Статья: Проблемы перехода на сверхкритическое давление воды в атомной энергетике и возможный путь их преодоления

Проблемы перехода на сверхкритическое давление воды в атомной энергетике и возможный путь их преодоления

В.А.Силин

В настоящее время основная доля электроэнергии на АЭС вырабатывается на станциях с легководными реакторами, но сегодня эволюционный путь их развития выходит на некоторые предельные параметры. Выбор типа будущих АЭС определяется, в первую очередь, их высокими экономическими показателями и уровнем безопасности, требования к которым растут постоянно. Дальнейшее улучшение характеристик легководных реакторных установок (РУ)связывается с переходом как и в тепловой энергетике на сверхкритическое давление (СКД) воды в первом контуре. Такой переход объясняется однофазностью воды при СКД во всём диапазоне температур , резким ростом теплоёмкости и изменением плотности в окрестности некоторой температуры Т_М, определяемой как псевдокритическая (Рис. 1).

Рис. 1 Физические свойства воды при сверхкритическом давлении

Эти свойства воды позволяют:

- повысить уровень температуры теплоносителя и КПД без опасности возникновения кризиса теплообмена в активной зоне;

- упростить вопросы гидродинамики теплоносителя;

- использовать топливный цикл с повышенным коэффициентом воспроизводства;

- поддерживать критичность реактора в процессе кампании изменением спектра нейтронов;

- снизить удельный расход теплоносителя;

- снизить количество тепла, отводимого к конечному поглотителю, что снижает воздействие на окружающую среду;

- значительно повысить уровень безопасности РУ при интегральном размещении оборудования.

Исследования по возможному использованию воды СКД в атомной энергетике начались в 60-х годах прошлого века (например, [1]). В разных странах рассматривались три типа РУ:

- одноконтурные петлевые РУ, в которых вода с помощью насосов (ГЦН) подаётся в реактор, превращается в пар, поступающий на турбину (Рис. 2);

Рис. 2 Схема одноконтурной петлевой РУ

- двухконтурные петлевые РУ, в которых вода с помощью ГЦН подаётся в реактор, нагревается и поступает в парогенератор (ПГ), где превращает в пар воду второго контура, а пар поступает на турбину (Рис. 3);

Рис. 3 Схема двухконтурной петлевой РУ

- двухконтурные РУ с интегральным расположением оборудования. Парогенераторы размещаются в кольцевом пространстве между корпусом реактора и обечайкой активной зоны (Рис. 4).

Рис. 4 Схема интегральной двухконтурной РУ

Проведённые исследования выявили серьёзные проблемы, которые необходимо решить при переходе на сверхкритическое давление воды в атомной энергетике. К ним можно отнести:

- разработку надёжных зависимостей для расчёта теплообмена и гидравлического сопротивления при течении воды СКД в плотноупакованных решётках твэлов и в каналах сложной формы;

- обеспечение необходимого уровня безопасности, как в режимах нормальной эксплуатации, так и в аварийных режимах;

- разработку материалов, работающих в активной зоне при температурах выше 800С;

- ограничение выноса активности в машинный зал для одноконтурных АЭС.

Рассмотрим состояние каждой проблемы в настоящее время, перспективы её решения и влияние этого на выбор очерёдности разработок типов РУ СКД.

Наиболее сложной задачей, вероятно, является исследование процессов теплообмена при течении воды СКД в РУ и разработка на этой основе надёжных методик для расчёта теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Проведённые к настоящему времени исследования были направлены, в первую очередь, на решение проблем, связанных с использованием воды СКД на ТЭС, поэтому основной объём экспериментов был проведен для течения воды в трубах диаметром 10-20 мм при умеренно высоких массовых скоростях и тепловых потоках. Эксперименты показали очень сложный характер процесса теплообмена при течении жидкостей СКД. Полученные в опытах режимы теплоотдачи условно были разделены на:

- режимы нормального теплообмена, в которых можно считать изменение температуры стенки по длине экспериментального участка монотонным (Рис. 5);

Рис. 5 Температурные режимы стенки трубы при давлении воды Р=24,5 МПа, массовой скорости w=380 кг/(м2с), температуре на входе 300 С, тепловом потоке 0,35 (1), 0,41 (2), 0,43 (3), 0,47 МВт/м2

- режимы с ухудшенной теплоотдачей (РУТ), в которых при T_C > T_M > T_Ж на некторой длине опытного участка происходит резкое снижение коэффициента теплоотдачи (Рис. 5);

- режимы с высокочастотными пульсациями давления (РПД) при T_C > T_M > T_Ж, с частотой 100-10000 Гц и амплитудой до 10 МПа, сопровождающиеся хорошо слышимым шумом (рис. 6).

Рис. 6 Температура стенки в режиме с высокочастотными пульсациями давления

Несмотря на большой объём проведённых исследований, пока нет достаточного понимания физических процессов, определяющих тот или иной режим. Для описания теплоотдачи в режимах нормального теплообмена в ряде работ были предложены расчётные зависимости, существенно отличающиеся порой друг от друга по структуре, и, как правило, описывающие данные экспериментов в ограниченном диапазоне определяющих параметров (Рис. 7), [2].

