ID: 19132

Название работы: ДОПУСТИМАЯ МОЩНОСТЬ ТВЭЛА И ТВС

Категория: Лекция

Предметная область: Энергетика

Описание: ЛЕКЦИЯ 12 ДОПУСТИМАЯ МОЩНОСТЬ ТВЭЛА И ТВС Допустимая мощность твэлов и ТВС в стационарных условиях эксплуатации определяется: предельными температурами эксплуатации оболочки твэла и элементов конструкции ТВС: предельными температурами эксплуатации

Язык: Русский

Дата добавления: 2013-07-11

Размер файла: 374.5 KB

Работу скачали: 36 чел.

ЛЕКЦИЯ 12

ДОПУСТИМАЯ МОЩНОСТЬ ТВЭЛА И ТВС

Допустимая мощность твэлов и ТВС в стационарных условиях эксплуатации определяется:

•   предельными температурами эксплуатации оболочки твэла и элементов конструкции ТВС:
  •   предельными температурами эксплуатации топливного сердечника;
  •   обеспечением запаса до кризиса теплообмена.

В условиях максимальной проектной аварии:

•   степенью окисления циркониевой оболочки (не более 18% от толщины);
  •  долей прореагировавшего циркония (не более 1 % массы циркония в активной зоне);
  •  температурой плавления топливного сердечника;
  •  запасом до паро-циркониевой реакции.

Распределение температур в твэле

Если заданы температура теплоносителя на входе (Твх), подогрев теплоносителя (Т) и коэффициент теплоотдачи от оболочки к теплоносителю (), то распределение температур по высоте оболочки определяется выражением:

                                .                               (12.1)

Температура на внутренней поверхности оболочки (Т2) равна:

                   ,                      (12.2)

где о — толщина оболочки, о — коэффициент теплопроводности оболочки.

Температура внешней поверхности топливного сердечника (Т3) определяется тепловой проводимостью зазора (hз) или контакта между топливом и оболочкой:

                   .          (12.3)

Тепловая проводимость или термическое сопротивление (величина обратная проводимости) между сердечником и оболочкой твэла определяется величиной зазора, составом газа в зазоре, давлением, шероховатостью поверхностей, температурой и т.д.  При заполнении зазора жидким металлом, тепловая проводимость равна:

                                                      ,                                                       (12.4)

где м — теплопроводность металла (натрий, свинец и т.д.), з — радиальный зазор.

При контакте между топливом и оболочкой твэла с жидкометаллическим подслоем в качестве величины зазора можно, по-видимому, принять сумму средних величин неровностей (шероховатостей) топлива и оболочки — Rz. В случае заполнения зазора газом тепловая проводимость зависит от большого количества фактором и с достаточной точностью не может быть определена теоретически. В практике расчета твэлов обычно пользуются экспериментальными данными. На рис. 12.1 — 12.3 представлены зависимости тепловой проводимости зазора между топливом и оболочкой в зависимости от температуры и величины зазора.

Рис.12.1. Зависимость теплой проводимости зазора при заполнении гелием: О — 38 МВт.с/кг (з=57 мкм), х — 46 МВт.с/кг (з=105 мкм),  — 65 МВт.с/кг (з=0), _________ — необлученный твэл ((з=130 мкм) - - - - - - — облученный (з=100 мкм)	Рис.12.2. Зависимость теплой проводимости зазора при заполнении аргоном: О — 38 МВт.с/кг (з=57 мкм), х — 46 МВт.с/кг (з=105 мкм),  — 65 МВт.с/кг (з=0), _________ — необлученный твэл ((з=130 мкм) - - - - - - — облученный (з=100 мкм)

Рис.12.3. Зависимость теплой проводимости от величины радиального  зазора для твэла реактора на быстрых нейтронах:  — заполнение гелием, О — 30 % гелия и 70 % ксенона.

Стационарное поле температур в сердечнике твэла с внутренним энерговыделением qv описывается уравнением Фурье:

                                                 ,                                         (12.5)

где r — радиальная координата, T — температура, (r, T) — теплопроводность материала сердечника, являющаяся функцией температуры, пористости и состава. В общем случае это уравнение не решается в общем виде. Для грубых оценок, полагая теплопроводность и плотность объемного энерговыделения постоянными, получим:

Последнее уравнение описывает распределение температур в сердечнике в координате с максимальной температурой центра, которая по высоте практически совпадает с центром активной зоны.

