Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

Расчетное и экспериментальное исследование устойчивости естественной циркуляции легководного СКД-теплоносителя в замкнутом контуре

10.12.2025 2025 - №04 Теплофизика и теплогидравлика

А.А. Седов С.Б. Пустовалов П.С. Поляков С.С. Симонов А.А. Фролов Д.Г. Зарюгин

DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2025.4.04

УДК: 621.039; 621.039.524.441; 621.039.526

Рассматривается валидация аналитического решения системы теплогидравлических уравнений с использованием экспериментальных данных, полученных при естественной циркуляции (ЕЦ) легководного теплоносителя при сверхкритических параметрах (СКД-вода). В настоящее время в НИЦ «Курчатовский институт» создан и введен в эксплуатацию экспериментальный теплогидравлический стенд «Многоцелевая нереакторная петля ВВЭР-СКД». Одним из элементов стенда является замкнутый контур с ЕЦ СКД-воды. В результате анализа литературных данных выбраны ряды критериев, корреляций, формул и приближений, которые в дальнейшем были использованы при аналитическом решении системы уравнений. Рассмотрены основные виды теплогидравлической неустойчивости, которые могут проявляться в замкнутых контурах с ЕЦ СКД-воды. Для замкнутого контура с СКД-водой при ЕЦ получены формулы для определения расхода теплоносителя в зависимости от мощности нагревателя, максимально достижимого расхода и максимально допустимой подводимой мощности, а также разности энтальпий теплоносителя в нагревателе при максимальном расходе, которые использованы при аналитическом решении уравнений. Получены критерии возникновения теплогидравлической неустойчивости в рассматриваемой системе. Экспериментально были получены результаты по теплоотдаче и гидродинамике в обогреваемом цилиндрическом канале, а также динамике всего контура, в том числе мощностные и расходные характеристики. Предложенные авторами формулы валидированы для условий ЕЦ СКД-воды с использованием экспериментальных данных. Отличие в расчетном определении границы наступления теплогидравлической неустойчивости по полученным аналитическим формулам в сравнении с экспериментальными данными не превышает 5%. Полученные результаты необходимо учитывать при формировании исходных технических требований к работе реакторных установок с легководным СКД-теплоносителем в режиме естественной циркуляции в номинальном режиме или при нарушении нормальной эксплуатации.

