Обґрунтування надійності тепловідводу від металу вигородки РУ типу ВВЕР-1000 при деградації її геометрії
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Філонова Ю.С. Обґрунтування надійності тепловідводу від металу вигородки РУ типу ВВЕР-1000 при деградації її геометрії. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії за спеціальністю 143 – Атомна енергетика. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу деградації геометрії вигородки внутрішньокорпусної на зміну умов охолодження внутрішньокорпусних пристроїв реактору типу ВВЕР-1000.
У вступі обґрунтовано вибір теми досліджень, сформульовані мета і задачі дослідження, визначено методи дослідження, висвітлено зв'язок з науково-дослідними програмами та роботами, а також наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, охарактеризовано особистий внесок автора, приведені відомості про апробацію результатів дисертації, її структуру та обсяг.
У першому розділі проведено огляд наявних досліджень, пов’язаних з тематикою дисертації. Проаналізовано першопричини і особливості процесів деградації металу внутрішньокорпусних пристроїв (ВКП), а також найбільш імовірні зміни відносно проєктної геометрії – вичерпання зазорів між вигородкою і шахтою, а також поява не передбачених проєктом РУ ВВЕР-1000 радіальних перетоків через розкриття кілець вигородки. Проведено порівняльний аналіз прогнозованих моментів вичерпання проєктних зазорів, що показує нагальну необхідність обґрунтування можливості подальшої експлуатації енергоблоків при наявності контакту. Зроблено огляд можливостей та досвіду проведення експериментальних досліджень і вимірювання реальної геометрії вигородки після довготривалої експлуатації. Показано наявні обмеження, пов’язані із можливістю проведення вимірювань тільки в «холодному» стані, та зроблено висновок щодо потреби в розробці надійних розрахункових моделей для прогнозування зміни
геометрії вигородки з урахуванням миттєвих параметрів радіаційних енерговиділень та температурного стану. Проведено детальний огляд досвіду моделювання температурного поля та радіаційних енерговиділень в елементах ВКП для подальшого аналізу деградації геометрії. З’ясовано невизначеності, наявні в існуючих підходах, та зроблено висновок щодо відсутності досліджень впливу наявності контакту між вигородкою та шахтою внутрішньокорпусними і розкриття кілець вигородки на зміну умов охолодження елементів ВКП і на подальшу динаміку формозміни, що є визначальним фактором при переоцінці можливості продовження строку експлуатації енергоблоків України. На основі літературного огляду сформульовано мету, завдання, предмет і об’єкт дослідження.
Другий розділ присвячений дослідженню зміни умов охолодження вигородки при деградації її геометрії, а саме її контакті із шахтою внутрішньокорпусною та розкритті кілець вигородки і як наслідок – появі не передбачених проєктом радіальних перетоків теплоносія з активної зони реактору.
Запропоновано методологію вирішення задачі дослідження зміни умов охолодження ВКП, що базується на поступовому аналізі. З метою проведення зазначеного аналізу розроблено універсальну (з точки зору конфігурування та задання граничних умов) розрахункову тривимірну CFD модель охолодження вигородки. Із використанням розробленої моделі проведено серію розрахунків для різних паливних кампаній енергоблоку АЕС України та обґрунтовано вибір представницької кампанії для подальшого аналізу деградації геометрії. Обґрунтовано вибір п’ятикільцевої моделі вигородки та отримано розрахункове температурне поле для проєктної геометрії ВКП, що використано для подальшого аналізу.
З метою дослідження зміни умов охолодження вигородки за наявності її контакту із шахтою запропоновано підхід із розглядом різних можливих конфігурацій контакту. В рамках аналізу розглянуто 8 варіантів контакту, серед яких – проєктна геометрія, шість прогнозованих станів (від цілком гіпотетичного повного контакту до більш реалізованих варіантів перекриття кільцевого зазору за рахунок контакту нижнього/верхнього буртів і їх комбінацій, а також на рівні
буртів, що відповідають найбільш енергонавантаженим перерізам вигородки), восьмий – реалістичний на основі попередньої оцінки на міцність для представницької кампанії. На основі розробленого підходу якомога повно проаналізовано всі імовірні стани ВКП при наявності контакту та з’ясовано його вплив на зміну температурного стану основних конструкційних елементів ВКП (вигородки, шахти, шпильок та різьбових тяг). Проведено порівняльну оцінку радіаційного розпухання на основі аналізу цільових функцій радіаційної повзучості – еквівалентних напружень, об'ємних деформацій розпухання та еквівалентних деформацій повзучості.
