coupled Code ATHLET-BIPR-VVER Applying a New Enhanced Model of the Reactor Pressure Vessel, 21th Symposium of AER on VVER Reactor Physics and Reactor Safety, Dresden, Germany, September, 19-23, 2011
- K. Velkov, S. Nikonov, I. Pasichnyk, G. Lerchl ,Validation of a Pseudo-3D Modelling of Reactor Pressure Vessel with ATHLET System Code for Coupled Code Applications, 20 International Conference on Nuclear Engineering, Proceedings of the ASME 2012 Power Conference POWER2012, July 30 - August 3, 2012, Anaheim, California, USA
- S. Nikonov, I. Pasichnyk, P. Schöffel , K. Velkov, From macro- to micro scale hydraulic simulations of a reactor pressure vessel in the framework of the system code ATHLET, 22th Symposium of AER on VVER Reactor Physics and Reactor Safety, Průhonice, Czech Republic, 1.-5. October, 2012
- I. Pasichnyk, S. Nikonov, K. Velkov, Uncertainty and sensitivity analysis of fuel assembly head parameters in the framework of Kalinin-3 benchmark transient, 8-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, 28-31 мая 2013 г
|
|