Тепловое обоснование канального реактора типа CANDU электрической мощностью 1000 МВт с использованием торий-плутониевого Топлива

Thermal substantiation of a CANDU-type channel reactor with an electric power of 1000 MW using thorium-plutonium fuel

Необходимость экономии добываемого урана, и как следствие необходимость получения высоких глубин выгорания, заставляют исследовать возможность использования в ре­акторах CANDU обогащенного или другого типа топлива. Ситуация также поддерживается тем фактом, что в странах, в которых построены АЭС с реакторами CANDU, заканчиваются запасы урана. А страны поставщики предоставляют лишь топливо с обогащенным ураном. Замедлитель D2О заливается в межтрубное пространство бака-каландра, над уровнем которого имеется газовая подушка, выполняющая роль компенсатора объема. Температура замедлителя в канальных тяжеловодных реакторах поддерживается на уровне ~ 70° С. Это позволяет иметь низкое давление в баке с D2О. Поэтому трубы каландра, выполняемые обычно из слабопоглощающего нейтроны алюминиевого сплава, сравнительно тонкостенные. При поддержании низкой температуры замедлителя в тяжеловодных реакторах формируется исключительно мягкий спектр тепловых нейтронов. Однако для поддержания температуры тяжелой воды на уровне 70°С необходимо постоянно отводить от нее тепло, выделяющееся при взаимодействии D2О с нейтронами и γ-квантами, количество которого составляет примерно 6% полной тепловой мощности реактора. Кроме того, имеет место переток тепла от горячего теплоносителя, протекающего в рабочих каналах, к более холодному замедлителю. Для сведения к минимуму этой перетечки, рабочие каналы, несущие давление теплоносителя, располагают в трубах каландра с некоторым зазором, заполняемым либо газом, либо другим изоляционным материалом.

Необходимость теплофизического расчета решает следующие задачи:

1. Выбор турбины и определение её КПД, определение необходимой тепловой мощности реактора;

2. Определение поля температур теплоносителя и элементов теплообменного оборудования по высоте АЗ для напряженного (горячего) канала;

3. Расчет коэффициента запаса до кризиса теплообмена;

4. Расчет гидравлических сопротивлении и определение энергозатрат на собственные нужды.

Основной целью расчета является проверка работоспособности реактора. Для работы в реакторе канального типа с эл. Мощностью 1000 МВт выбрана турбина К-1000-60/1500, в которой реализуется цикл насыщенного пара с промежуточными сепарацией и перегревом. Характеристики турбины представлены в таблице 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р – реактор; ПГ – парогенератор; ЦН – циркуляционный насос; Т – турбина; ЦВД – циллиндры высокого давления; ЦНД – циллиндры низкого давления; ПС – промежуточный сепаратор; ПТО – промежуточный теплообменник; ЭГ – электрогенератор; К – конденсатор; КН – конденсатные насосы; РНД – регенераторы низкого давления; РВД – регенераторы высокого давления; Д – деаэратор; ПН – питательный насос, КД – компенсатор давления.

Установка выполнена по двухконтурной схеме. В первом и втором контуре теплоносителем является вода. Особенность схемы – компоновка, при которой все основное оборудование первого контура размещено в одном зале с реактором, заключенные в страховочный корпус.

Нагретая в активной зоне (АЗ) вода поступает в верхнюю часть промежуточного теплообменника (ПТО), и после охлаждения поступает в нижнюю часть бака. Циркуляция воды в баке и активной зоне осуществляется циркуляционным насосом (ЦН). Первый контур образован тремя включенными параллельно циркуляционными насосами и шестью промежуточными теплообменниками. Температура воды на входе в АЗ Tвх = 277 °С, а на выходе Tвых = 321 °С.

