СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕШЕТОК-ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА РАЗНОЙ КОНСТРУКЦИИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ
advertisement
СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕШЕТОК-ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА РАЗНОЙ КОНСТРУКЦИИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА 37-СТЕРЖНЕВЫХ МОДЕЛЯХ ТВС РЕАКТОРА ВВЭР-1000 Л.Л.Кобзарь, К.Б. Косоуров, Д.А.Олексюк, Ю.М. Семченков, В.В.Большаков, Н.Н. Лысцова, С.К. Бикезин НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия В ТВС новых конструкций для реактора ВВЭР-1000 и создаваемых на его основе перспективных реакторов типа ВВЭР внедряются ТВС с решетками-интенсификаторами тепломассообмена (РИ) разных конструкций [1]. В последние годы в организациях отрасли проводятся теплофизические эксперименты на моделях ТВС реакторов ВВЭР с РИ. Целью исследований интенсификации тепломассообмена, направленных на решение ближайших задач по развитию реакторов ВВЭР, являются оценка правильности выбора принятых в настоящее время конструкций РИ и выдача предложений по их доработке. Интерес представляет также выбор конструкции РИ, которые, в отличие от принятых в проектах ТВС конструкций, сочетали бы функции интенсификации теплоомассообмена и дистанционирования твэлов. В плане перспективы дальнейшего развития реакторов ВВЭР целью исследований является оценка выгоды, которую можно получить при использовании интенсификации тепломассообмена в полной мере с учетом возможности в будущем повышения напора циркуляционных насосов первого контура. Для пополнения экспериментальных данных, необходимых для обоснования конструкций РИ и для совершенствования расчетных методик и программ, в НИЦ «Курчатовский институт» проводятся эксперименты на 37-стержневых моделях ТВС реактора ВВЭР-1000. Эксперименты выполняются на теплофизическом стенде КС, первый контур которого имеет следующие параметры: - максимальное рабочее давление 16,7 МПа; - максимальный расход теплоносителя через модель ТВС 50 т/ч; - располагаемая мощность электронагрева моделей ТВС 8000 кВт. Для проведения исследований использован экспериментальный участок В-37 стенда КС (рисунок 1). Он представляет собой вертикальный корпус с размещаемым внутри пучком имитаторов твэлов. Вход теплоносителя в модель ТВС и выход боковые. Тепловыделение осуществляется за счет пропускания выпрямленного электрического тока по имитаторам твэлов. Корпус экспериментального участка представляет собой обечайку с приваренными к ней верхним, нижним и двумя боковыми фланцами. К верхнему фланцу подсоединяется пучок имитаторов твэлов, к нижнему нижняя токоподводящая плита, а к боковым подводящий и отводящий трубопроводы. Кроме того, корпус имеет ряд штуцеров, расположенных на разных уровнях и предназначенных для подсоединения к ним импульсных линий для измерения перепадов давления по высоте экспериментального участка. Внутри корпуса экспериментального участка установлен набор электроизоляционных талькохлоритовых втулок, которые образуют шестигранный канал с размером «под ключ» 79,2 мм. В канал устанавливаются исследуемые 37-стержневые пучки, которые представляют собой модели топливной сборки ТВС-2М с различным радиальным распределением тепловыделения и с разными РИ, располагаемыми в верхней части модели между ДР или вместо них. Имитаторы твэлов пучков представляют собой трубки из нержавеющей стали с наружным диаметром 9 мм. Трубки расположены по треугольной решетке с шагом 12,75 мм. Тепловыделяющая часть имитаторов равна 2500 мм. Принятый подход к исследованию эффективности разных типов решетокинтенсификаторов основан на том, что все решетки испытываются на одних и тех же двух пучках, у одного из которых коэффициент радиальной неравномерности тепловыделения kr равен 1,0, у другого kr = 1,4 (радиальная неравномерность тепловыделения получается за счет использования трубок с прямым электрическим