Текст выступления по презентации к диплому Кузнецов Д.Е.
Слайд 1
Студент группы ЯР-61 Кузнецов Д.Е дипломная работа на тему нейтронно-физические и газодинамические расчеты параметров испытания твэлов быстрого реактора в газовом канале реактора МИР.
Доп
В настоящее время рядом российских предприятий ведутся совместные проектные работы по созданию энергоблока с высокотемпературным газоохлаждаемым ядерным реактором и газотурбинным преобразователем тепловой энергии в электрическую для космического транспортно-энергетического модуля (ТЭМ).
В одноконтурной ядерной энергетической установке (ЯЭУ), проектируемой для ТЭМ, теплоноситель циркуляционного контура, активной зоны одновременно служит рабочим телом газотурбинной системы преобразования тепловой энергии в электрическую. В качестве теплоносителя для проектируемой установки выбрана гелиево-ксеноновая смесь, чтобы с наибольшей выгодой использовать свойства как лёгкого газа (гелия), обеспечивающего хороший теплоперенос, так и тяжёлого газа (ксенона), позволяющего получить высокий КПД турбомашин.
Для изучения поведения твэлов, а также конструкционных материалов (КМ) в составе ЭТС ЯЭУ при поддержании требуемых параметров испытания необходимо проведение ресурсных испытаний в канале исследовательского реактора. Реакторная установка МИР, которая оснащена петлевой установкой для проведения испытаний в газовом канале, позволяет решить задачу по проведению ресурсных испытаний твэлов и КМ высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР).
Слайд 2
Целью работы является разработка модели устройства для проведения испытаний твэлов ЯЭУ в петлевом газовом канале РУ МИР и обоснования поддержания требуемых нейтронно-физических и теплофизических параметров испытания.
Для решения цели решались следующие задачи:
Ø Разработка трехмерной модели устройства для существующего петлевого газового канала посредством программного комплекса SolidWorks;
Ø Проведение нейтронно-физических расчетов (НФР) для обеспечения большей доли быстрых нейтронов в общем энергетическом балансе и определения мощности энерговыделения твэлов ЭТС;
Ø Проведение газодинамических и теплофизических расчетов аналитическим способом.
На основе полученных расчетов разрабатываются рекомендации необходимые и достаточные для дальнейшего проектирования и разработки устройства с твэлами ЯЭУ для проведения испытания в петлевом газовом канале РУ МИР.
Слайд 3
Ранее в петлевом газовом канале РУ МИР проводились ресурсные испытания 13-ти твэльной сборки – макета ЯЭУ, с обогащением по урану-235 около 1,5 %.
В настоящее время прорабатывается возможность проведения испытаний ЭТС с твэлами ЯЭУ при высоком обогащении топлива с целью увеличения доли быстрых нейтронов в общем энергетическом балансе.
На рисунке изображена ранняя версия реактора для ЯЭУ.
В ядерной энергодвигательной установке наиболее удачно реактор ЯРД сочетается с машинными преобразователями энергии, использующими замкнутый газотурбинный цикл Брайтона или калиевый паротурбинный цикл Ренкина, а также цикл Стирлинга. Принципиальная схема ЯЭУ с преобразованием энергии по циклу Брайтона, рассматриваемой в настоящее время в качестве одного из перспективных вариантов двигательной системы.
В таблице показаны характеристики модуля ЯЭУ.
Слайд 4
В конструкцию реактора МИР.М1 входят множество экспериментальных каналов. Особый интерес представляет газовая петля ПГ-1. Петлевая установка ПГ-1 – универсальное экспериментальное устройство реактора, предназначенное для выполнения комплекса исследований по изучению работоспособности твэлов и ТВС перспективных энергетических реакторов с газовым теплоносителем. В качестве теплоносителя ПУ ПГ-1 предусмотрено использовать азот, инертные газы или их смеси.
Далее на рисунке изображена принципиальная технологическая схема ПУ ПГ-1. В оборудование первого контура ПУ ПГ-1 входит: петлевой канал; теплообменник рекуператор (АТ-1); два теплообменника (холодильники), три электрогазодувки (ГД-1, ГД-2, ГД-3);
Слайд 5
Далее на следующем рисунке изображен петлевой газовый канал ПУ ПГ-1 которой состоит из кожуха(1); экрана(12); основного корпуса(2) и страховочного корпуса(7);
Канал представляет собой сварную неразъемную конструкцию, состоящую из основного корпуса и страховочного корпуса (кожуха) с входными и выходными патрубками. В верхней части основного корпуса имеется посадочное место для установки твэлов, ТВС на подвеске. К патрубкам корпуса канала крепятся подводящий и отводящий трубопроводы, окруженные защитными кожухами.
Так же в таблице показаны предельные технологические параметры для нормального режима работы ПК ПУ ПГ-1.
Слайд 6
Для проведения испытания твэлов ЯЭУ с высоким обогащением по урану-235 и обеспечением поддержания в процессе испытаний большей доли быстрых нейтронов в общем энергетическом спектре предложено устройство с поглощающим экраном. Данное устройство проектируется с учетом его размещения в петлевом газовом канале ПУ ПГ-1, который показан на слайде.
