Теплофизический расчет реактора БН-800 на MOX-топливе

Описание работы теплового контура БН-800

Установка выполнена по трехконтурной схеме. В первом и втором контуре теплоносителем является натрий, а рабочим телом паротурбинного (третьего) контура является вода. Особенность схемы – интегральная компоновка, при которой все основное оборудование первого контура размещено в общем баке реактора, заключенном в страховочный корпус.

Нагретый в активной зоне (АЗ) натрий поступает в верхнюю часть промежуточного теплообменника (ПТО), и после охлаждения поступает в нижнюю часть бака. Циркуляция натрия в баке и активной зоне осуществляется главным циркуляционным насосом (ГЦН-1). Первый контур образован тремя включенными параллельно циркуляционными насосами и шестью промежуточными теплообменниками. Одной из замечательных особенностей натрия как теплоносителя является высокая температура кипения при атмосферном давлении (р = 0,1013 МПа, Т_s = 883 ^°C), поэтому для получения высоких температур в контуре не требуются высокие давления. Температура натрия на входе в АЗ T_вх = 354 ^°С, а на выходе T_вых = 547 ^°С.

Второй контур также имеет три параллельные петли, каждая из которых включает в себя два промежуточных теплообменника (ПТО), модульный парогенератор (ПГ), буферную емкость, циркуляционный насос второго контура (ГЦН-2). Давление натрия во втором контуре выбрано несколько выше, чем в первом, благодаря чему исключается попадание во второй контур радиоактивного натрия при разуплотнении промежуточного теплообменника.

Третий контур состоит из 2 секций модульного парогенератора (ПГ): испарителя и пароперегревателя, промежуточного перегревателя (ПП) и одной турбоустановки.

Натрий второго контура, нагретый в ПТО данной петли до температуры 505 ^°С, поступает в модульный ПГ, где генерирует и перегревает пар. Промежуточный перегрев пара, отработавшего в цилиндре среднего давления (ЦСД) турбины, выполняемый в БН-600 теплоносителем (натрием), в БН-800 заменен паром из отборов турбины. Здесь подвод тепла к нагреваемому пару происходит при конденсации «отборного» пара из цилиндра высокого давления (ЦВД), что позволяет выполнить аппарат компактным, с низкими давлением и температурой обменивающихся теплом сред. Стоит отметить, что ЦВД и ЦСД собраны в одном корпусе, что является характерной особенностью БН-800.

Затем пар производит работу в цилиндре низкого давления (ЦНД), поступает в конденсатор (К) и конденсируется. Паротурбинный контур замыкает система регенеративного подогрева конденсата и питательной воды. Питательная вода при температуре 211 ^°С поступает в парогенератор.

Для работы в моноблоке с РУ на быстрых нейтронах БН-800 на перегретом паре с тепловым циклом с промежуточным одноступенчатым перегревом пара выбрана паровая конденсационная турбина типа К-800-130/3000.

Технические характеристики турбоустановки К-800-130/3000 [8]:

·                   Начальное давление пара, 12,8 МПа

·                   Начальная температура пара, 485 С

·                   Длина РЛ (рабочих лопаток) последних ступеней ЦНД, 1200 мм

Конструктивная схема турбины: ЦВД + 3 ЦНД, то есть один цилиндр высокого давления и три цилиндра низкого давления. Структура системы регенерации: 4 подогревателя низкого давления + деаэратор + 2 подогревателя высокого давления.

Отличительные особенности тепловой схемы, по сравнению с типовой схемой, принятой для турбоустановок К-1000-60/3000 для АЭС с ВВЭР-1000:

·                   применение в качестве греющего пара СПП отборного пара из ЦВД вместо свежего;

·                   применение двух ПНД смешивающего типа №2 и №3, а не одного №2. Такое решение применено ЛМЗ в схемах турбоустановок для АЭС впервые и не имеет аналогов в мировой практике.

Для производства электроэнергии в РУ БН-800 применяется цикл перегретого пара с промежуточным перегревом, представленный на рисунке 2. Значения теплофизических параметров в различных точках цикла представлены в таблице 2.

Рисунок 2. Цикл паротурбинной установки для реактора БН-800

Таблица 2. Значения теплофизических параметров пара в различных точках цикла

Термический КПД без регенерации:

Термический КПД при идеальной регенерации:

Термический КПД для цикла c семью отборами пара:

КПД брутто определим по формуле:

где   – КПД электрогенератора;

        – механические потери на подшипниках турбины (механический КПД турбины);

        = 0.87 – внутренний относительный КПД турбины;

        = 0.98 – коэффициент использования тепла, учитывающий потери тепла в окружающую среду в энергетическом оборудовании.

Тепловую мощность АЗ реактора рассчитаем по формуле:

где  – электрическая мощность АЭС.