нагревом, имеющих разную толщину стенок). Эксперименты на первом пучке позволяют точнее выявить эффективность решеток в повышении критических тепловых потоков за счет дополнительной турбулизации потока в ячейках пучка. Эксперименты на втором пучке предназначены для изучения повышения поперечного межячейкового перемешивания теплоносителя. Выход теплоносителя PT9, POUT 431 40 120 А-А Решетка-интенсификатор типа УДРИ (6 шт.) 40 170 (увеличено) 39,3 2500 (зона тепловыделения) 1017 6x170=1020 PT6 60 20 А 37 А 21 36 35 8 18 34 1275 2 7 6 175 PT3 4 31 12 13 14 25 12,75 26 27 28 30 80 11 5 15 32 24 3 16 5267 23 10 1 17 33 22 9 19 29 Дистрешетка 9x340=3060 79,2 2045 Т алькохлоритовые втулки Корпус давления 182 PT1, PIN Обозначения: 1 - 37 - номера имитаторов твэлов; PT 1, PT 3, PT 6, PT 9 - отборы давления. Вход теплоносителя Рис. 1. Экспериментальный участок с пучком, оснащенным моделями ДР ТВС-2М и шестью моделями РИ типа УДРИ в верхней части зоны тепловыделения У пучка с kr = 1,4 относительное тепловыделение центрального имитатора твэла и шести имитаторов внутреннего ряда равно 1,4, относительные тепловыделения имитаторов среднего и наружного рядов равны, соответственно, 1,1 и 0,8. Первым были исследованы базовые варианты модели ТВС – пучки были оснащены только моделями штатных дистанционирующих решеток (ДР) топливной сборки ТВС-2М, расположенных с шагом 340 мм. Модель ДР, показанная в сечении А-А на рисунке 1, состоит из 25 центральных и 12 периферийных ячеек, которые соединены между собой контактной сваркой. В трёх гранях решетки расположены периферийные ячейки. Их плоские участки, контактирующие с обечайкой пучка, удалены от центров расположенных внутри них имитаторов твэлов на 6,2 мм (в отличие от штатных периферийных ячеек ДР ТВС-2М, у которых это расстояние равно 5,7 мм); благодаря этому обеспечен минимально допустимый технологический зазор между ДР и обечайкой 0,3 мм без использования обода ДР. При установке моделей ДР каждая следующая решетка проворачивалась вокруг продольной оси относительно предыдущей на 60о. Выбранный для исследований ряд типов РИ включает решетку типа «Вихрь» конструкции ОКБ «Гидропресс» и НЗХК, сотовую дистанционирующую решеткуинтенсификатор (СДПР) конструкции МСЗ [2] и предложенную НИЦ «Курчатовский институт» унифицированную дистанционирующую решетку-интенсификатор (УДРИ). Все РИ, как и ДР, имеют сотовую конструкцию. РИ типа «Вихрь» высотой 15 мм (рисунок 2) состоит из шестигранных ячеек с гранями, имеющими наклон по отношению к направлению потока (одна грань наклонена в одну сторону, следующая – в другую). Форма ячеек РИ, прилегающих друг к другу всей наружной поверхностю, обеспечивает закрутку потока в ячейках пучка. Функцию дистанционирования решетка не выполняет. В ТВС РИ типа «Вихрь» фиксируется на направляющих каналах поглощающих стержней. 37-ячейковый фрагмент РИ «Вихрь» имеет размер «под ключ» 81,3 мм. В модели РИ части ячеек решеток, расположенных на периферии, были удалены для обеспечения установки в экспериментальный канал. Дистанционирование модели РИ было обеспечено за счет доработки шести угловых ячеек решетки на её периферии, как показано на рисунке 2 РИ типа СДПР образована ячейками сложной формы, между которыми сформированы каналы, по которым теплоноситель перебрасывается из одних ячеек пучка в другие; высота ячеек решетки 30 мм (рисунок 2). Для изготовления 37-ячейкового фрагмента РИ использованы только центральные ячейки двух типов (с левым и правым наклонами дистанционирующих пуклевок). На периферии по всем шести граням РИ ячейки были доработаны таким образом, чтобы в обечайку пучка, имеющую размер «под ключ» 79,2 мм, РИ устанавливалась с зазором 0,3 мм на сторону. Доработка состояла в уплощении участков ячеек РИ, соприкасающихся с обечайкой. При установке решеток типа СДПР каждая следующая решетка проворачивалась вокруг продольной оси канала относительно предыдущей решетки на 120о. Показанная на рисунке 