ВВЭР-И - выбор размеров контура циркуляции и ПГ

М.М.Бедретдинов, Р.М.Следков, О.Е.Степанов, ОПУБЛИКОВАНО 20.05.2023

В АО ОКБ "ГИДРОПРЕСС" 12-13 апреля 2023 года состоялась ежегодная XXIII Международная конференция молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам.

С любезного разрешения организаторов конференции мы публикуем один из представленных докладов.

Полное название доклада: "Теплогидравлические расчёты по выбору основных размеров контура циркуляции и парогенератора нового водо-водяного интегрального реактора малой мощности ВВЭР-И".

Руководитель темы: М.А.Быков, Авторы: М.М.Бедретдинов, Р.М.Следков, О.Е.Степанов.

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПОСЛЕ ФОТО

Марк Бедретдинов.
Фото: ОКБ Гидропресс.

Введение

Востребованность малых АЭС в настоящее время возрастает огромными темпами. Интерес к атомным станциям малой мощности растёт не только в России, но и в мире.

Потенциальных областей их использования много, для нашей страны это в первую очередь надёжное энергоснабжение отдалённых территорий. У каждого проекта атомной станции малой мощности есть свои привлекательные особенности.

В связи с нарастающей мировой потребностью в АЭС малой мощности, в 2022 году в АО ОКБ "ГИДРОПРЕСС" проведены исследования и конструкторские разработки интегральной РУ ВВЭР-И.

В частности, проводились расчётные исследования теплогидравлики первого контура данной РУ, которые и будут подробнее описаны далее.

Постановка задачи

Цель данных расчётных исследований состояла в разработке оптимальной конструкции интегральной реакторной установки (ПГ расположен в корпусе РУ) и определении основных геометрических характеристик контура естественной циркуляции для обеспечения отвода требуемой мощности от активной зоны РУ при минимальных массо-габаритных характеристиках.

Решение поставленной задачи

В ходе расчётных исследований определялась наиболее эффективная конструкция ПГ, оценивались гидравлические сопротивления активной зоны, ПГ и ВКУ, на основе которых определялась высота контура естественной циркуляции, проводилось обоснование надёжного охлаждения активной зоны в стационарном режиме эксплуатации.

В ходе расчётов учитывались также критерии по предельным размерам, обеспечивающие транспортабельность реактора в сборе, и по теплогидравлическим параметрам в активной зоне, не превышающим значений, для которых накоплен многолетний положительный опыт эксплуатации реакторов ВВЭР.

Выбор в пользу основных неизменных исходных данных был сделан исходя из рекомендаций, приведённых в [1].

Такие параметры как тип ПГ, геометрические параметры и скорость теплоносителя в трубном пучке ПГ, компоновка активной зоны, подогрев теплоносителя в активной зоне, варьировались в ходе настоящих исследований.

Варьирование этих параметров выполнялось с целью оптимизации высоты контура циркуляции теплоносителя и металлоёмкости реакторной установки. Масса реактора определялась как суммарная масса корпуса реактора и теплообменной поверхности ПГ.

Расчёты проводились с использованием инженерной методики по выбору основных размеров на основе равенства движущего напора естественной циркуляции и суммарного гидравлического сопротивления контура циркуляции с использованием замыкающих соотношений по теплообмену и гидравлическим сопротивлениям из [2 - 6].

Для визуализации результатов расчётов и кроссверификации инженерной методики для одного из вариантов конструкции была разработана и применена упрощённая CFD-модель контура циркуляции, параметры которой были предварительно верифицированы на бенчмарках задач с естественной конвекцией.

Для обоснования надёжности охлаждения ТВС активной зоны в стационарном режиме эксплуатации использовался аттестованный код ТИГРСК.

На примере сравнения двух типов ПГ в рамках проведённых исследований подробнее рассмотрим два варианта исполнения РУ:

• первый - с прямотрубным противоточным вертикальным ПГ, где питательная вода раздаётся в межтрубное пространство ПГ (рисунок 1),

• и второй с U-образным вертикальным ПГ, где питательная вода подаётся в трубки ПГ, а теплоноситель движется в межтрубном пространстве ПГ (рисунок 2).

Рисунок 1.
Эскиз РУ с прямотрубным противоточным вертикальным ПГ.

Рисунок 2.
Эскиз РУ с U-образным вертикальным ПГ.

Результаты расчётов свидетельствуют о том, что РУ с U-образным вертикальным ПГ имеет преимущества перед РУ с прямотрубным ПГ с точки зрения массогабаритных характеристик.

РУ с U-образным вертикальным ПГ обладают меньшей массой, высотой контура циркуляции и компактнее по диаметру корпуса, что важно при транспортировке РУ. Массо-габаритные характеристики применительно к РУ с различным исполнением ПГ приведены на рисунках 3-5.