Ссылки

  1. Виноградов М.К., Федулин В.Н. Исследовательские ядерные установки государств – участников Содружества Независимых Государств. Москва, Гелиос АРВ, 2016, 480 с.
  2. Advances in Small Modular Reactor Technology Developments, A Supplement to: IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS), 2020 Edition. URL: https://aris.iaea.org/Publications/ SMR_Book_2020.pdf (дата обращения 02.12.2024).
  3. Kim H.T. Geysering Instability Study for the SBWR. CA 95125, NTDO-32246, DRF A0005757, General Electric Nuclear Energy, September 1993.
  4. The ESBWR Plant General Description. GE Hitachi Nuclear Energy Nuclear Marketing NC 28401, USA, 2011, 201.
  5. Семченков Ю.М., Силин В.А., Алексеев П.Н., Чибиняев А.В., Митькин В.В., Хлопов Р.А. Интегральные реакторные установки с естественной циркуляцией воды при сверхкритическом давлении – РУ СКДИ. Сборник тезисов докладов 9-й международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», 19–22 мая 2015, Россия, Подольск, с. 198–214.
  6. Белоярская атомная электростанция. М.: Внешторгиздат, 1983, 28 с.
  7. Mayinger F., Scheldt M. Heat transfer in the supercritical region with vertical upflow. Wärmeund Stoffübertragung. 1984;18:207–214. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01007131
  8. Srivastava T., Sutradhar P., Basu D.N., Chen L. (2020). An Overview of the Dynam-ics of Supercritical Natural Circulation Loops. In: Mukhopadhyay A., Sen S., Basu D., Mondal S. (eds) Dynamics and Control of Energy Systems. Energy, Environment, and Sustainability. Springer, Singapore, 2020, pp.85–110. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-15-0536-2_5
  9. Boure J.A., Bergles A.E, Tong L.S. Review of two-phase flow instability. Nuclear Energy, 1973;25:165–192. DOI: https://doi.org/10.1016/0029-5493(73)90043-5
  10. Ambrosini W. Quick Look Report on the Results of the Flow Stability Benchmark. IAEA Coordinated Research Programme on Heat Transfer Behavior and Thermo-hydraulics Codes Testing for SCWRs, University of Pisa, DIMNP RL 1251, 2010.
  11. Kakac S., Bon B. A Review of two-phase flow dynamic instabilities in tube boiling systems. Int. J. Heat Mass Transf. 2008;51:399–433. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.09.026
  12. Welander P. On the Oscillatory Behaviour of a Differentially Heated Fluid Loop. J. Fluid Mech. 1967;29:17–30. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112067000606
  13. Fukuda K., Kobori T. Classification of Two-Phase Flow Instability by Density Wave Oscillation Model Classification of Two-Phase Flow Instability by Density Wave Oscillation Model. J. Nucl. Sci. Technol. 1979;16:95–108. DOI: https://doi.org/10.3327/jnst.16.95
  14. Zuber N. An analysis of thermally induced flow oscillations in the near-critical and super-critical thermodynamic region. 1966.
  15. Chatoorgoon V. Stability of supercritical fluid flow in a single-channel. Int. J. Heat Mass Transf. 2001;44:1963–1972. DOI: https://doi.org/10.1016/S0017-9310(00)00218-0
  16. Chatoorgoon V., Voodi A., Fraser D. The stability boundary for supercritical flow in natural convection loops: Part I: H2O studies. Nucl. Eng. Des. 2005;235:2570–2580. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2005.06.003
  17. Седов А.А., Поляков П.С., Пустовалов С.Б., Паршин В.В., Симонов С.С. Основные результаты тестовых испытаний замкнутого контура с естественной циркуляцией легководного теплоносителя при сверхкритическом давлении. Теплоэнергетика. 2023;3:73–86. EDN: WQOXGM. DOI: https://doi.org/10.56304/S0040363623030074
  18. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992, 672 c.
  19. ГСССД 310-2015. Вода. Коэффициент теплопроводности при температурах 0…900°С и давлениях от соответствующих разряженному газу до 1000 МПа. Главный научный метрологический центр «Стандартные справочные данные о физических константах и свойствах веществ и материалов» (ГНМЦ ССД). Приняты НТК по метрологии и измерительной технике Росстандарта, Протокол № 3 от 27.10.2015 г., 18 c.
  20. ГСССД 261-2011. Вода. Коэффициент динамической вязкости при температурах 0…900°С и давлениях от 0 до 1000 МПа. Главный научный метрологический центр «Стандартные справочные данные о физических константах и свойствах веществ и материалов» (ГНМЦ «ССД»). Приняты НТК по метрологии и измерительной технике Росстандарта, Протокол № 7 доп. от 02.06.2011 г., 61 c.
  21. ГСССД 187-99. Вода. Удельный объем и энтальпия при температурах 0…1000°С и давлениях 0,001…1000 МПа. Главный научный метрологический центр «Стандартные справочные данные о физических константах и свойствах веществ и материалов» (ГНМЦ ССД). Приняты НТК по метрологии и измерительной технике Росстандарта, Протокол № 127 от 28.12.1999 г., 41 с.
  22. International Association for the Properties of Water and Steam. Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. IAPWS Secretariat, Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA, 1997.

естественная циркуляция легководного теплоносителя замкнутый контур теплогидравлические процессы теплогидравлическая неустойчивость сверхкритическое давление контур СКД-ЕЦ

Ссылка для цитирования статьи: Седов А.А., Пустовалов С.Б., Поляков П.С., Симонов С.С., Фролов А.А., Зарюгин Д.Г. Расчетное и экспериментальное исследование устойчивости естественной циркуляции легководного СКД-теплоносителя в замкнутом контуре. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2025. – № 4. – С. 44-62. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2025.4.04 .

Открыть PDF файл