 Определение термического КПД

Теплофизические характеристики ЯЭУ

Основные теплофизические и геометрические характеристики данной ЯЭУ представлены в таблицах 1 и 2

Таблица 1 – Теплофизические характеристики ЯЭУ

Тип реактора

Канальный

Электрическая мощность энергоблока, МВт

1000

Теплоноситель

Теплоноситель

Легкая вода

Давление теплоносителя (в активной зоне), МПа

15

Температура теплоносителя на входе в активную зону, ºС

277

 

Температура теплоносителя на выходе из активной зоны, ºС

321

Расход воды через реактор, кг/с

7700

Топливо

Тип топлива

PuO2 + ThO2

Замедлитель

Замедлитель

Тяжелая вода

 

Таблица 2 – Основные геометрические параметры

Активная зона

Высота активной зоны, м

6

ТВС

Геометрия ТВС

Цилиндрическая кассета

Наружный диаметр ТВС, мм

124х4

Длина ТВС l, мм

495,5

ТВЭЛ

Геометрия ТВЭЛа

Стержневой ТВЭЛ

Наружный диаметр ТВЭЛа dТВ, мм

13,5

Толщина оболочки ТВЭЛа , мм

1

Шаг решетки ТВЭЛа s, мм

16

Количество ТВЭЛов в одной ТВС NТВ , шт.

37

Средний коэффициент теплопроводности топлива λт,

3

Средний коэффициент теплопроводности оболочки ТВЭЛа λоб (циркалой-4),

17,3

 

На рисунке 2 показана схема цикла насыщенного пара с промежуточными сепарацией и перегревом. На участке a-g и g-h осуществляется регенеративный подогрев, затем нагрев и испарение в парогенераторе – участок h-b-c. На участке c-d происходит расширение пара в части высокого давления турбины, после чего влажный пар поступает в инерционный сепаратор, где пар отделяется от конденсата – участок d-e. Собранный в сепараторе конденсат сбрасывается в один из регенеративных подогревателей питательной воды, а пар поступает в промежуточный пароперегреватель – участок e-f, затем расширяется в части низкого давления – участке f-k. На участке k-k’ отработавший пар конденсируется, затем на участке k’-a претерпевает повышение давления при помощи питательных насосов.

Рисунок 2 - T-S диаграмма паротурбинного цикла

 

Рассмотрим участки паротурбинного цикла. На участке c-d происходит расширение пара в части высокого давления турбины, после чего влажный пар поступает в инерционный сепаратор, где пар отделяется от конденсата (линия d-e). Собранный в сепараторе конденсат сбрасывается в один из регенеративных подогревателей питательной воды (деаэратор), а пар поступает в промежуточный пароперегреватель (линия e-f). На участке f-k происходит расширение перегретого пара в части низкого давления турбины, после чего происходит сбрасывание отработавшего пара в конденсатор и благодаря питательным насосам пар поступает в регенеративные подогреватели.

Параметры энтропии, энтальпии и температуры, давления соответствующих точек, занесены в таблицу 3

 

Таблица 3 – Значения параметров в точках на T-S диаграмме.

Точка

Температура T,

Давление p, МПа

Энтропия s,

Энтальпия h,

a

29

0,004

422,98

121,6

g

156,15

0,56

1904

659

h

187

1,17

2207

794

b

260

4,7

2885,7

1135

c

260

4,7

6001

2797

m

187

1,16

6001

2785

d

156,15

0,56

6052,4

2439

e

156,15

0,56

6782,5

2753

f

260

0,56

7265,2

2984

k

29

29

7265,2

2189

 

Расчет термического КПД при идеальной регенерации, без регенерации и при конечном числе регенеративных подогревателей проводим по формуле:

                     .                                                         (1)

Подставляя соответствующие значения, получим:

.

                     ; .                   (2)

Выбираем количество регенеративных подогревателей равным (n=6).

КПД с конечным числом регенеративных подогревателей равен:

                     ; .                          (3)

КПД Брутто АЭС.