Досліджено вплив наявності розкриття кілець вигородки і появи радіальних перетоків на зміну умов охолодження ВКП. Проведено оцінку інтенсивності радіальних перетоків за допомогою аналітичної оцінки, та із застосуванням розробленої CFD – моделі, що дозволяє врахування наявності розкриття. Отримано можливу максимальну межу величини інтенсивності байпасу з активної зони до кільцевого каналу і каналів охолодження вигородки та проаналізовано його вплив на температурний стан вигородки. З’ясовано наявність появи зворотніх звязків типу «розкриття – локальна інтенсифікація охолодження – зменшення інтенсивності подальшого розкриття» та зроблено висновок щодо необхідності використання зв’язаного підходу з урахуванням взаємного впливу трьох фізик – нейтронно-фізичному, теплогідравлічному розрахунках та розрахунку міцності.
В третьому розділі представлено опис ключових складових частин нейтронно-фізичного модулю, який є частиною мультифізичного коду для аналізу впливу деградації геометрії вигородки на зміну умов її охолодження. Розроблений модуль складається з трьох основних частин до яких відносяться: інженерний аналіз паливних завантажень енергоблоку, безпосередньо модель транспорту нейтронів та гамма-квантів і параметричний аналіз. Гнучка система налаштувань дозволяє конфігурувати модуль в залежності від типу аналізу, що дає можливість проводити консервативні та реалістичні оцінки з урахуванням можливих радіальних перетоків теплоносія за межі активної зони. Побудована транспортна модель випромінювання, що базується на використанні коду Монте-Карло
MCNPX, та дозволяє задання нерівномірності температури та матеріального складу. За допомогою транспортної моделі а також розробленої підпрограми постобробки реалізовано синтез тривимірних (r--z) миттєвих та накопичених характеристик випромінення, які можуть передаватися в теплогідравлічний модуль та модуль розрахунків на міцність.
З метою економії розрахункових ресурсів, що є вкрай важливим при аналізі зв’язаних процесів, передбачена підпрограма генерації набору даних для оцінки впливу деградації геометрії вигородки на функціонали випромінення в металі вигородки. Для цього оцінені фактори зміни енерговиділення в основних елементах ВКП, які залежать від локальної температури теплоносія та металу (зв'язок з теплогідравлічним модулем), а також від співвідношення метал – вода (модуль розрахунків на міцність).
Четвертий розділ присвячено розробці комплексної зв’язаної мультифізичної процедури оцінки зміни умов охолодження елементів ВКП при деградації їх геометрії з урахуванням наявності зворотніх зв’язків типу «розкриття кілець вигородки – поява радіальних перетоків – локальна зміна умов охолодження металу вигородки – зміна інтенсивності розкриття». Запропоновано концепцію спряження блоків, що відповідають оцінкам трьох фізичних складових проблеми розпухання – нейтронно-фізичного модулю, теплогідравлічного аналізу та модулю оцінки міцності. Модифіковано та раціоналізовано модуль теплогідравлічного аналізу, та, відповідно, розділено його на три складові (субмоделі) – одновимірну теплогідравлічну модель байпасу активної зони, твердотільну модель основних елементів ВКП, та модифіковану CFD–модель активної зони. Наведено опис кожної складової модулю теплогідравлічного аналізу та розроблено ефективні інтерфейси спряження окремих модулів.
Застосовуючи розроблену мультифізичну процедуру спряженого аналізу зміни умов охолодження ВКП проведено розрахунковий аналіз деградації геометрії вигородки з урахуванням зворотніх зв’язків, пов’язаних з локальним впливом наявності радіальних перетоків на умови охолодження вигородки. В результаті оцінки уточнено значення розкриття кілець на момент 60-ї кампанії, що були
отримані в Розділі 2 в рамках виконання послідовного аналізу. Отримані величини зазорів між кільцями мають менші значення, які в середньому на 22% нижчі за результати консервативного послідовного аналізу.