На слайде показан общий вид устройства с поглощающим экраном, который представлен в виде «беличьего» колеса из стержневых поглотителей. ЭТС набирается из семи твэлов, которые устанавливаются в опорную решетку, закрепляются верхней решеткой. В ЭТС твэлы самодистанционируются за счет навивки. ЭТС очехловывается трубой, которая одновременно служит разделителем потока. На наружную поверхность чехла крепится поглощающий экран. Чехол ЭТС выше приварен к трубе (внутренний корпус рекуперативной части) разделяющей восходящий и нисходящий потоки теплоносителя при установке устройства в ПК ПГ-1.
Целью нейтронно-физического расчета является определение оптимальной геометрии активной части экспериментального устройства, а именно диаметра поглощающих элементов и выбора материала для поглотителей. Расчетные варианты показаны в таблице.
Слайд 7
Проведение испытаний ЭТС в ПУ ПГ-1 возможно в экспериментальной ячейке реактора МИР.
Для расчета была рассмотрена полиячейка расчетной модели реактора МИР, включающая ЭТС с поглощающим экраном и РТВС окружения с нулевым выгоранием.
На рисунке приведена расчетная модель в петлевом канале с ЭТС.
Слайд 8
В таблице 1 представлены средние значения плотности нейтронного потока для центрального твэла и твэла на периферии при различных энергиях нейтронов для каждого расчетного варианта. В таблице 2 представлены мощность ЭТС и поглощающего экрана для семи вариантов при мощности окружения 1000 кВт.
Слайд 9
Из рассмотренных вариантов поглощающих материалов выбран титанат диспрозия. Этот выбор продиктован его достаточно хорошей поглощающей способностью. Также определен размер стержневых поглотителей, вариант с диаметром 5 мм более эффективнее.(Добавить еще про выбор)
На рисунке показано распределение коэффициента неравномерности по высоте: топлива длиной 450 мм, поглощающего стержня длиной 700 мм и элементов конструкции ПК (корпус, страховочный чехол, тепловой экран, внутренний корпус, чехол ЭТС) на длине 1 м.
В таблице показано распределение энерговыделения по твэлам в ЭТС. Из таблице видно, что энерговыделение в центральном твэле заметно меньше, чем в твэлах расположенных на периферии.
Слайд 10(отредактировать)
Целью выполнения газодинамического расчета является подтверждение поддержания требуемых параметров испытания (максимальное удельное энерговыделение в топливе, подогрев теплоносителя в активной зоне, температура теплоносителя на выходе из а.з., давление в контуре), 7-ми твэльной ЭТС ЯЭУ в ПК ПУ ПГ-1.
В ходе выполнения газодинамического и теплофизического расчета необходимо определить:
Ø массовый расход на ПК и ЭТС;
Ø температуру теплоносителя на входе в ПК;
Ø температуру на выходе из камеры смешения ПК.
При выполнении расчета также важно получить:
Ø изменение температуры теплоносителя по высоте в опускном и подъемном трактах ПК;
Ø распределение температуры по высоте элементов конструкции ПК (чехол ЭТС, наружный корпус ТО-Р, теплового экрана, корпуса ПК, страховочного чехла ПК)
Ø распределение температуры по высоте оболочки, топливного сердечника для центрального твэла и твэла на периферии.
Для выполнения поставленной задачи использовался расчет температурных полей ЭТС и элементов конструкции ПК в зависимости от уровня остаточного энерговыделения:
Способ аналитический. Был разработан алгоритм с использованием эмпирических соотношений. Алгоритм составлен из следующих пунктов:
Ø геометрических характеристик ЭТС и ПК;
Ø подогрев теплоносителя в ЭТС;
Ø распределение температуры теплоносителя по высоте опускного и подъемного участков в ТО-Р;
Ø температура теплоносителя на выходе из камеры смешения;
Ø температура чехла ЭТС и внутреннего корпуса ТО-Р;
Ø температура чехла ПК, корпуса ПК, теплового экрана и наружного корпуса ТО-Р;
Ø температура на оболочке твэла, на периферии и внутри топливного сердечника.
Слайд 11
На слайде изображены блок-схема для теплофизического расчета ПК и схема компоновки ПК ПУ ПГ-1 и направление движения потоков теплоносителя.
Слайд 12
На данном слайде изображены результаты газодинамического и теплофизического расчета (перечисление главных исходных данных и главных результатов)
Слайд 13
На рисунке представлены зависимости температур элементов ПК и температура теплоносителя по трактам движения в ПК.
Из рисунка видно, что при максимальных температурах на конструкционных элементах петлевого канала: чехол ПК (75 °С); корпус ПК (183 °С); тепловой экран (312 °С); наружный корпус ТО-Р (614 °С); внутренний корпус ТО-Р (803 °С) материалы ЭТС и ПК (сплав ЭП-912, сталь 12Х18Н10Т) являются работоспособными.
Слайд 14
На рисунке 1 разница между максимальными температурами наружных поверхностей оболочек центрального твэла и твэла на периферии составляет 50 °С.
На рисунке 2 максимальная температура топлива в центральном твэле составляет 1501 °С, а для твэла на периферии 1376 °С, что не превышает температуру плавления UO2.