=.                                                                             (4)

Учтем следующие потери энергии:

=0,99       электрический КПД турбогенератора

=0,98       КПД парогенератора (учитывает потери в окружающую среду)

=0,99       КПД транспорта тепла от сепаратора к турбине

=0,393      термический КПД цикла при n=6 регенеративных отборах

=0,81        внутренний относительный КПД турбины

=0,99        механический КПД турбогенератора

                                       (5)

Тогда тепловая мощность установки равна:       
                                                      МВт                         (6)

 

 Расчет эффективной высоты АЗ и мощности наиболее напряженного канала

Для оценки эффективной высоты АЗ воспользуемся формулой, приняв Kz = 1,5

Зададим тепловыделение по длине АЗ с тем условием, что перегрузка топлива осуществляется непрерывно:

                                                                   (7)

 

где  – эффективная добавка.

                                                           (8)

H = 6 м – высота АЗ

,

где  = 0.04 м – эффективная добавка по длине АЗ

Максимально допустимая линейная мощность ТВЭЛа центрального канала:

∆Tmax                                                             (9)

∆Tmax = 976 С° - максимально допустимый перепад температур в ТВЭЛ;

λ = 3.0 Вт/м∙К – теплопроводность топлива;

Средняя линейная мощность ТВЭЛа центрального канала:

 35,359 кВт/м                                         (10)

 

Мощность самого напряженного канала:

8,8 МВт                                                         (11)

Распределение линейной мощности по длине центрального канала

Зависимость максимальной линейной энергонапряжённости твэла центрального канала от его высоты представлена на рисунке 1.6:

 

                                                                                (12)

Распределение поверхностного теплового потока по высоте твэла центрального канала

Зависимость поверхностного теплового потока от высоты твэла центрального канала представлена на рисунке 3

qs(z) =                                                                                  (13)

Рисунок 3 – Зависимости линейной мощности от высоты твэла центрального канала

 Расчет гидравлических параметров ТВС

Используя известные геометрические параметры реактора, рассчитаем некоторые гидравлические параметры кассеты.

Площадь проходного сечения теплоносителя через ТВС:

               (14)

 

П =                                     (15)

 

 = 12,25                                                                 (16)

 

Расчет расхода и скорости теплоносителя

Расход теплоносителя через ТВС:

                                                                (17)

Расход теплоносителя через АЗ:

                                              (18)

Скорость теплоносителя через АЗ:

                                                                        (19)

Полученное значение не превышает максимально допустимого  которое выбирается из соображений прочности твэлов и коррозионно-эрозионной стойкости конструкционных материалов активной зоны.

 

 Расчет коэффициента теплоотдачи

Таблица 4 - Теплофизические параметры воды при t=260 0C*.

Параметр

Значение

Теплопроводность λ, Вт/(м*К)

60,5

Плотность ρ, кг/м3 

783,9

 

Удельная теплоёмкость Ср, Дж/(кг*К)

4,949

Температуропроводность а, м2

63,8710-6

*-средняя температура воды в АЗ

Для расчета коэффициента теплоотдачи при продольном обтекании потоком воды пучка стержневых твэлов можно воспользоваться соотношением:

                                                        (20)

Эта формула справедлива при  и  и удовлетворяет нашим условиям.

Определим число Пекле:

                                                                      (21)

Где wаз – скорость теплоносителя через АЗ, dг – гидравлический диаметр, a – температуропроводность

Следовательно, коэффициент теплоотдачи:

                                                               (22)

 Расчет распределения тепловыделения по высоте

kr= 1,47

kz=1,51

Максимальная линейная нагрузка в твэле:

                                        (23)

Аксиальное распределение линейной нагрузки в центральном ТВЭЛе имеет вид:

                                                          (24)

В центре АЗ , а на ее границе

Распределение плотности теплового потока в центральном ТВЭЛе

                                                                                      (25)

В центре АЗ , а на ее границе .

 Расчет распределения температур по высоте

Распределение температуры теплоносителя по высоте активной зоны в центральном канале

                                                (26)

представлено на рисунке 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 Распределение температуры теплоносителя по длине АЗ в максимально напряженном канале.

Температуры теплоносителя на входе в АЗ  в центре  и на выходе из АЗ .

