НИТИ им. А.П.Александрова

НИТИ им. А.П.Александрова
РОЛЬ МОДЕЛИ ГАЗОВОГО ЗАЗОРА ТВЭЛА
В СОПРЯЖЕННЫХ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ
И ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТАХ
ДИНАМИКИ ВВЭР
В.Г.Артемов, Ю.А.Мигров, В.И.Гусев, В.Г.Коротаев,
А.П.Егоров, О.В.Кувшинова, Л.М.Артемова
5-я Международная научно-техническая конференция
"Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
29 мая – 1 июня 2007 г., Подольск
1
НИТИ им. А.П.Александрова
РК КОРСАР
Верификация 3D-модели кинетики
Стационарные состояния действующих реакторов
• Удовлетворительное согласование результатов расчета
с экспериментом и реперными программами
Динамические станционные режимы
• Заметное систематическое рассогласование результатов
расчета и экспериментальных данных по уровням
интегральной мощности реактора
• Первоначальный вывод – занижение в расчете
эффективности органов регулирования СУЗ
2
НИТИ им. А.П.Александрова
Совместный НФ/ТГ расчет
Основные параметры обратной связи в реакторах типа ВВЭР
Изменение
температуры
по радиусу
твэла (расчет)
Temperature
• Плотность теплоносителя
• Концентрация бора
• Температура топлива – наибольшая неопределенность
Fuel
Gas gap
Cladding
Radius
3
НИТИ им. А.П.Александрова
НФ/ТГ расчет
"Раздельный" подход
НФ расчет (стационарный)
• Слабая зависимость результатов относительного
распределения мощности от уровня модели твэла
• Температура топлива – функция энергонапряженности
• Результат для ТГ расчета – коэффициенты реактивности
активной зоны как функции усредненных ТГ параметров
ТГ расчет (динамический)
• 0D-модель нейтронной кинетики
• Температура топлива – важнейший параметр безопасности:
улучшенная модель твэла
• По результатам верификации – корректировка коэффициентов
реактивности и/или способа усреднения ТГ параметров
4
НИТИ им. А.П.Александрова
НФ/ТГ расчет
"Сопряженный" подход
НФ расчет (стационарный)
• Температура топлива – модель твэла
• Результат для ТГ расчета – характеристики размножающей
среды активной зоны как функции локальных ТГ параметров,
распределение выгорания топлива и концентраций I, Xe, Sm, Pm
ТГ расчет (динамический)
• 3D-модель нейтронной кинетики
• Температура топлива – модель твэла
• Коэффициенты реактивности – результат расчета:
отсутствие возможности их корректировки
• Возможность влияния на результаты расчета –
совершенствование модели твэла
5
НИТИ им. А.П.Александрова
РК КОРСАР
Явления, учитываемые моделью твэла
Версия В1
• Зависимость теплопроводности топлива, газового зазора и
оболочки от температуры
• Зависимость удельной объемной теплоемкости топлива, газового
зазора и оболочки от температуры
Версия В2 = В1 + модель термомеханики твэла (ТМТ)
• Изменение внешнего диаметра топливной таблетки при изменении
температуры и выгорания топлива
• Изменение геометрических размеров оболочки в результате
температурных, упругих и пластических деформаций
• Изменение объема, давления и температуры газовой смеси
• Зависимость теплопроводности газовой смеси внутри твэла от ее
компонентного состава и температуры
• Зависимость теплопередачи от топливного сердечника к оболочке
от шероховатости их поверхностей
• Теплопередача от топливного сердечника к оболочке за счет
лучистого теплообмена и возможного контакта между ними
• Критерии разрушения оболочки различного типа
6
НИТИ им. А.П.Александрова
РК КОРСАР
Модель ТМТ. Объем верификации
Тесты / эксперименты
Тесты по расчету напряженно-деформированного
состояния (НДС) оболочки твэла в сопоставлении с
программой ANSYS
Число
4
Эксперименты РНЦ КИ / НИИАР по нагружению
облученных / необлученных трубчатых образцов
dP/dt = 0.01…1.1 МПа/с, Т = 973…1473 К
13 / 23
Эксперименты ОКБ ГП с оболочками твэлов ВВЭР
P = 2…12 МПа, Т = 962…1282 К
33
Эксперименты на установке МАРТ (РНЦ КИ) с оболочками
твэлов ВВЭР из сплава Э110
P = 0.9…3.87 МПа, dТ/dt = 19…35 К/с