2 модель РИ типа УДРИ представляет собой дистанционирующую решетку традиционной конструкции с высотой ячеек 20 мм, которая оснащена лопатками, расположенными на выходном торце решетки. Лопатка имеет форму трапеции с высотой 8 мм, нижним основанием 5 мм и верхним основанием 1,5 мм. Лопатка образует с продольной осью канала угол 25о. РИ типа УДРИ создает порядную прогонку теплоносителя. По одному ряду теплоноситель отклоняется в одном направлении, по другому ряду – в противоположном направлении. Взаимодействие противоположно направленных поперечных потоков в соседних рядах приводит к возникновению вращательного движения теплоносителя вокруг стержней пучка. Количество устанавливаемых РИ разного типа выбиралось таким образом, чтобы зона интенсификации оставалась одинаковой. Длина зоны интенсификации равна трем штатным шагам расположения ДР в ТВС-2М. Моделей РИ типа «Вихрь» было установлено 3 шт., типа СДПР – 3 шт., типа УДРИ – 6 шт. (рисунки 1 и 3). Расположение моделей ДР до зоны интенсификации показано на рисунке 1. В экспериментах эффективность решеток разных конструкций оценивалась на основании измерений на обоих пучках гидравлического сопротивления и критических мощностей, а также на основании измерений распределения температуры теплоносителя по ячейкам в выходном сечении пучка с kr = 1,4. Модель РИ «Вихрь» Модель СДПР (до доработки периферийных ячеек) Модель УДРИ Рис. 2. Модели РИ, использованные в экспериментах Наступление кризиса теплоотдачи фиксировалось на основании показаний "сухих" термопар, расположенных внутри имитаторов твэлов на расстоянии 10 - 30 мм от нижней кромки модели ДР, расположенной в конце зоны тепловыделения (рисунки 1 и 3), а в пучках с моделями РИ типа «Вихрь» - еще и перед нижними кромками последней по ходу потока модели РИ и предшествующей ей модели ДР. Термопары, установленные в данном имитаторе, объединялись в единый зонд. Для изготовления термопар использован как термопарный кабель типа КТМС с диаметром оболочки 1 мм, так и провод типа ПТНО (диаметр провода в изоляции 0,7 мм). В пучке с kr = 1 все 37 имитаторов твэлов оснащались термопарными зондами. В пучках с kr = 1,4 термопарными зондами были оснащены все самые «горячие» имитаторы твэлов, на которых наиболее вероятно наступление кризиса теплоотдачи (7 центральных имитаторов), и выборочно – остальные имитаторы. Расположение горячих спаев термопар для измерения температур теплоносителя в ячейках пучка с kr = 1,4 на выходе из зоны тепловыделения показано на рисунке 4. Термопары изготовлены из кабеля КТМС с диаметром оболочки 1 мм. Горячие спаи всех термопар расположены выше верхней границы зоны тепловыделения на 40 мм. Базовый пучок Пучок с РИ "Вихрь" Пучок с СДПР Пучок с УДРИ Вер хняя гр аница зоны тепловыделения 40 200 170 140 170 340 Зона интенсификации - Дистанционир у ющая р ешетка - Решетка-интенсификатор - Расположение тер мопар для фиксации кр изиса теплоотдачи Рис. 3. Расположение по длине экспериментальных пучков моделей ДР и РИ 72 71 70 35 36 51 50 49 69 34 47 68 33 67 18 45 32 66 16 44 43 31 65 1 - 72 5 - номера ячеек, 16 42 41 14 40 30 15 64 39 29 37 28 30 12 32 27 59 25 34 35 36 58 24 33 12 13 38 11 13 23 31 10 4 14 5 10 11 57 29 28 3 3 22 9 2 4 15 9 1 1 17 27 8 6 6 18 7 2 56 21 26 24 7 19 8 23 20 17 46 19 21 48 53 22 25 54 37 52 55 20 60 26 61 62 63 1 - 37 - номера имитаторов твэлов, - "мокрые" термопары в ячейках Рис. 4. Расположение горячих спаев термопар для измерения температур теплоносителя в ячейках пучка с kr = 1,4 на выходе из зоны тепловыделения Эксперименты, которые будут анализироваться ниже, проведены при следующих режимных параметрах: - давление 16 МПа; - входная температура теплоносителя 190 – 330 оС; - средняя по пучку массовая скорость теплоносителя 1000 – 3500 кг/(м2с). Ниже описаны основные результаты выполненных экспериментальных исследований. В диапазоне исследованных режимных параметров могут быть приняты постоянными значения