Объем активной зоны определим таким образом, чтобы среднее удельное тепловыделение не превышало заданного значения:

  450

Объём АЗ рассчитаем по формуле:

Выберем высоту АЗ:

Тогда радиус АЗ будет равен:

Экстраполированная высота активной зоны:

где  = 0.2 м – эффективная добавка по высоте АЗ. [6]

Площадь торца ТВС:

 м²

Число ТВС в активной зоне:

Расчет гидравлических параметров ТВС

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

Площадь проходного сечения теплоносителя через ТВС:

Длина смоченного периметра ТВС:

где  – длина стороны правильного шестиугольника.

Гидравлический диаметр ТВС:

.

Коэффициент неравномерности по высоте:

==1.12

Коэффициент неравномерности по радиусу для данных типов реакторов принимается по прототипу БН-800 K_r=1.25

Средняя тепловая мощность ТВС:

Тепловая мощность центральной ТВС:

Тогда тепловая мощность ТВЭЛ центральной ТВС будет равна:

Расход теплоносителя через ТВС:

Расход теплоносителя через АЗ:

Скорость теплоносителя через АЗ:

Расчет коэффициента теплоотдачи

Таблица 3 – Теплофизические параметры Na при t=450,5 ⁰C* [7]

*-средняя температура натрия в АЗ

Для расчета коэффициента теплоотдачи при продольном обтекании потоком жидкого металла пучка стержневых ТВЭЛов можно воспользоваться соотношением [3]:

Эта формула справедлива при  и  и удовлетворяет нашим условиям.

Определим число Пекле:

Где w_аз – скорость теплоносителя через АЗ, d_г – гидравлический диаметр, a – температуропроводность

Следовательно, коэффициент теплоотдачи:

K_r= 1,25

K_z=1,244

Максимальная линейная нагрузка в ТВЭЛе:

Аксиальное распределение линейной нагрузки в центральном ТВЭЛе имеет вид:

Распределение плотности теплового потока в центральном ТВЭЛе

В центре АЗ , а на ее границе .

Распределение температуры теплоносителя по высоте активной зоны в центральном канале

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

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

В качестве конструкционных материалов для оболочки ТВЭЛов выбрана сталь 12Х12МВФБР, обеспечивающая стабильность рабочих характеристик в течение длительного времени эксплуатации и обладающая повышенным сопротивлением разрушению. Химический состав стали представлен в таблице 4.

Таблица 4. Химический состав стали 12Х12МВФБР в объемных % [2]

Коэффициент теплопроводности стальной оболочки при температуре  равен 25 Вт/(м·К) [2].

Термическое сопротивление оболочки рассчитаем по формуле:

Распределение температуры внутренней поверхности оболочки имеет вид:

Максимальная температура оболочки достигает   и не превышает предельно допустимых температур для стали  [9].

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 δ_к=0.1мм и заполнен гелием (λ_He=0.438  при температуре 700^ᵒС [2]).

Термическое сопротивление контактного слоя:

Коэффициент теплопроводности топлива равен:

P_пор=10%

λ_топл =3 

 λ_топл((1-P_пор)/(1+0.5P_пор) = 3

Термическое сопротивление топлива рассчитаем по формуле:

Распределение температуры топливной композиции по высоте активной зоны

Максимальная температура топлива достигает значения  которое не превышает предельно  допустимой температуры  [2].

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

ΔP

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 ) [3]:

Определим параметр ξ_тр [7]:

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

ξ_тр=0.901

Суммарный коэффициент местных сопротивлений:                         

Σ_сопр = 6.7

Гидравлическое сопротивление активной зоны:

Можем рассчитать перепад давления:

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

где  = 863 кг/м³.

В ходе теплофизического расчета было получено значение КПД проектируемой установки: %, а также рассчитаны распределения температур теплоносителя, оболочки и топлива  по высоте активной зоны. Было показано, что максимальные значения этих температур не превышают своих предельно допустимых значений, следовательно, выбранные параметры ТВЭЛов и ТВС можно использовать для дальнейших расчетов.

Список используемых источников:

1.                  Матвеев В.И., Хомяков Ю. С. Техническая физика быстрых реакторов с натриевым теплоносителем: учебное пособие для вузов; под ред. Рачкова В. И. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 348 с.

2.                  Кириллов П. Л., Терентьева М. И., Денискина Н. Б. Теплофизические свойства материалов ядерной техники: учебное пособие для студентов специальностей: Ядерные реакторы и энергетические установки, Атомные электрические станции и установки; под ред. проф. П.Л. Кириллова; 2-е издание., перераб. и доп. – М.: ИздАт, 2007 – 200 с.

3.                  Деев В. И. Теплообмен в ЯЭУ: учебное пособие; под ред. проф. В. И. Деева. – М.: МИФИ, 2010 – 187 c.