Рисунок 3.
Зависимость внутреннего диаметра корпуса РУ от варианта исполнения ПГ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Рисунок 4.
Зависимость высоты корпуса РУ от варианта исполнения ПГ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Рисунок 5.
Зависимость массы РУ от варианта исполнения ПГ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Также проводилось исследование по выбору оптимальных геометрических характеристик трубного пучка ПГ. Исследовалось влияние диаметра теплообменных труб и шага их расположения на массо-габаритные характеристики.

Рассматривались варианты ПГ с теплообменными трубками диаметром 10, 13 и 16 отн. ед. с шагом трубного пучка 1, 1,385 и 1,5.

Результаты расчётов свидетельствуют о том, что следует стремиться к уменьшению диаметра труб теплообменной поверхности ПГ и уменьшению шага трубного пучка.

Сводные результаты по массо-габаритным характеристикам РУ для ПГ с U-образными трубками приведены на рисунках 6, 7.

Рисунок 6.
Зависимость массы РУ от шага трубного пучка ПГ применительно к диаметру трубки ПГ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Рисунок 7
Зависимость высоты КЦ РУ от шага трубного пучка ПГ применительно к диаметру трубки ПГ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Одним из важнейших варьируемых элементов конструкции является активная зона. Расчётные исследования проводились для РУ с компоновкой активной зоны из 55 (вариант 1) и 61 (вариант 2) укороченной ТВС на базе ТВС-2М, 121 (вариант 3) укороченной ТВС типа ТВС ВВЭР-440 второго поколения и 91 (вариант 4) укороченной ТВС на базе ТВС-2М без двух периферийных рядов твэл.

Основные результаты расчётов с точки зрения зависимости массо-габаритных характеристик от конкретной компоновки АЗ приведены на рисунках 8-10.

Рисунок 8.
Зависимость внутреннего диаметра корпуса РУ от компоновки АЗ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Рисунок 9.
Зависимость высоты КЦ РУ от компоновки АЗ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Рисунок 10.
Зависимость массы РУ от компоновки АЗ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Как можно видеть из сравнительных результатов по размерам контура циркуляции и металлоёмкости РУ, рассмотренные варианты компоновки активной зоны практически не отличаются друг от друга.

Исключение - вариант исполнения РУ с компоновкой активной зоны из 121 ТВС типа ВВЭР-440 второго поколения (вариант 3), который проигрывает с точки зрения массогабаритных характеристик остальным вариантам в силу меньшей проходной площади и большего гидравлического сопротивления.

Массо-габаритные характеристики остальных вариантов практически сопоставимы друг с другом и дальнейший выбор компоновки активной зоны РУ может зависеть, например, от таких факторов, как НФХ, управление реактивностью, изготовление ВКУ и прочие технологические особенности.

Также рассматривалось влияние величины подогрева теплоносителя в активной зоне РУ на массо-габаритные характеристики.

С ростом подогрева теплоносителя уменьшается скорость и гидравлическое сопротивление активной зоны и, как следствие, высота контура циркуляции, но вследствие снижения теплоотдачи растёт масса теплообменной поверхности ПГ.

В итоге выявлено, что оптимальная величина подогрева теплоносителя составляет около 60 отн. ед. Результаты приведены на рисунках 11, 12.

Рисунок 11.
Зависимость высоты КЦ РУ от подогрева теплоносителя в АЗ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Рисунок 12.
Зависимость массы РУ от подогрева теплоносителя в АЗ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Затем проводились расчёты по обоснованию надёжного охлаждения активной зоны с помощью аттестованного кода ТИГРСК.

Необходимо отметить, что для исключения кипения теплоносителя на выходе из головки наиболее напряжённой ТВС в рамках данного исследования предложена конструкция ТВС с тяговыми трубами над активной частью ТВС.

Это позволяет понизить до отрицательных значений относительную энтальпию на выходе из самой теплонапряжённой ТВС, а также снизить паросодержание в струе до значений меньших 11%, что характерно для действующих блоков ВВЭР большой мощности.

Результаты расчётов по расходу теплоносителя через ТВС и относительного массового паросодержания на выходе из наиболее теплонапряжённой ТВС от высоты тяговой трубы представлены на рисунке 13.

Рисунок 13.
Зависимость расхода теплоносителя через ТВС (слева) и относительного массового паросодержания (справа) от высоты тяговой трубы.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Сравнение результатов расчёта охлаждения твэл с учётом и без учёта тяговых труб над активной частью ТВС показано в таблице 1.

Применение тяговых труб над активной частью ТВС позволяет как понизить относительное массовое паросодержание, так и увеличить запас до температуры насыщения на выходе из головки ТВС, уменьшить температуру оболочки и топлива, дополнительно увеличить значение коэффициента запаса до кризиса теплоотдачи.

