Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

Актуальные вопросы моделирования теплогидравлических процессов в реакторах на быстрых нейтронах

05.06.2024 2024 - №02 Теплофизика и теплогидравлика

Ю.А. Кузина А.П. Сорокин

DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2024.2.04

УДК: 536.24+621.039.553.34

Представлены результаты исследований процессов гидродинамики и теплообмена в реакторах на быстрых нейтронах. Анализируются данные по турбулентному переносу импульса в пучках стержней. Показано, что интенсификация турбулентного переноса импульса в каналах пучков стержней обусловлена крупномасштабным турбулентным переносом импульса (вторичными токами). Объясняется интенсификация межканального турбулентного обмена в тесных решетках стержней. Получена зависимость для коэффициентов неподобия вынужденного проволочной навивкой межканального конвективного обмена массой, импульсом и энергией в пучках стержней. Изложены методики и результаты численного моделирования статистических характеристик теплогидравлики в тепловыделяющих сборках твэлов с использованием метода Монте-Карло, а также термомеханического анализа сборок твэлов в процессе кампании. Изложены результаты моделирования на водяной модели полей температуры и структуры движения теплоносителя в первом контуре реактора в различных режимах. Выявлена устойчивая температурная стратификация теплоносителя в периферийной зоне верхней камеры реактора над боковыми экранами. Показано, что процесс кипения щелочных жидких металлов в тепловыделяющих сборках твэлов характеризуется устойчивыми и пульсационными режимами, кризисом теплообмена. Показано согласие результатов экспериментального и численного моделирований. Построена картограмма режимов течения двухфазного потока щелочных жидких металлов в сборках твэлов. Анализируются влияние шероховатости поверхности твэлов на процесс кипения и теплоотдача при кипении жидких металлов. Показано длительное охлаждение тепловыделяющей сборки с «натриевой полостью» над активной зоной реактора в аварийных режимах с кипением жидких металлов. Сформулированы задачи дальнейших исследований.