Если теплопроводность зависит от температуры, то уравнение (12.5) допускает разделение переменных:

                                   .                                 (12.6)

Интеграл в левой части называется интегралом теплопроводности. Он может быть вычислен для любой начальной температуры, причем (0, Т) = (0, Тпов) + (Тпов, Т) согласно правилам интегрирования. Параметр Г определяется геометрией таблетки. Он равен 4 для сплошной таблетки и 4/[1 – 2ln/(2 – 1)] для таблетки с центральным отверстием, где  = R/r0. Зависимость интеграла теплопроводности диоксида урана разной пористости от температуры при нулевой начальной температуре представлена на рис.12.4.

На рис.12.4 стрелками показан путь выбора допустимой линейной тепловой нагрузки, при которой максимальная температура в центре топлива не превышает температуры плавления с коэффициентом запаса 1,25. Следует отметить, что допустимая линейная нагрузка не является функцией диаметра твэла. Поэтому при одной и той же линейной нагрузке в твэлах меньшего диаметра реализуются более высокие градиенты температур, определяемые удельным тепловым потоком. Выбор диаметра твэла для известной линейной тепловой нагрузки является компромиссом технических и экономических требований.

Для сердечника из диоксида урана с температурой поверхности выше 500 0С интеграл теплопроводности может быть аппроксимирован зависимостью:

                                    .                                        (12.7)

В последнем выражении T4 — максимальная температура сердечника (в центре или на границе центрального отверстия).

Рис.12.4. Зависимость интеграла теплопроводности сердечника от температуры центра при Тпов = 0 0С. Показаны расчетные кривые для топлива теоретической плотности (верхняя кривая), и для пористости 3 и 5 %

В общем случае задача о распределении температур по радиусу сердечника может быть решена численно путем разбиения на конечное число концентрических цилиндров (рис.12.5).

Рис.12.5 Схема расчета температуры

Поверхностный тепловой поток и градиент температуры на границе зоны с радиусом ri равен:

                                             .                                          (12.8)

Тепловой поток на границе зоны равен:

.

Таким образом, перепад температуры в любой зоне по радиусу может быть найден из соотношения:

                                       .                                               (12.9)

При известной температуре поверхности сердечника можно получить значение температур в любой точке по радиусу. Степень точности расчетов зависит от числа разбиений, т.е. от r. Методика учитывает зависимость теплопроводности от температуры и может быть применима при изменении энерговыделения по радиусу. Распределение температур по радиусу сердечника показано на рис.12.6.

Рис.12.6. Распределение температуры по радиусу сердечника

Допустимая мощность твэла и ТВС

Как уже говорилось выше, допустимая мощность твэлов и ТВС в стационарных условиях эксплуатации определяется:

•   предельными температурами эксплуатации оболочки твэла и элементов конструкции ТВС:
  •   предельными температурами эксплуатации топливного сердечника;
  •   обеспечением запаса до кризиса теплообмена.

Обычно в расчетах принимается, что запас мощности до плавления должен быть не менее 20 % с тем, чтобы не было расплавления в случае аварии с забросом реактивности.

Предельная мощность твэлов по кризису теплообмена, характеризуемая возникновением кризисных явлений хотя бы на одном участке твэла при заданных физических и геометрических характеристиках твэлов, зависит от расхода, температуры и давления охлаждающего теплоносителя. Условие безопасной работы твэла, определяющее допустимую мощность твэла по кризису теплообмена, может быть обеспечено, если тепловой поток в стационарном и аварийном режимах не превышает критического по всей высоте активной зоны. В конечном счете допустимая мощность твэла (qдоп) устанавливается наименьшей из всех предельных мощностей по плавлению топлива и кризису теплообмена с определенным коэффициентом запаса k (до некоторой степени произвольного в связи с недостаточной изученностью процессов теплоотвода в действующих реакторах).

Возможные отклонения физических и геометрических характеристик твэлов учитываются коэффициентом, называемым механическим k1мех. С учетом этих двух коэффициентов допустимая I мощность твэлов равна:

где qпред — наименьшая из предельных мощностей твэла по плавлению топлива и кризису теплообмена (для реакторов с натриевым и газовым охлаждением используется только коэффициент запаса по плавлению). Коэффициент запаса принимают, равным 1,1.

В реальных кассетах мощность между твэлами   распределяется неравномерно. Эта неравномерность характеризуется   коэффициентом  kk , равным отношению максимальной мощности твэла в кассете к средней.

При использовании механического коэффициента k2мех,    учитывающего отклонение физических и геометрических   характеристик ТВС от средних значений для допустимой мощности кассеты можно получить:

.

Значения критического теплового потока, приводящего к кризису теплосъема в реакторах с водяным охлаждением, приведены в предыдущей лекции.