Текст выступления по презентации к диплому Кузнецов Д.Е.
Титульник
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.
Вступление
В настоящее время ведутся работы по созданию энергоблока с высокотемпературным газоохлаждаемым ядерным реактором для космического транспортно-энергетического модуля (ТЭМ).
В ядерной энергетической установке (ЯЭУ) проектируемой для ТЭМ, при увеличении ресурса работы с 3 до 10 лет, перспективно использование реакторов на быстрых нейтронах. В качестве теплоносителя для проектируемой установки выбрана гелиево-ксеноновая смесь.
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 1
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 осуществлении 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.(с помощью эмпирических соотношений).
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 2
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.
Принципиальная схема ЯЭУ с преобразованием энергии по циклу Брайтона, рассматривается в настоящее время в качестве одного из перспективных вариантов двигательной системы.
В таблице показаны характеристики модуля ЯЭУ.
Слайд 3
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.
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 4
На данном слайде изображен петлевой газовый канал ПУ ПГ-1 которой состоит из кожуха(1); экрана(12); основного корпуса(2) и страховочного корпуса(7);
Так же в таблице показаны предельные технологические параметры для нормального режима работы ПК ПУ ПГ-1.
Слайд 5
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.
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. Расчеты выполнялись для трех вариантов обогащения топлива по урану-235, для двух вариантов диаметра поглощающего стержня и четырёх вариантов материалов поглотителей это титанат диспрозия, европий, гафний, карбид бора.
Слайд 6
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 7
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.
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)
Слайд 8
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 9(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.
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 распределение температуры теплоносителя по высоте опускных и подъемных участков в ПК;
Ø температура конструкционных материалов ПК и ЭТС;
Ø температура на оболочке твэла, на периферии и внутри топливного сердечника.
Слайд 10
На слайде изображены блок-схема для теплофизического расчета ПК и схема компоновки ПК ПУ ПГ-1 с направлением движения потоков теплоносителя.
Ø Первая зона. Участок, в котором расположена ЭТС;
Ø Вторая зона. Теплообменная часть ПК рекуперативного типа;
Ø Третья зона. Камера смешения, расположенная в верхней части ПК
Слайд 11
На данном слайде изображены исходные параметры и результаты газодинамического и теплофизического расчета (перечисление главных исходных данных и главных результатов)
Слайд 12
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 13
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 1376 °С, а для твэла на периферии 1501 °С, что не превышает температуру плавления UO2.
Слайд 14(Вывод)
В рамках дипломной работы был проведён комплекс работ, направленный на обоснование возможности поведения ресурсных испытаний твэлов газоохлаждаемой энергодвигательной установки с быстрым спектром нейтронов:
Ø была разработана трехмерная расчетная модель экспериментального устройства в системе автоматизированного проектирования SolidWorks;
Ø были проведены нейтронно-физические расчеты по коду MCU;
Ø проведены газодинамические и теплофизические расчёты параметров испытания для твэлов быстрого реактора в петлевой газовой установке реактора МИР.
Для обогащения больше 90 % получены следующие соотношения для нейтронов с разными энергиями в общем энергетическом балансе:
– для периферийного ряда твэлов: En>1,0 МэВ – 29,8 %; 0,1 МэВ<En<1,0 МэВ – 34,2 %; 0,21 эВ<En<0,1 МэВ – 35,7 %; En<0,21 эВ – 0,205 %.
– для центрального твэла: En>1,0 МэВ – 31,3 %; 0,1 МэВ<En<1,0 МэВ – 35,5 %; 0,21 эВ<En<0,1 МэВ – 33,29 %; En<0,21 эВ – 0,108 %.
При удельном энерговыделении в топливе 150 Вт/см3 (мощность 7-ми твэльной ЭТС – 40,8 кВт) подогрев теплоносителя в ЭТС составил 337 °С, при этом температура газа на выходе из ЭТС – 927 °С (1200 K), что соответствует режиму нормальной эксплуатации ЯЭУ.
При давлении газа в ПК 3,5 МПа, массовом расходе 0,52 кг/с через ПК и температуре на входе в ПК 207 °С, температура на выходе из ПК (из камеры смешения) составило 373 °С, что не превышает эксплуатационного предела по температуре теплоносителя ПУ ПГ-1 (550 °С).
Результаты расчетов лягут в основу при разработке проектной конструкторской документации экспериментального устройства, предназначенного для испытания твэлов ЯЭУ в газовом канале реактора МИР.