Чудинова В.А., Никонов С.П. (НИЯУ «МИФИ», Москва, Россия)
Введение
В работе представлены результаты моделирования переходных процессов в реакторной установке со свинцовым теплоносителем, которые вызваны отключением двух главных циркуляционных насосов и одновременным отключением двух параллельных модулей парогенератора на одной из петель со снижением общей мощности реактора до 50 %. В основу данной расчетной теплогидравлической модели реактора положены данные по открытой информации для РУ БРЕСТ-ОД-300 [1] и результаты ее предыдущего моделирования [2–4], выполненного с помощью кода ATHLET [5]. По сравнению с моделями из ранних работ в данной работе используется более разветвленная схема как в области реактора, так и при описании связей с блоками парогенераторов каждой из петель.
Довольно широко используется заложенная в ATHLET возможность моделирования поперечных связей в системе параллельных каналов, моделирующих течение теплоносителя в установке, при этом применяется либо специально разработанная для этой цели в коде ATHLET модель описания поперечных перетоков, либо вопрос моделирования межканального обмена решается пользователем путем построения специальных схем на основе заложенных в программе простых моделей теплофизических объектов. Таким образом четыре петли установки от выхода из главных циркуляционных насосов до входа в ПГ имеют возможность обмениваться теплоносителем. На данном этапе создания модели разделение на параллельные каналы соответствует количеству параллельных модулей парогенератора с выделенной дополнительно центральной частью в области реактора.
Как было сказано выше, для проведения расчетов использовался код улучшенной оценки ATHLET, который входит в программный комплекс AC2, полученный Национальным Исследовательским Ядерным Университетом МИФИ на основе лицензионного соглашения с Обществом по безопасности установок и реакторов (Gesellschaft fur Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH, Германия) [6]. Код ATHLET аттестован в России для проведения стационарных и переходных режимов на реакторах с водным теплоносителем [7], однако возможности кода позволяют его использовать и с другими типами теплоносителей, в том числе и с жидкометаллическим теплоносителем [8–10].
Рассматриваемая модель включает в себя реактор, четыре петли контура циркуляции с главными циркуляционными насосами (ГЦН), двух секционный парогенератор (ПГ) с водным теплоносителем по второму контуру на каждой петле. Нейтронная физика на данном этапе не рассматривается, энерговыделения задаются как источник тепла с равномерным распределением по активной зоне. Петли второго контура для каждого парогенератора имеют питательный насос, задается источник/сток тепла в петлях второго контура, позволяющий моделировать изменение температуры питательно воды на входе в ПГ. Деталь расчетной схемы, созданная в модуле ATHLET Input Graphic, изображена на рисунке 1 а) для одной петли и вторым контуром для одного ПГ, а на рисунке 1 б) для реактора с двумя модулями ПГ.
В данной работе, как было сказано выше, рассматриваются переходные процессы, вызванные отключение двух ГЦН и одновременным отключением двух параллельных модулей парогенератора на одной из петель. Также проводится сравнительный анализ данных переходных процессов без разбиения внутриреакторных объектов и опускного участка на систему связанных параллельных гидравлических каналов и при разбиении на каналы.
В работе [11] было проведено исследование в аналогичной модели с разбиением внутриреакторных объектов при течи из второго контура в первый. В данном исследовании было показано влияние разбиения на распределение пара в реакторной установке.
Рис. 1. Деталь расчетной схемы: а) одна циркуляционная петля со вторым контуром, б) реактор с двумя модулями ПГ
1.Отключение ГЦН-ов в первой и второй петле циркуляции
В первом рассматриваемом варианте переходных процессов отключаются соседние ГЦН в первой и второй циркуляционной петле. Одновременно с этим отключаются питательные насосы в двух параллельных модулях ПГ первой петли. На рисунке 2 изображены внутриреакторные объекты и опускной участок без разбиения, на рисунке 3 соответственно изображены внутриреакторные объекты и опускной участок при разбиении на систему параллельных каналов.