Распределения температуры внешней поверхности оболочки ТВЭЛа по длине активной зоны имеет вид:

                                                                (27)

В качестве конструкционных материалов для оболочки ТВЭЛов выбран сплав Циркалой-4, обеспечивающая стабильность рабочих характеристик в течение длительного времени эксплуатации и обладающая повышенным сопротивлением разрушению. Химический состав стали представлен в таблице 5

 

Таблица 5 - Химический состав Циркалоя-4 в объемных %.

Zr

Nb

99

1

 

Коэффициент теплопроводности циркониевой оболочки при температуре  равен 17,3 Вт/(м·К).

Термическое сопротивление оболочки рассчитаем по формуле:

                  (28)

Распределение температуры внутренней поверхности оболочки имеет вид:

                                                      (29)

Максимальная температура оболочки достигает   и не превышает предельно допустимых температур для сплава .

Теперь рассчитаем распределение температуры топливной композиции по высоте активной зоны. Для этого нужно знать термическое сопротивление области контакта топлива и оболочки.

Зазор между внутренней поверхностью оболочки твэла и поверхностью топлива после сборки твэла имеет размер δк=0.1мм и заполнен гелием (λHe=0.438  при температуре 400С).

Термическое сопротивление контактного слоя:

                     (30)

Коэффициент теплопроводности топлива равен:

Pпор=10%

λтопл = 3 

 λтопл((1-Pпор)/(1+0.5Pпор) = 3                              (31)

Термическое сопротивление топлива рассчитаем по формуле:

 

Распределение температуры топливной композиции по высоте активной зоны

 представлено на рисунке 2.8.

 

Максимальная температура топлива достигает значения  которое не превышает предельно допустимой температуры .

 Расчет мощности, необходимой на прокачку теплоносителя через активную зону реактора

Для определения мощности, необходимой для прокачки теплоносителя через реактор, сначала найдем перепад давления в ТВС:

ΔP                                                                (32)

где – потери на местное сопротивление,  – потери на трение в сборках,  –учитывает гидростатическое изменение давления.

где  – средняя по активной зоне плотность теплоносителя,  – ускорение свободного падения.

где  – коэффициент гидравлического сопротивления, рассчитываемый по формуле (при ) :

Определим параметр ξтр :

   (33)

Где s-шаг навивки проволоки, s=380 мм,

ξтр=0.901

Суммарный коэффициент местных сопротивлений:                         

Σсопр = 6.7

Гидравлическое сопротивление активной зоны:

Можем рассчитать перепад давления:

Тогда мощность, необходимая для прокачки теплоносителя через АЗ будет равна:

где  = 863 кг/м3.

 

 

   Итоги теплофизического обоснования канального реактора типа CANDU

В данной статье были определены все необходимые параметры и теплофизические характеристики реактора в предположении, что выгорание топлива составляет 60 МВт/с.

Для данного обоснования взяты параметры стандартной турбины (K-1000-60/1500) для реактора типа CANDU.

Был посчитан КПД этой установки. Т.к. параметры пара не очень высокие, то соответственно и КПД несколько ниже – приблизительно 31%. Затем были заданы характеристики реального реактора, и для них был проведен теплофизический расчет. Также были рассчитаны средние значения температур в активной зоне реактора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.  Верхивкер Г.П., Кравченко В.П. Основы расчета и конструирования ядерных энергетических реакторов. Учебник / Под общ. ред. Дубковского В.А. — Одесса: ТЕС, 2008. — 409 с., ил.

2.  Емельянов И.Я. Конструирование ядерных реакторов / И.Я. Емельянов, В.И. Михан, В.И. Солонин; Под общ. Ред. Акад. Н.А. Доллежаля. – М.: Энергоиздат, 1982. – 400 с.

3.  Физический расчет ядерного реактора на тепловых нейтронах:/ учебное пособие / – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 504 с.

4.  Проскуряков К.Н. Ядерные энергетические установки / К.Н. Проскуряков. – М.: Издательский дом МЭИ, 2015. – 446 с.