Ссылки

  1. Теплофизическая стендовая база атомной энергетики России и Казахстана /Под ред. В.А. Першукова, А.В. Архангельского, О.Е. Кононова, А.П. Сорокина. – Саров: ФГУП «РФЯЦ – ВНИИЭФ», 2016. – 160 с.
  2. Ефанов А.Д., Козлов Ф.А., Рачков В.И., Сорокин А.П., Черноног В.Л. Научная школа ГНЦ РФ – ФЭИ «Теплои массоперенос, физическая химия и технология теплоносителей в энергетических системах». / Научно-технический сборник «Итоги научно-технической деятельности института ядерных реакторов и теплофизики за 2014 год» /Под общей редакцией А.П. Сорокина, А.А. Труфанова, Т.Н. Верещагиной. – Обнинск: ГНЦ РФ – ФЭИ. – 2015. – С. 24 – 51.
  3. Сорокин А.П., Кузина Ю.А. Физическое моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в ЯЭУ с жидкометаллическими теплоносителями. // Теплоэнергетика. – 2019. – No 8. – С. 1 – 9. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040363619080095
  4. Рачков В.И., Арнольдов М.Н., Ефанов А.Д., Калякин С.Г., Козлов Ф.А., Логинов Н.И., Орлов Ю.И., Сорокин А.П. Использование жидких металлов в ядерной, термоядерной энергетике и других инновационных технологиях. // Теплоэнергетика. – 2014. – No 5. – С. 20–30. DOI: https://doi.org/10.1134/ S0040363614050087
  5. Пономарев-Степной Н.Н. Двухкомпонентная ядерная энергетическая система с замкнутым ядерным топливным циклом на основе БН и ВВЭР. // Атомная энергия. – 2016. – Т. 120. – Вып. 4. – С. 183 – 191. Электронный ресурс: https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t120-4_2016/p183/ (дата доступа 15.03.2024).
  6. Субботин В.И., Ибрагимов М.X., Ушаков П.А., Бобков В.П., Жуков А.В., Юрьев Ю.С. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках (основы расчета). – М.: Атомиздат, 1975. – 406 с.
  7. Ибрагимов М.X., Субботин В.И., Бобков В.П., Сабелев Г.И., Таранов Г.С. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. – М.: Атомиздат, 1978. – 296 с.
  8. Сорокин А.П., Кузина Ю.А., Денисова Н.А. Гидродинамика турбулентных потоков в ТВС быстрых реакторов (поле скорости и микроструктура турбулентности). // ВАНТ. Сер.: Ядерно-реакторные константы. – 2021. – No2. – С. 139–166. DOI: https://doi.org/10.55176/2414-1038-2021-2-139-166
  9. Nijsing R., Eifler W. Temperature Fields in Liquid-Metal-Cooled Rod Assemblies. // Progress in Heat and Mass Transfer. – 1971. – Vol. 7. – PР. 115 – 149.
  10. Жуков А.В., Сорокин А.П., Ушаков П.А., Матюхин Н.М., Тихомиров Б.Б., Титов П.А., Михин В.И., Мантлик Ф., Гейна Я., Восагло Л., Червенка Я. Гидродинамические характеристики в ТВС быстрых реакторов: Препринт ФЭИ-1816, Обнинск, 1986. – 68 с.
  11. Mühlbauer P. et al. Finite Element Analysis of Turbulent Flow on Infinite Rod Bundles // Fourth Int. Top. Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, NURETH-4, Karlsruhe, 1989. – Vol. 2. – PР. 1307 – 1312.
  12. Ян A., Цзян С. Турбулентный перенос тепла и количества движения в бесконечной решетке стержней. // Теплопередача. – 1988. – No 2. – С. 36 – 43.
  13. Neelen N. Modeling of Transport of Momentum in Parallel Turbulent Flow through a Rod Bundle // DrIng, Thesis, TU Braunschweig, Germany, 1986.
  14. Shimizu Т., Hinokata Н., Shishido Н. Distributed Parameter Analysis for the Prediction on the Pine 5tructure of Flow and Temperature Fields in Wire-Wrapped Fuel Pin Bundle Geometrics // Nuclear Engineering and Design. – 1990. – Vol. 120. – No. 2–3. – PР. 369–383. https://doi.org/10.1016/00295493(90)90387-D
  15. Reichardt H. Vollständige Darstellung der Turbulenten Geschwindigkeitsvertelung in Glatten Leitungen. // Z. Hath. and Mech. – 1951. – Vol. 31.– Iss.7.– PP. 208 – 219. DOI: https://doi.org/10.1002/zamm.19510310704
  16. Kjellstrom В. Studies of Turbulent Plow Parallel to Rod Bundles of Triangular Array. // Aktiebolaget Atomenergi. – 1974. – Report AE-487, 191 p. Available at: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/05/148/5148715.pdf (accessed Mar.15, 2024).
  17. Ramm H., Johannsen K. Prediction of Local and Integral Turbulent Transport Properties for Liquid-Metal Heat Transfer in Equilateral Triangular Rod Arrays // Journal of Heat Transfer. – 1975. – Vol. 97. – Ser. C. – No. 2. – PP. 238 – 245. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3450347.
  18. Launder B.E., Spalding D.B. The Numerical Computation оf Turbulent Flows // Computation Methods App. Mech. Engrg. – 1974. – Vol. 3. – Iss. 2. – PP. 269–289. DOI: https://doi.org/10.1016/0045-7825(74)90029-2
  19. Nijsing R. et al. Temperature Fields in Liquid-Metal Cooled Rod Assemblies / Report on the International Heat Transfer Seminar, Trogir, Yugoslavia, 1971, EU/C-1C791/71.
  20. Булеев Н.И., Зинина Г.А. Корректировка исходных гипотез трехмерной модели турбулентного обмена // ВАНТ. Сер.: Физика и техника ядерных реакторов. – 1981. – Вып. 2(24). – С. 26 – 35.