коэффициентов гидравлического сопротивления (КГС) исследованных решеток, приведенные в таблице 1. При расчете КГС модели РИ из измеренного полного перепада давления на данном аксиальном участке пучка вычитались рассчитываемые значения нивелирного напора, потерь на трение и ускорение потока, а также потерь на моделях ДР, расположенных на данном участке; полученный остаток делился на число моделей РИ, расположенных на данном участке. КГС моделей ДР определялся на основании измерений на аксиальных участках, оснащенных только этими решетками. Для определения КГС использовались режимы без обогрева экспериментальных пучков. Требуемые температуры теплоносителя достигались за счет работы циркуляционных насосов. При анализе полей температуры теплоносителя, измеренных на выходе из пучка с kr = 1,4, показания термопар группировались по однотипным ячейкам пучка, то есть ячейкам, имеющим идентичное расположение в поперечном сечении пучка из условия осевой симметрии. Строго однотипными являются группы ячеек: 2, 4 и 6; 8, 14 и 20; 10, 16 и 22; 28 и 38; 30, 40 и 50; 55, 57, 63, 67 и 69 (рисунок 4). Шесть групп термопар, находящихся в перечисленных шести группах ячеек, лежат на условных шести орбитах (первая из перечисленных групп – на первой орбите, последняя – на шестой орбите). К последней группе относилась также термопара, расположенная в ячейке 68. Таблица 1 Коэффициенты гидравлического сопротивления решеток Тип решетки КГС Модель ДР ТВС-2М 0,36 Модель РИ «Вихрь» 0,33 Модель РИ СДПР 1,05 Модель РИ УДРИ 0,52 Сравнение подогревов теплоносителя в однотипных ячейках показало, что они существенно различаются. Особенно это касается пучка с моделями СДПР, в котором разница подогревов достигала 30 %. В пучке с РИ типа УДРИ различие подогревов было меньшим приблизительно в 3 раза. Большая разница подогревов в однотипных ячейках связана главным образом с тем, что результатом воздействия моделей СДПР и УДРИ является направленная порядная прогонка теплоносителя. Направленный порядный поперечный перенос теплоносителя в условиях значительной радиальной неравномерности тепловыделения, когда каждый ряд поперечного переноса имеет различный профиль температур (острый профиль в рядах, проходящих через «горячую» центральную зону пучка, и близкий к равномерному профиль в рядах на периферии пучка), создает в итоге поле температур, не обладающее осевой симметрией. В РИ СДПР порядная прогонка теплоносителя более направленная, поскольку она обусловлена наличием каналов переброса, образуемых ячейками решетки. Лопатки УДРИ не придают поперечным потокам строгого направления и в большей мере, чем РИ СДПР, способствуют возникновению вращательного движения теплоносителя вокруг стержней пучка. В результате анизотропия поля температур в пучке с моделями УДРИ не так значительна, как в пучке с моделями СДПР. Для качественной оценки эффективности решеток-интенсификаторов было введено понятие коэффициента неравномерности профиля температуры в виде: kн Tмакс , Tмин (1) Тмакс – максимальный подогрев теплоносителя (в ячейках 1-й орбиты); Тмин – минимальный подогрев теплоносителя (на периферии пучка). Температуры в однотипных ячейках осреднялись. В таблице 2 приведены диапазоны изменения коэффициентов неравномерности экспериментальных профилей температуры теплоносителя для исследований, проведенных на пучке с kr = 1,4, оснащенном разными решетками. Учитывая недостаточную достоверность измерения среднесмешанной температуры на периферии пучка, значения Тмин брались для ячеек 5-й орбиты. Таблица 2 Коэффициенты неравномерности экспериментальных профилей температуры теплоносителя в пучке с kr = 1,4, оснащенном разными решетками где Модификация пучка Диапазон изменения kн Среднее значение kн Модель ТВС-2М 1,39 ÷ 1,68 1,52 Пучок с моделями РИ «Вихрь» 1,23 ÷ 1,42 1,36 Пучок с моделями РИ СДПР 1,11 ÷ 1,17 1,14 Пучок с моделями РИ УДРИ 1,06 ÷ 1,08 1,07 Из таблицы 2 следует, что при установке в пучке решеток типа «Вихрь» неравномерность профиля температуры теплоносителя, характеризуемая коэффициентом неравномерности kн, снизилась по сравнению с пучком базовой геометрии на 12 %, при установке решеток типа СДПР – на 33 %, при установке решеток типа УДРИ – на 42 %. На рисунках 5 – 8 представлены результаты исследований кризиса теплоотдачи. Для обеспечения прямого сравнения эффективности РИ разных конструкций данные представлены в виде зависимостей критических мощностей от входных температур теплоносителя. В обозначениях на рисунках одной и той же модификации пучка с kr = 1, которая определяется используемыми решетками, соответствует несколько разновидностей фигуры, обозначающей экспериментальные точки. Фигурой с заливкой обозначены точки, соответствующие экспериментальным режимам, в которых кризис теплоотдачи возникал либо в центральной зоне пучка (на одном из центральных 19-ти имитаторов), либо на имитаторах, относящихся как к центральным 19-ти имитаторам, так и к периферийному ряду из 18-ти имитаторов. Фигурами без заливки обозначены режимы, в которых кризис теплоотдачи возникал только на каких-либо имитаторах периферийного ряда. В режимах, обозначенных указанными двумя видами фигур, кризис возникал перед последней моделью ДР, расположенной в зоне тепловыделения (рисунок 3). На пучке с моделями РИ «Вихрь» зафиксированы также режимы, в которых кризис возникал на одном из центральных 19-ти стержней перед последней РИ, расположенной в зоне тепловыделения (рисунок 3). Для сравнения с экспериментальными данными на рисунках 5 – 8 представлена расчетная линия, полученная с использованием корреляции ОКБ «Гидропресс» для критического теплового потока [3]: qcr 0,795 1 x 0,50,105p G0,1270,3111x 1 0,0185 p , где qcr - критический тепловой поток, МВт/м2; x - относительная энтальпия теплоносителя (равновесное массовое паросодержание) в месте кризиса теплоотдачи (в «горячей» ячейке); G - массовая скорость теплоносителя в «горячей» ячейке, кг/(м2с); p - давление, МПа. (2) 6000 Wcr, кВт 2 2 5000 3 3 4 5 4000 3000 2000 1000 190 210 230 250 270 290 310 tin, °C 330 6000 1 2 3 4 5 Wcr, кВт 5000 4000 3000 2000 1000 190 210 230 250 270 290 310 tin, °C 330 1 – для модели ТВС-2М; 2 – для пучка с моделями РИ «Вихрь»; 3 - для пучка с моделями РИ СДПР; 4 - для пучка с моделями РИ УДРИ; 5 – расчет по программе SC-1 с использованием корреляции (2) Рис. 5. Критические мощности при средней по пучку массовой скорости теплоносителя 1000 кг/( м2с) 6000 Wcr, кВт 5000 4000 1 2 2 2 3 3 4 4 5 3000 2000 1000 190 210 230 250 270 290 310 330 tin, °C 6000 1 Wcr, кВт 2 3 5000 4 5 4000 3000 2000 1000 190 210 230 250 270 290 310 330 tin, °C 1 – для модели ТВС-2М; 2 – для пучка с моделями РИ «Вихрь»; 3 - для пучка с моделями РИ СДПР; 4 - для пучка с моделями РИ УДРИ; 5 – расчет по программе SC-1 с использованием корреляции (2) Рис. 6. Критические мощности при средней по пучку массовой скорости теплоносителя 1900 кг/( м2с) 6000 1 3 5 Wcr, кВт 5000 2 3 2 4 4000 3000 2000 1000 190 210 230 250 270 290 310 6000 tin, °C 330 1 2 3 4 5 Wcr, кВт 5000 4000 3000 2000 1000 190 210 230 250 270 290 310 tin, °C 330 1 – для модели ТВС-2М; 2 – для пучка с моделями РИ «Вихрь»; 3 - для пучка с моделями РИ СДПР; 4 - для пучка с моделями РИ УДРИ; 5 – расчет по программе SC-1 с использованием корреляции (2) Рис. 7. Критические мощности при средней по пучку массовой скорости теплоносителя 2900 кг/( м2с) 6000 Wcr, кВт 5000 2 2 3 3 4 4 5 4000 3000 2000 1000 190 210 230 250 270 290 310 330 tin, °C 6000 1 2 3 4 5 Wcr, кВт 5000 4000 3000 2000 1000 190 210 230 250 270 290 310 330 tin, °C 1 – для модели ТВС-2М; 2 – для пучка с моделями РИ «Вихрь»; 3 - для пучка с моделями РИ СДПР; 4 - для пучка с моделями РИ УДРИ; 5 – расчет по программе SC-1 с использованием корреляции (2) Рис. 8. Критические мощности при средней по пучку массовой скорости теплоносителя 3500 кг/( м2с) Расчет выполнен по разработанному в НИЦ «Курчатовский институт» поячейковому теплогидравлическому коду SC-1 [4]. Для достижения согласия результатов расчета с экспериментальными данными для модели ТВС-2М с нулевой среднеарифметической ошибкой рассчитанные критические мощности умножались на коэффициент 0,96. Экспериментальные точки для модели ТВС-2М с полученной таким образом расчетной линией являются базой, от которой можно отсчитывать выигрыш в критической мощности при использовании РИ разных конструкций. Как видно из рисунков 5 – 8, для модификаций пучка с моделями РИ «Вихрь» и СДПР точки с заливкой и без заливки не расслаиваются. Следовательно, все экспериментальные режимы, зафиксированные на этих модификациях пучка, могут использоваться при обобщении экспериментальных данных. Для пучка с моделями РИ УДРИ критические мощности при возникновении кризиса теплоотдачи только на периферийных стержнях существенно ниже мощностей, полученных при достижении кризиса одновременно на периферийных и 19-ти центральных стержнях. Ясно, что для этого пучка режимы, в которых кризис был зафиксирован только на имитаторах периферийного ряда, нельзя использовать при обобщении экспериментальных данных, наряду с режимами с кризисом в центральной зоне пучка. Таким образом, использование пучка с равномерным радиальным распределением тепловыделения не во всех режимах позволяет количественно оценить повышение критических тепловых нагрузок для таких эффективных интенсификаторов тепломассообмена, как РИ УДРИ. В таких случаях кризис теплоотдачи наступает на периферийных стержнях вследствие того, что эффект интенсификации поперечного перемешивания между ячейками и внутри ячеек затухает в периферийной области поперечного сечения пучка. Для выявления эффективности РИ УДРИ в более широком диапазоне режимных параметров требуется проведение дополнительных исследований кризиса теплоотдачи на пучке с пониженным тепловыделением периферийных имитаторов твэлов. Оценивая эффективность РИ разных конструкций в повышении критических тепловых потоков, можно отметить следующее. Эффективность РИ в повышении критических тепловых нагрузок за счет турбулизации потока в ячейках пучка характеризуют экспериментальные данные, полученные на пучке с kr = 1. Как видно из рисунков 5 – 8, при массовой скорости теплоносителя 1000 кг/(м2с) экспериментальные критические мощности для модели ТВС-2М и для пучков, оснащенных моделями РИ разных конструкций практически совпадают, то есть интенсифицирующее воздействие РИ не проявляется. Интенсифицирующее воздействие РИ СДПР не проявилось и при всех других массовых скоростях теплоносителя. При массовой скорости теплоносителя 1900 кг/(м2с) РИ «Вихрь» повышают критические мощности приблизительно на 9 %, а РИ УДРИ в тех случаях, когда кризис достигал центральных имитаторов твэлов - приблизительно на 12 %. При массовой скорости 2900 кг/(м2с) на пучке с РИ «Вихрь» и УДРИ практически во всех режимах кризис возник на периферийных стержнях, что не позволило в полной мере проявиться эффекту интенсификации; повышение критической мощности для РИ обеих конструкций составило приблизительно 13 %. При массовой скорости 3500 кг/(м2с) на пучке с РИ «Вихрь» и УДРИ также в большей части режимов кризис возник на периферийных стержнях; в режимах, в которых кризис наступил хотя бы на одном из центральных 19-ти имитаторов твэлов, повышение критической мощности для РИ типа «Вихрь» и УДРИ составило в среднем, соответственно, 13 и 20 %. Эффективность РИ в повышении критических тепловых нагрузок за счет межячейкового перемешивания характеризуют экспериментальные данные, полученные на пучке с kr = 1,4. При массовой скорости теплоносителя 1000 кг/(м2с) заметный эффект проявляется только для пучка с моделями УДРИ – критические мощности при высоких входных температурах теплоносителя повышаются приблизительно на 10 %. При массовой скорости теплоносителя 1900 кг/(м2с) в пучке с моделями РИ «Вихрь» проявился незначительный эффект повышения критической мощности, в то