Рис. 7 Коэффициенты теплоотдачи h, рассчитанные по корреляциям разных авторов, для течения воды в обогреваемых трубах при Р=23,3 МПа, q=1,084 МВт/м2, w=1500 кг/(м2с), d=8 мм. - эксперимент

Для описания условий появления РУТ было предложено несколько зависимостей, например [3,4], пригодных для использования в узком диапазоне параметров. В нескольких работах [5,6] были предложены зависимости для расчёта коэффициента теплоотдачи в зоне ухудшения, но они описывают очень ограниченный объём опытных данных и имеют сложный характер. реакторная установка давление температура

По РПД можно отметить, что, как правило, при их появлении теплоотдача улучшается [7]. На сегодня нет расчётных зависимостей, определяющих область существования РПД. Условия их появления - небольшие диаметры участков, высокие тепловые потоки, высокие скорости - соответствуют условиям в активных зонах петлевых РУ СКД.

При переходе на охлаждение активных зон РУ водой СКД потребуется провести большой объём экспериментальных исследований теплообмена и гидравлического сопротивления при течении воды СКД в многостержневых сборках. Сегодня известно только о двух таких исследованиях, выполненных в ВТИ [4] и НИЦ «Курчатовский институт» [8].

В ВТИ эксперименты проведены на проточном стенде в вертикальном канале с восходящим потоком, Экспериментальный участок представлял собой семистержневой пучок трубок наружного диаметра 5,2 мм, длиной 500 мм, плотноупакованных в шестигранный тонкостенный кожух. Каждую трубку с шагом 400 мм обвивали четыре ребра высотой 0,6 мм, шириной 1 мм. Обогрев канала обеспечивался путём пропускания постоянного электрического тока. Наружные трубки пучка использовались в качестве импульсных трубок для измерения перепада давления между шестью отборами. Температура стенки измерялась только в центральной трубке в десяти точках по длине с помощью подвижного термопарного зонда. Опыты были проведены при давлении 25,5 МПа, температуре воды от 90 до 570С, массовых скоростях от 500 до 4000 кг/(м²с), плотности теплового потока до 4,7 МВт/м² и отношении q/w до 1,27 кДж/кг. В опытах использовались 5 каналов, гидравлический диаметр варьировался от 2,15 до 2,77 мм. Всего было проведено 59 опытов с обогревом сборки.

Результаты опытов существенно отличаются от данных, полученных в опытах на трубках и в кольцевых каналах. Не были обнаружены РУТ даже при больших значениях q/w. Наблюдались режимы с низкочастотными пульсациями давления (период 25-30 с) с амплитудой до 5 МПа в области массовых скоростей свыше 2000 кг/(м²с) при относительно высоких значениях плотности теплового потока. Как оказалось, локальные значения коэффициента теплоотдачи зависели от предыстории потока, что потребовало соответствующей корректировки формул. В результате, зависимость для расчёта коэффициента теплоотдачи оказалась довольно сложной. С помощью своего уравнения авторам удалось с разбросом 20% описать основную часть данных. Отклонение небольшой части данных доходило до 30%. Сопоставление с результатами исследований теплообмена в трубках в данной работе отсутствует. Данные по гидравлическому сопротивлению, полученные в опытах, были обобщены авторами с погрешностью не более 25%.

В НИЦ «Курчатовский институт» эксперименты проводились на замкнутом циркуляционном контуре при давлении воды 23,5 и 30,0 МПа. Экспериментальные участки обогревались выпрямленным током. Длина обогреваемой части - 880 мм. Участки отличались числом (7 и 19) и диаметром элементов (5,6 и 4,0 соответственно). Термопары размещались внутри элементов, их число варьировалось от 11 до 21. Для элементов диаметром 5,6 мм использовались 4-5 дистанционирующих решёток. Для элементов диаметром 4,0 мм использовались капилляры диаметром 1 мм, обвивающие каждый элемент. Гидравлический диаметр ячейки 19-стержневой сборки составлял 3,23 мм. Энтальпия жидкости изменялась от 1470 до 3000 кДж/кг, массовая скорость - от 2000 до 5500 кг/(м²с), плотность теплового потока - от 1,16 до 4,59 МВт/м², отношение q/w - от 0,32 до 0,84 кДж/кг. Для 7-стержневой сборки гидравлический диаметр составлял 3,68 мм, энтальпия жидкости изменялась от 1000 до 3050 кДж/кг, массовая скорость - от 350 до 2300 кг/(м²с), плотность теплового потока - от 0,4 до 1,84 МВт/м², отношение q/w - от 0,32 до 0,84 кДж/кг. Анализ проведённых экспериментов показал:

- температура теплоотдающей поверхности элементов в исследованной области параметров при Т_Ж < T_M и q/w < 0,8 кДж/кг, как правило, соответствовала расчётной зависимости [3], полученной при течении воды (и СО₂) СКД в круглых трубах;