  21. Rowe D.S., Chapman С.С. Measurement of Turbulent Velocity, Intensity and Scale in Rod Bundle Plow Channels Containing a Grid Spacer. // BNWL–1737, Washington. 1973.
  22. Жуков А.В., Кузина Ю.А., Сорокин А.П. Анализ бенчмарк-эксперимента по гидравлике и теплообмену в сборке имитаторов твэлов с жидкометаллическим охлаждением. // Атомная энергия. – 2005. – Т. 99. – Вып. 5. – С. 336 – 348. Электронный ресурс: https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_ t99-5_2005/p336 (дата доступа 15.03.2024).
  23. Сорокин А.П., Кузина Ю.А., Сорокин Г.А., Денисова Н.А. Моделирование процессов теплои массообмена в ТВС быстрых реакторов в рамках поканального метода расчета. Обобщенные характеристики обмена для однофазных потоков жидких металлов. // ВАНТ. Сер.: Ядерно-реакторные константы. – 2020. – No 2. – C. 104 – 130. DOI: https://doi.org/10.55176/2414-1038-2020-2-104-130
  24. Жуков А.В., Сорокин А.П., Титов П.А., Ушаков П.А. Анализ гидравлического сопротивления пучков твэлов быстрых реакторов. // Атомная энергия. – 1986. – Т.60. – Вып. 5. – С. 317 – 321. Электронный ресурс: https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t60-5_1986/p317/ (дата доступа 15.03.2024).
  25. Кириллов П.Л. Теплообмен в турбулентном потоке. Ч.2. Распределение скорости и температуры. // Атомная энергия. – 2017. – Т. 122. – Вып. 4. – С. 192–203. Электронный ресурс: https://elib. biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t122-4_2017/p192/ (дата доступа 15.03.2024).
  26. Bogoslovkaya G.P., Cevolani S., Ninokata H., Rinejski A.A., Sorokin A.P., Zhukov A.V. LMFR Core and Heat Exchanger Thermohydraulic Design: Former USSR and Present Russia Approaches. IAEA–TEC-DOC–1060. – Vienna, IAEA, 1999. – 305 р.
  27. Жуков А.В., Сорокин А.П., Матюхин Н.М. Межканальный обмен в ТВС быстрых реакторов (расчетные программы и практическое приложение). Серия: Физика и техника ядерных реакторов. – Вып. 38. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 225 с.
  28. Гордеев С.С., Сорокин А.П., Тихомиров Б.Б., Труфанов А.А., Денисова Н.А. Методика расчета температурных режимов твэлов в ТВС с учетом межканального перемешивания теплоносителя и случайного отклонения параметров. // ВАНТ. Сер. Ядерно-реакторные константы. – 2016. – Вып. 4. – С. 116 – 130. Электронный ресурс: http://vant.ippe.ru/archiv/year2016.html (дата доступа 15.03.2024).
  29. Кузина Ю.А., Сорокин А.П., Денисова Н.А. Экспериментальные и расчетные исследования гидродинамики и теплообмена в турбулентных потоках жидких металлов в ТВС быстрых реакторов. // ВАНТ. Сер.: Ядерно-реакторные константы. – 2023. – No 2. – С. 132 – 145. Электронный ресурс: https://vant.ippe.ru/year2023/2/thermal-physics-hydrodynamics/2328-10.html (дата доступа 15.03.2024).
  30. Сорокин А.П., Богословская Г.П., Труфанов А.А., Денисова Н.А. Исследования влияния радиационного формоизменения ТВС на температурный режим и напряженно-деформированное состояние оболочки твэлов. // Атомная энергия. – 2016. – Т. 120. – Вып. 6. – С. 341 – 346. Электронный ресурс: https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t120-6_2016/p341/ (дата доступа 15.03.2024).
  31. Опанасенко А.Н., Сорокин А.П., Зарюгин Д.Г., Труфанов А.А. Реактор на быстрых нейтронах: экспериментальные исследования теплогидравлических процессов в различных режимах работы. // Теплоэнергетика. – 2017. – No 5. – С. 1 – 10. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040363617050058
  32. Сорокин А.П., Кузина Ю.А., Иванов Е.Ф. Особенности теплообмена при кипении жидкого металла в ТВС быстрых реакторов. // Атомная энергия. – 2019. – Т. 126. – Вып. 2. – C. 69 – 76. Электронный ресурс: https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t126-2_2019/p69/ (дата доступа 15.03.2024).
  33. Yamaguchi K. Flow Pattern and Dryout under Sodium Boiling Conditions. // Nuclear Engineering and Design. – 1987. – Vol. 99. – No. 3. – PP. 247 – 263. DOI: https://doi.org/10.1016/0029-5493(87)90125-7
  34. Sorokin G.A., Ninokata H., Sorokin A.P., Endo H., Ivanov Eu.F. Numerical Study of Liquid Metal Boiling in the System of Parallel Bundles under Natural Circulation. // Journal of Nuclear Science and Technology. – 2006. – Vol. 43. – No. 6. – PP. 623 – 634. DOI: https://doi.org/10.1080/18811248.2006.9711142

реактор на быстрых нейтронах сборки твэлов гидродинамика теплообмен эксперимент расчетное моделирование турбулентный перенос стратификация режимы кипения шероховатость

Ссылка для цитирования статьи: Кузина Ю.А., Сорокин А.П. Актуальные вопросы моделирования теплогидравлических процессов в реакторах на быстрых нейтронах. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2024. – № 2. – С. 41-58. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2024.2.04 .

Открыть PDF файл