В работах [2–4] был исследован переходной процесс с отключением ГЦН в одной из циркуляционных петель. Данное исследование показало, что при отключении ГЦН в аварийной петле возникает обратный ток теплоносителя. Это приводит к тому, что через активную зону (АЗ) проходит меньший расход теплоносителя. При этом холодный теплоноситель из аварийной петли не подается на вход АЗ, а подмешивается в раздаточный коллектор после АЗ. Данный процесс наблюдается в схемах без разбиения и с разбиением объектов на систему параллельных каналов.
На рисунке 4 представлено изменение расхода теплоносителя на выходе из ГЦН, на рисунке 5 – расход теплоносителя на входе в ПГ.
Рис. 4. Расход теплоносителя на выходе их насосов
Как видно из рисунков теплоноситель через остановленные насосы направляется не про прямому ходу в АЗ, а в обратном направлении (отрицательный расход) на выход ПГ и далее в верхнюю часть АЗ через трубы ПГ в раздаточный коллектор.
На рисунках 6 и 7 представлено изменение температуры в верхней части раздаточного коллектора и в нижней его части.
Снижение температуры теплоносителя связано с тем, что одновременно с остановом ГЦН снижается мощность реактора до 50 %. На рисунках видно, что температура теплоносителя в 1 и 2 частях раздаточного коллектора, связанных с первой петлей циркуляции, выше, чем в 3 и 4 частя, связанных со второй петлей циркуляции. Это связано с тем, что в ПГ первой петли отключены питательные насосы параллельных модулей ПГ. Следовательно, теплоноситель первой петли, проходя через ПГ, не охлаждается.
Распределение температур теплоносителя в разных частях раздаточного коллектора связано с перетоком теплоносителя из одной части в другую и дальнейшим перемешиванием.
В таблице 1 представлена разница температуры теплоносителя между вариантом без разбиения и с разбиением.
Таблица 1
Разница температур теплоносителя в верхней части раздаточного коллектора
На рисунке 8 представлено изменение температуры в опускном участке установки. Видно, что в варианте без разбиения температура опускного участка одинаковая. При этом в варианте с разбиением температура опускного участка разная, так как теплоноситель с разной температурой поступает в ПГ. Следовательно, в ПГ теплоноситель охлаждается до разных температур и поступает на вход ГЦН тоже с разной температурой. Это приведет к разному полю температур в АЗ реактора. А также к разным параметрам рабочего тела на выходе из ПГ. На рисунке 9 представлено изменение температуры рабочего тела на выходе из ПГ.
Рис. 8. Температура теплоносителя в опускном участке: а) без разбиения, б) при разбиении
Рис. 9. Температура рабочего тела на выходе из ПГ: а) без разбиения, б) при разбиении
Наибольшая температура наблюдается в 1 и 2 модулях ПГ, относящихся к первой петле циркуляции с отключенным ГЦН. В данных модулях ПГ отключены питательные насосы, рабочее тело не циркулирует и подогревается теплоносителем. Наименьшая температура в 3 и 4 модулях ПГ, относящихся ко второй циркуляционной петле с отключенным ГЦН. В данном случает питательные насосы не отключены, рабочее тело поступает в ПГ с температурой 340 °C и теплоноситель подогревает рабочее тело незначительно. В таблице 2 представлена разница температур между двумя моделями. В таблице видно, что температуры рабочего тела в 3 и 4 модулях парогенератора отличаются незначительно. Однако, как и на рисунке 9, наблюдаются отличия в других модулях ПГ.