Таблица 1

Параметр		Без учёта применения тяговой трубы		С учётом применения тяговой трубы
Относительное массовое паросодержание на выходе из головки ТВС		+4,8%		-1,8%
Запас до температуры насыщения на выходе из головки ТВС, отн. ед.		0		3,2
Относительное массовое паросодержание в струе, %		13		5
Максимальная температура оболочки твэл, отн. ед.		345		338
Максимальная температура топлива, отн. ед.		843		837

Результаты расчёта с использованием инженерной методики по выбору и оптимизации основных параметров на основе равенства движущего напора суммарному гидравлическому сопротивлению РУ с достаточной точностью соотносятся с результатами расчётов по трёхмерному CFD коду по температуре на входе/выходе активной зоны, а также скорости теплоносителя в активной зоне.

На рисунке 14 представлены разработанные трёхмерная (слева) и двумерная (справа) модели. На рисунке 15 с помощью расчёта по трёхмерному CFD коду визуализированы линии тока теплоносителя и поле температур теплоносителя в первом контуре.

Рисунок 14.
Расчётные модели по трёхмерному коду.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Рисунок 15.
Результаты расчётов по CFD коду.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Сводные результаты расчётов по инженерной методике и по трёхмерному CFD коду представлены в таблице 2.

Таблица 2

Метод расчёта		Средняя скорость теплоносителя в АЗ, отн. ед.		Температура теплоносителя на входе в АЗ, отн. ед.		Температура теплоносителя на выходе из АЗ, отн. ед.
Инженерная методика		0,687		250		310
3-D модель		0,704		252		310
2-D модель		0,705		252		310

Таким образом, независимым расчётом подтверждена стабильность циркуляции и основные параметры теплоносителя в первом контуре.

Эффективность и оценка возможности внедрения

Очень важно продемонстрировать место ВВЭР-И среди аналогичных проектов ММР с естественной циркуляцией теплоносителя с точки зрения соотношения размеров корпуса реактора, то есть высоты контура циркуляции, в зависимости от тепловой мощности.

Вертикальные размеры ММР составляют от 4 м для относительно маломощного реактора ЕЛЕНА и достигают 17 м для японского проекта реактора IMR, мощность которого приближается к мощности базовых вариантов ВВЭР-440.

За исключением реактора "NuScale", размеры которого заметно выделяются из общего тренда, в том числе из-за применения страховочного корпуса, можно видеть, что ВВЭР-И и остальные проекты очень органично вписываются в общемировую тенденцию разработки установок подобного типа.

Также по данному рисунку, при необходимости, можно оценить, насколько нужно скорректировать высоту РУ, если потребуется изменить тепловую мощность в ту или иную сторону. Сводная информация приведена на рисунке 16.

Рисунок 16.
Зависимость мощности различных проектов ММР с ЕЦ от высоты корпуса РУ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Выводы

Подводя итоги, следует отметить следующее.

1. Выполнено сравнение нескольких типов ПГ и выбран U-образный вертикальный ПГ с движением теплоносителя в межтрубном пространстве.

2. Определены оптимальные параметры теплообменной поверхности ПГ.

3. Проведено сравнение влияния нескольких компоновок активных зон на массо-габаритные характеристики и размеры контура циркуляции РУ.

4. Определена оптимальная величина подогрева теплоносителя в активной зоне реакторной установки.

5. Обоснована надёжность охлаждения активной зоны и оценён запас до кризиса теплообмена, даны рекомендации по конструкции тяговых труб для обеспечения некипящего режима циркуляции в самой напряжённой ТВС.

Список литературы

1. Ежемесячный журнал атомной энергетики России # 3, 2021, стр. 26-31.

2. Б.А.Дементьев, Ю.Б.Воробьев, Б.А.Ионов. "Теплогидравлический расчёт на ЭВМ реакторов типа ВВЭР и PWR" Москва: Издательство МЭИ, 1990.

3. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчётам : Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы. Москва: Энергоатомиздат, 1990.

4. Н.Г.Рассохин "Парогенераторные установки атомных электростанций" 3-е изд. Москва: Энергоатомиздат, 1987

5. .В.А.Григорьев, В.М.Зорин, Справочник "Тепловые и атомные электрические станции". Москва: Энергоатомиздат, 1989.

6. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Москва, Машиностроение, 1975.

Ключевые слова: Малая энергетика, ОКБ Гидропресс, Статьи

---

Другие новости:

Эль-Дабаа-3 - первый бетон

Начат основной этап сооружения третьего энергоблока.

Вестингауз разрабатывает малый модульный реактор AP300

Проект на основе технологии AP-1000.

ФЭИ объявляет старт конкурса на лучшую концепцию памятника А.И.Лейпунскому

Пройдёт с 27 апреля по 12 мая 2023 года.

---

---

---

---

Поиск по сайту: