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       - Kq (исходное состояние)
                1.11       - Kq (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

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
  1. 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.
  2. G.Lerchl, H.Austregesilo, ATHLET Mod2.2 Cycle A, User’s Manual,GRS,2009
  3. С.П. Никонов, Расчет распределения расходов теплоносителя в реакторном объеме. РНЦ«КИ», ИЯР, ОВВЭР, инв. № 32/1-25-410 от 08.11.2010
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=4680