Таблица 2
Разница температур рабочего тела в верхней части парогенератора
2. Отключение ГЦН-ов в первой и третьей петле циркуляции
Во втором рассматриваемом варианте переходных процессов отключаются противоположные ГЦН в первой и третьей циркуляционной петле. Точно так же одновременно с этим отключаются питательные насосы в двух параллельных модулях ПГ первой петли. На рисунке 10 изображены внутриреакторные объекты и опускной участок без разбиения, на рисунке 11 соответственно изображены внутриреакторные объекты и опускной участок при разбиении на систему параллельных каналов.
Аналогично первому рассматриваемому случаю, в аварийных петлях возникает обратный ток теплоносителя, который приводит к подмешиванию более холодного теплоносителя в верхнюю часть раздаточного коллектора.
На рисунках 12 и 13 представлено изменение температуры в верхней части раздаточного коллектора и в нижней его части.
В данном случае распределение температуры теплоносителя в раздаточном коллекторе немного другое. В таблице 3 представлена разница температуры теплоносителя между вариантом без разбиения и с разбиением. А в таблице 4 разница температур теплоносителя при отключении ГЦН смежных петель и противоположных.
Таблица 3
Разница температур теплоносителя в верхней части раздаточного коллектора
Таблица 4
Разница температур теплоносителя при разной схеме отключения ГЦН
Как видно из таблицы 4 температура теплоносителя изменяется при разной схеме отключения ГЦН. Однако это различие видно только при разбиении внутриреакторных объектов и опускного участка. В схеме без разбиения температура теплоносителя в раздаточном коллекторе одинакова, это видно на рисунках 6 и 12 и в таблицах 1 и 3.
На рисунке 14 представлено изменение температуры в опускном участке установки. Видно, что в варианте без разбиения температура опускного участка одинаковая и не зависит от схемы отключения ГЦН. При этом в варианте с разбиением температура опускного участка разная, и отличается от температур при смежном отключении ГЦН.
На рисунке 15 представлено изменение температуры рабочего тела на выходе из ПГ.
Распределение температур в варианте без разбиения на рисунке 15 аналогично рисунку 9, только вместо самой холодной температуры в модулях 3 и 4, на данном рисунке самая холодная температура в модулях 5 и 6, относящихся к третьей петле с отключенным ГЦН.
Распределение температур при разбиении на рисунке 15 отличается от распределения температур на рисунке 9, что связано со схемой отключения ГЦН.
В таблице 5 представлена разница температур между двумя моделями. В таблице видно, что наибольшая температура наблюдается в 1 и 2 модулях ПГ, относящихся к первой петле циркуляции с отключенным ГЦН. В данных модулях ПГ отключены питательные насосы, рабочее тело не циркулирует и подогревается теплоносителем. Наименьшая температура в 5 и 6 модулях ПГ, относящихся ко второй циркуляционной петле с отключенным ГЦН. В данном случает питательные насосы не отключены, рабочее тело поступает в ПГ с температурой 340 и теплоноситель подогревает рабочее тело незначительно. Так же видно, что температуры рабочего тела в 5 и 6 модулях парогенератора отличаются незначительно в двух моделях. Однако, как и на рисунке 15, наблюдаются отличия в других модулях ПГ.
Таблица 5
Разница температур рабочего тела в верхней части парогенератора
В таблице 6 представлена разница температур рабочего тела при разной схеме отключения ГЦН. Из таблицы видно, что в 3 и 6 модуле ПГ разница составляет около 20–26 %. При этом влияние различной схемы отключения ГЦН не видно в модели без разбиения внутриреакторных объектов и опускного участка.
Таблица 6
Разница температур рабочего тела в верхней части парогенератора при разной схеме отключения ГЦН
Заключение
В настоящей работе была разработана разветвленная схема как в области реактора, так и при описании связей с блоками парогенераторов каждой из петель. Проведен расчет переходных процессов с вязанных с одновременным отключением двух ГЦН и питательных насосов двух модулей ПГ со снижением общей мощности реактора до 50 %.