15
Экспериментальные режимы по разогреву в аргоновой
среде и последующему заливу имитаторов твэлов на
стенде ПАРАМЕТР
5
7
РК КОРСАР
НИТИ им. А.П.Александрова
Модель ТМТ. Пример результатов верификации
Эксперименты РНЦ КИ / НИИАР. dP/dt = 0.009…0.011 МПа/с
Перепад давления при разрыве, МПа
Окружная деформация при разрыве, %
12
100
10
80
8
60
6
40
4
20
2
0
900
1000 1100 1200 1300 1400 1500
Температура, К
эксперимент
0
900
1000 1100 1200 1300 1400 1500
Температура, К
расчет
8
РК КОРСАР
НИТИ им. А.П.Александрова
Исследование влияние модели твэла
на результаты расчета динамики ВВЭР
Тестовые задачи
• Тест "Холодная волна"
• Тест "Самоход стержня СУЗ"
Станционные режимы
• Козлодуй-6
• Волгодонск-1
Отключение 2-х ГЦН
Отключение ТЦН
D = 7.53 / 7.57 мм
D = 7.57 мм
9
НИТИ им. А.П.Александрова
РК КОРСАР
Тест "Холодная волна"
Исходное состояние
Загрузка
Выгорание
Тепловая мощность
Давление на выходе из а.з.
Температура на входе в а.з.
Расход через реактор
Концентрация борной кислоты
Положение 10-й группы СУЗ
Модель ТМТ
- Козлодуй-6
- 30 эфф.сут.
- 2253 МВт
- 16.0 МПа
- 284.7 оС
- 17160 кг/с
- 6.18 г/кг
- 284 см от низа а.з.
- включена
Описание режима
В начальный момент времени температура теплоносителя
на входе в а.з. снижается за время 0.1 с на 5 оС.
В одном из вариантов расчета модель ТМТ отключается
10
РК КОРСАР
НИТИ им. А.П.Александрова
Тест "Холодная волна"
Результаты расчета
Толщина газового зазора
Теплопроводность зазора
72.4
Gap thermoconductivity, W/m/K
0.1488
Gap size, mkm
72.0
71.6
71.2
0.1480
0.1472
0.1464
0.1456
70.8
0
4
8
12
0
4
Time, s
Средняя температура топлива
12
Нейтронная мощность а.з.
 ТМТ
+ ТМТ
80
784
79
780
Neutron power, %
Fuel temperature, K
8
Time, s
776
772
78
77
76
75
768
0
4
8
Time, s
12
0
4
8
Time, s
12
11
НИТИ им. А.П.Александрова
РК КОРСАР
Тест "Самоход стержня СУЗ"
Результаты расчета
Изменение средней температуры топлива
2200
50
2000
40
Temperature, oC
Temperature, oC
Максимальная температура топлива
1800
1600
30
20
1400
10
1200
0
0
2
4
6
8
0
10
2
Time, s
6
8
10
Time, s
Средняя температура топлива
Нейтронная мощность а.з.
800
 ТМТ
+ ТМТ
150
140
760
Neutron flux, %
Temperature, oC
4
720
680
130
120
110
640
100
0
2
4
6
Time, s
8
10
0
2
4
6
Time, s
8
10
12
РК КОРСАР
НИТИ им. А.П.Александрова
Козлодуй-6. Отключение 2-х ГЦН
Результаты расчета
Максимальная температура топлива
Temperature, oC
1200
1000
 ТМТ
D = 7.53 mm
800
+ ТМТ
600
+ ТМТ D = 7.57 mm
400
0
50
100
150
Time, s
200
250
Средняя температура топлива
Нейтронная мощность а.з.
50
45
600
Neutron flux, %
Temperature, oC
700
500
400
40
35
30
25
300
0
50
100
150
Time, s
200
250
0
50
100
150
Time, s
200
250
13
РК КОРСАР
НИТИ им. А.П.Александрова
Волгодонск-1. Отключение ТПН
Результаты расчета
Максимальная температура топлива
1100
Temperature, oC
1000
900
 ТМТ
800
+ ТМТ
700
D = 7.57 mm
Эксперимент
600
500
0
50
100
150
Time, s
200
250
Средняя температура топлива
Нейтронная мощность а.з.
700
120
100
Neutron flux, %
Temperature, oC
650
600
550
500
80
60
40
450
400
20
0
50
100
150
Time, s
200
250
0
50
100
150
Time, s
200
250
14
НИТИ им. А.П.Александрова
Выводы

При проведении сопряженных пространственных НФ/ТГ расчетов
ВВЭР отсутствие в модели газового зазора твэла учета основных
явлений, влияющих на его эффективную теплопроводность,
приводит к искажению рассчитываемых характеристик реакторов

В расчетах динамических режимов на установках с реакторами
типа ВВЭР учет термического расширения материала топлива
увеличивает результирующий отклик нейтронной мощности на
изменения реактивности

Использование твэлов с увеличенным размером топливного
сердечника при одинаковых уровнях мощности обеспечивает
более низкий уровень температур топлива и, вместе с тем,
приводит к бóльшим результирующим изменениям нейтронной
мощности в режимах с изменением реактивности
15