Наукова новизна отриманих результатів. В роботі вперше:
- Створені комплексні теплогідравлічні та нейтронно-фізичні підходи для оцінки впливу на надійність тепловідводу від вигородки ВВЕР-1000 її непроєктної зміни геометрії внаслідок радіаційного розпухання металу.
- Для вирішення температурної складової задачі побудовані спеціальні розрахункові моделі, які базуються на методах обчислювальної гідродинаміки, що дозволяють враховувати просторові особливості протікання теплоносія та процесів теплообміну в елементах внутрішньокорпусних приладів ВВЕР-1000 враховуючи локальний стан активної зони.
- Створено та застосовано методологію вирішення контактної задачі ВКП, що базується як на поступовому, так і на зв’язаному мультифізичному аналізі міцності (отриманні параметричних функцій радіаційного розпухання, формозміни ВКП), нейтронно-фізичних розрахунках і теплогідравлічному аналізі охолодження елементів ВКП починаючи від проєктної геометрії і закінчуючи розрахованою формозміненою.
- Проаналізовано ймовірні конфігурації (як гіпотетичні, так і реально передбачувані) контакту вигородки із шахтою внутрішньокорпусною (який не передбачено проєктом), що дозволило виявити можливі межі порушення умов омивання/охолодження ВКП в рамках послідовного підходу.
- Створено напіваналітичні методи щодо визначення впливу не передбачених проєктом радіальних перетоків в рамках послідовного аналізу процесів деградації, що дало змогу оцінити консервативні межі значень інтенсивності перетоків та їх вплив на зміну умов охолодження вигородки.
- На основі оригінального зв’язаного міждисциплінарного підходу, який враховує особливості радіаційних енерговиділень, що формалізовані у вигляді параметричних функцій та власних методів одновимірної теплогідравліки з
аналітично отриманою функцією температурного поля теплоносія на елементарній ділянці інтегрування, був запропонований спосіб визначення усталеного (рівноважного) розкриття кілець. При цьому враховані особливості зміни геометрії за рахунок розпухання та температурного розширення з урахуванням наявності кріпильних елементів у вигляді міжкільцевих шпильок.
- Виявлено основний механізм зворотного зв’язку у вигляді взаємного впливу типу «деградація геометрії ВКП – розкриття кінець – поява радіальних перетоків з активної зони – зміна умов охолодження вигородки – зменшення інтенсивності розкриття кілець»
Розроблені підходи та моделі можуть бути застосовані для робіт із оцінки, обґрунтування і перепризначення термінів експлуатації енергоблоків України з реакторами ВВЕР-1000, які підходять до межі строку продовження терміну експлуатації, або, особливо, його перепризначення. Також, базуючись на розроблених підходах, є можливість аналізу впливу зміни умов охолодження ВКП на реакторну установку в цілому, шляхом модифікації розрахункових теплогідравлічних моделей РУ ВВЕР-1000 в RELAP5 з використанням досвіду розробленої в дисертації одновимірної схеми байпасу.
Опис
Ключові слова
вигородка, активна зона, ВВЕР-1000, безпечна експлуатація, деградація геометрії, температура, тепломасообмін, радіаційні енерговиділення, CFD, пористе середовище, теплогідравлічний розрахунок, сили тертя, підйомна сила, рівняння руху, чисельний експеримент, аналітичний розв’язок, параметрична функція, число Нуссельта, core baffle, reactor core, VVER-1000, safe operation, geometry degradation, temperature, heat and mass transfer, radiation energy release, CFD, porous body, thermal hydraulic calculation, friction forces, buoyancy, equation of motion, numerical experiment, analytical solution, parametric function, Nusselt number
Бібліографічний опис
Філонова, Ю. С. Обґрунтування надійності тепловідводу від металу вигородки РУ типу ВВЕР-1000 при деградації її геометрії : дис. … д-ра філософії : 143 – Атомна енергетика / Філонова Юлія Сергіївна. – Київ, 2023. – 164 с.