При сравнении результатов расчетов, проведенных в моделях без разбиения внутриреакторных объектов и опускного участка и с разбиением, относительная разница температур теплоносителя составляет от 8 % до 8,4 % в зависимости от схемы отключения ГЦН, а разница температур рабочего тела от 6 % до 10,7 %.
Температура теплоносителя и рабочего тела в простой модели без разбиения объектов не изменяется в зависимости от схемы отключения ГЦН. При этом значение температуры теплоносителя во всех петлях циркуляции одинаково. Однако теплоноситель, поступая в раздаточный коллектор из АЗ, не моментально смешивается с теплоносителем аварийных метель и имеет разную температуру в зависимости от удаленности от аварийных петель. Данных процесс отображает модель с разбиением внутриреакторных объектов.
Модель с детализацией внутриреакторных объектов и опускного участка так же показывает разницу температур теплоносителя и рабочего тела, в зависимости от схемы отключения ГЦН. Относительная разница температур теплоносителя в зависимости от схемы отключения ГЦН составляет около 12 %, а рабочего тела – 26 %.
Благодарности
Авторы ценят поддержку и усилия Национального исследовательского ядерного университета МИФИ в помощи при проведении исследований. Исследование было проведено при поддержке проекта по повышению конкурентоспособности НИЯУ МИФИ.
Список литературы
- В.В. Лемехов. Технический проект реакторной установки БРЕСТ-ОД-300. Проектное направление «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики, Москва, 2015г.
- Chudinova V.A., Nikonov S.P., Thermal-hydraulic model of the reactor facility with lead coolant in the ATHLET code, ICNRP Volga-2018, International conference for young scientists, specialists and post-graduates on Nuclear Reactor Physics, September, 2018г., IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1133 (2018) 012013 doi :10.1088/1742-6596/1133/1/012018.
- Чудинова В.А., Никонов С.П. Теплогидравлическая модель реакторной установки с жидкометаллическим теплоносителем, Нейтроника-2018, Обнинск, ноябрь, 2018.
- Чудинова В.А., Никонов С.П. Влияние детализации внутриреакторных объектов на моделирование переходных процессов в реакторной установке со свинцовым теплоносителем, Atom-Future-2018, Обнинск, ноябрь, 2018.
- H. Austregesilo, H. Deitenbeck, A. Langenfeld, J. Scheuer, P. Schöffel, ATHLET 3.1A, Programmer’s Manual, March 2017.
- Computer Code AC2, Code Certificate N0 17-01, Software Licence Agreement N0.L/M03, 11 sep., 2017.
- Ростехнадзор, ФБУ «НТЦ ЯРБ», Аттестационный Паспорт Программного Средства №350 от 17.04.2014.
- Бускет Д., Велков К., Пасечник И., Зойберт А., Даничева И.А., Хренников Н.Н., Самохин А.Г., Иванов В.С., Клим С. Разработка связанной версии нейтроннофизического кода DYN3D и теплогидравлического кода ATHLET 3.0 для анализа переходных процессов в быстрых реакторах с жидкометаллическим теплоносителем // Ядерно-реакторные константы. 2016 г. Вып. 4, С. 191–199.
- Palazzo S., Velkov K., Lerchl G., Van Tichelen K. Analyses of the MYRRHA Spallation Loop with the System Code ATHLET. Annals of Nuclear Energy, 2013, vol. 60, pp. 274286.
- Hegyi G., Keresztúri A., Pataki I., Tóta A., Velkov K., Pasichnyk I., Perin Y. Coupling the ATHLET 3.0 and the KIKO3DMG multigroup 3D kinetic code developed for the fast spectrum Gen-IV reactors. Proc. 23rd Int. Conf. Nuclear Energy for New Europe. Portoroz, Slovenia, 2014.
- Чудинова В.А., Никонов С.П. Исследование переходного процесса в реакторе со свинцовым теплоносителем при течи из второго контура в первый, 21-я Международная конференция молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам. Сборник докладов. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2019.