время как на пучке с kr = 1 при этой же массовой скорости этот эффект был заметным. Полученный результат можно объяснить отсутствием ячеек на периферии РИ «Вихрь», способствующим вытеснению части потока из центральной части пучка на периферию, что для пучка с kr = 1 приводит к повышению критических мощностей, а для пучка с kr = 1,4 – к их понижению. В пучке с kr = 1,4, оснащенном моделями СДПР и УДРИ, критические мощности при больших входных температурах повышаются, соответственно, на 14 и 34 %. При массовых скоростях 2900 и 3500 кг/(м2с) на пучке с kr = 1, оснащенном РИ «Вихрь», СДПР и УДРИ, повышение критической мощности при больших входных температурах теплоносителя составляет, соответственно, 15, 23 и 40 %. На основании результатов выполненных экспериментов можно сделать следующие выводы: по РИ типа «Вихрь»: - низкий КГС (0,33); - повышение критических мощностей – в основном за счет повышения турбулентности потока в ячейках пучка; - небольшое расстояние между РИ и ДР благоприятствует тому, что эффект интенсификации теплообмена не затухает до следующей решетки, и повышение критической мощности в пучке с kr = 1 при режимных параметрах, близких к рабочим параметрам ВВЭР1000, составляет 13 %; по РИ типа СДПР: - выполняет функцию дистанционирования твэлов; - высокий КГС (1,05); - повышение критической мощности в пучке с kr = 1,4 – только за счет интенсивного поперечного перемешивания теплоносителя; эффект интенсификации теплообмена за счет турбулизации потока решеткой затухает до следующей решетки из-за большого расстояния между ними, поэтому в пучке с kr = 1 повышение критической мощности не отмечено. - строгая направленность поперечных перебросов теплоносителя приводит в пучке с kr = 1,4 к значительной анизотропии поля температуры теплоносителя, что может сыграть отрицательную роль и в условиях ТВС; по РИ УДРИ: - выполняет функцию дистанционирования твэлов; - низкий КГС (0,52) благодаря тому, что отклоняющие элементы (лопатки) находятся вне основного тела решетки; - высокое поперечное перемешивание теплоносителя за счет воздействия лопаток, которые отклоняют струи, закручивают их вокруг твэлов и создают дополнительную турбулизацию потока; благодаря небольшому шагу между РИ эффект интенсификации теплообмена сохраняется до следующей решетки, поэтому повышение критической мощности за счет турбулизации потока в пучке с kr = 1 при режимных параметрах, близких к рабочим параметрам ВВЭР-1000, составляет 20 %; - в большей части исследованных режимов в пучке с kr = 1 повышение мощности пучка прекращалось из-за наступления кризиса теплоотдачи на периферии, где затухало интенсифицирующее воздействие лопаток; для установления действительного эффекта повышения критической мощности необходимо в будущих экспериментах снизить тепловыделение периферийных имитаторов твэлов; - для получения требуемого эффекта интенсификации тепломассообмена при приемлемом повышении гидравлического сопротивления требуется оптимизациция конструкции пучка (изменение шага расположения решеток, угла наклона и размеров лопаток). Список литературы 1 С.Б. Рыжов, В.А. Мохов, И.Н. Васильченко и др. Опыт эксплуатации новых топливных сборок и перспективы развития топливных циклов АЭС с ВВЭР. Седьмая международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». Москва, май 2010. 2 Ю.Н. Бабенко, В.Г. Верещак, А.В. Иванов и др. Структура решетки для тепловыделяющей сборки ядерного реактора. Патент РФ № 2389091, 2010. 3 В.И.Астахов, Ю.А.Безруков, С.А.Логвинов, В.Г.Брантов. Исследование влияния профиля тепловыделения по длине на кризис теплообмена в пучках стержней. Труды семинара «Теплофизика-78», т. 2. Будапешт, 1978. 4 Л.Л. Кобзарь, Д.А. Олексюк. Развитие и верификация программы SC-1, предназначенной для поячейкового теплогидравлического расчета активных зон ВВЭР. Вторая всероссийская научно-техническая конференция “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР”, Подольск, ноябрь 2001.