- измеренная температура стенки (средняя по длине пучка) при Т_Ж > Т_М и q/w > 0,8 кДж/кг, была выше расчётной, наблюдался большой разброс по элементам, что может быть связано с появлением и смывом отложений на поверхности элементов (Рис. 8);

Рис. 8 Зависимость температуры стенки от энтальпии воды для семистержневой сборки при Р=23,6 МПа, w=500 (3), 900 кг/(м²с) (4), q=0,5 и 0,9 МВт/м² соответственно [1]. Кривые 1 и 2 - расчёт при w=500 и 900 кг/(м²с)

- температура элементов при высокой массовой скорости в области q/w > 0,6 кДж/кг в некоторых случаях возрастала во времени при постоянных режимных параметрах;

- наличие на поверхности элементов оксидов железа и меди в случае слива воды сразу после отключения нагрузки в режимах с ростом Т _С;

- наблюдалось иногда плавное, иногда скачкообразное изменение распределения температуры элементов;

- в исследованном диапазоне режимных параметров при массовой скорости от 350 до 5500 кг/(м²с) и величине q/w до 1,7 кДж/кг режимы с ухудшением теплоотдачи не обнаружены.

Может быть несколько причин существенного расширения области нормальных режимов:

- появление шероховатостей за счёт выпадения на поверхности теплообмена окислов металлов (возможно наиболее вероятная причина);

- сложная геометрия каналов и переток воды между ячейками.

Можно говорить о том, что полученные на сегодня экспериментальные данные охватывают широкий диапазон определяющих параметров, но их анализ ставит больше вопросов, чем ответов. Это отсутствие РУТ для сборок, заметная разница в коэффициентах теплоотдачи в опытах ВТИ и НИЦ «Курчатовский институт», наличие РПД в опытах ВТИ, выпадение окислов металлов на теплоотдающую поверхность в опытах НИЦ «Курчатовский институт». Выполненные работы показали, кроме высокой стоимости, чрезвычайную сложность экспериментов. При обосновании АЭС с РУ СКД потребуется существенно больший объём исследований для ответа на поставленные вопросы, по сравнению с исследованиями, обеспечившим работу тепловых электростанций.

С учётом значительных перепадов давления по активной зоне и возможности перетока теплоносителя между ячейками, чрезвычайно важным является знание гидравлического сопротивления по длине активной зоны, для чего, кроме общего перепада давления необходимо иметь данные по перестройке профиля скорости по длине канала, что на сегодня обеспечить практически невозможно.

Следующей задачей, которая встаёт перед разработчиками РУ СКД - разработка методик расчёта температуры поверхности твэла, с учётом возможного значительного изменения её по периметру твэла

С учётом сложности экспериментальных методов особенно актуальной становится разработка расчётно-теоретических методов исследования теплообмена при течении жидкостей с резко переменными свойствами. Здесь также возникают серьёзные затруднения. Во-первых, имеет место явный недостаток сведений о закономерностях турбулентного обмена в потоках таких жидкостей. Во-вторых, из-за сложности систем уравнений, описывающих данные процессы, возникают технические трудности при моделировании турбулентного переноса в каналах сложной геометрии. Анализ расчётно-теоретических работ, выполненных к настоящему времени, даёт основание говорить о том, что использование гипотезы относительно влияния переменных свойств на гидродинамику течения не отражает в полной мере основные закономерности этого явления. Для более глубокого понимания этого влияния желательно провести экспериментальное исследование профилей скорости, структуры потока для различных режимов теплообмена и на основе этого разработать механизм тепломассообмена при течении жидкостей с резкопеременными свойствами.

Наряду с многочисленными исследованиями теплообмена, лишь единичные работы были направлены на изучение гидравлического сопротивления при течении жидкости в трубках и сборках. В условиях сильного изменения свойств в окрестности Т_М при исследовании гидравлического сопротивления требуется отдельно измерять сопротивление трения и сопротивление ускорения потока по сечению в канале. Однако реально можно измерить лишь полное сопротивление. Составляющие выделяются расчётно. Из-за сложной зависимости вязкости и плотности от температуры возникают трудности в анализе полученных в опытах данных. Несколько большую информацию по гидравлическим сопротивлениям дают исследования, проведённые по методике двух перепадов [9]. Большой объём данных по гидравлическому сопротивлению при течении воды СКД был получен в [10]. Полученные данные позволяют считать, что сопротивление трения гладкого канала при турбулентном изотермическом течении воды СКД подчиняются обычной для ньютоновских жидкостей зависимости во всём диапазоне температур. По мнению авторов, максимальная ошибка традиционного определения коэффициента трения в предположении об одномерности течения не должна превышать соответствующую величину, найденную по методике двух перепадов, для РУТ - более чем на 35%, а для нормальных режимов - на 15%. Ранее были представлены результаты единственной работы, в которой исследовалось гидравлическое сопротивление при течении воды в многостержневой сборке [4]. Зависимость, полученная авторами для описания коэффициента гидравлического сопротивления учитывает изменение свойств жидкости в продольном и плотности в поперечном направлении, а так же предысторию потока