Дослідження теплопередачі в моделях тепловидільних пучків і систем пасивного тепловідведення для підсилення бар’єрів безпеки в атомній енергетиці
| dc.contributor.advisor | Письменний, Є. М. | |
| dc.contributor.department | Кафедра атомних електричних станцій і інженерної теплофізики | uk |
| dc.contributor.faculty | Теплоенергетичний факультет | uk |
| dc.contributor.researchgrantor | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.date.accessioned | 2020-04-01T17:24:54Z | |
| dc.date.available | 2020-04-01T17:24:54Z | |
| dc.date.issued | 2018 | |
| dc.description.abstracten | Statement and performance of the research under consideration are substantiated by: (1) vital necessity of support and strengthening of safety barriers in nuclear power engineering by passive methods heat removal; (2) availability of vaporization-and-condensation type (VCT) systems creation for heat removal and thermal shielding; (3) significant limitation of the noted R&D and absence of its implementation in nuclear power technologies; (4) extremely insufficient experimental data base as to core temperature mode in the SCW reactors of a new generation resulting in absence of reliable empirical correlations for prediction of allowable, i.e., core safe thermal loads to provide higher thermal efficiency of power units and thus to decrease specific capital investments into NPP construction. New approach to estimation heat transfer in fuel rods by using their experimental thermohydraulic characteristics was developed. CFD modeling (analytical and differential procedures of 3-D computational hydrodynamics) of thermohydraulic phenomena consisted in testing of FLUENT, DNS, and TEMPA-SC computational codes, k-ε model modification that gave the possibility to obtain the information on internal reasons of heat transfer under supercritical pressure of water SCW). The results of CFD confirmed adequacy of the physical concept of deteriorated heat transfer (DHT) under certain SCW parameters in heated channels due to thermal acceleration of flow causing its laminarization and thermal resistance increasing in near-wall layer. Experimental investigation of DHT modes in tubes, annuli, and simulator of 3-rod fuel assembly revealed that despite widespread conclusion on impossibility of such modes under downward flow of coolant (and, in particular, of SCW) under certain conditions they take place in such cases but under higher thermal load of a channel. Another important conclusion consists in that DHT is dangerous, first of all, not by so high absolute level of wall temperature, as its strong dependence upon even insignificant change in operating conditions. For iterative prediction of the temperature mode in tubes, annuli, and simulator of 3-rod fuel assembly under up- and downward flow of SCW the system of two correlations was derived. The relationship determining heat flux qb, exceeding of which leads to DHT in the said channels, was obtained. Basing on the investigated regularities of thermophysical factors’ impact on a heat transferring ability of a medium the correlations determining the main heat engineering properties of the VCT systems of passive heat removal were deduced. The general rules and principles of thermal calculations related to relevant thermal designs of such systems are defined. The relationships for prediction of an optimal ratio of zones’ length corresponding to the minimal thermal resistance of heat exchanging system to heat transfer are obtained. The performed investigations of heat engineering properties of the model samples of elongated VCT heat conductors enabled to find their high heat transferring ability, steady and reliable operation, as well as compliance of their ability with thermal load for the systems of heat removal and thermal shielding that could be created on the basis of similar heat transferring elements (HTE) of fire thermal mode revealed that fire durability limit of metal structures with approximately 5-mm fire-protection coating and shielded with VCT THE exceeded 1 hr, while without VCT THE it was about 15 min. Specific technological solutions providing efficiency and reliability of VCT passive heattransferring system operation are developed. Original schemes and designs of VCT passive heattransferring systems to maintain integrity of the barriers of nuclear reactor safety, to provide storage of depleted fuel, and to provide thermal shielding of building metal structures of power-supplying facilities under extreme conditions developed and protected by the patents of Ukraine. | uk |
| dc.description.abstractru | Постановка и проведение данной работы обусловлены: 1) насущной необходимостью поддержания и усиления барьеров безопасности в атомной энергетике пассивными методами теплоотвода; 2) перспективностью создания пассивных систем испарительно-конденсационного типа (ИКТ) для теплоотвода и тепловой защиты; 3) значительной ограниченностью указанных исследований и разработок и отсутствием их практического применения в ядерных энерготехнологиях; 4) крайне недостаточной базой экспериментальных данных по температурным режимам в активной зоне реакторов нового поколения со сверхкритическими параметрами теплоносителя (СКД) и, как следствие, отсутствием надежных эмпирических зависимостей для расчета допустимых, то есть безопасных тепловых нагрузок активной зоны, что позволило бы максимально повысить коэффициент полезного действия энергоблоков и, таким образом, уменьшить удельные капиталовложения для строительства АЭС. Разработана новая методика расчета теплопередачи в тепловыделяющих элементах (твэлах) на основе их экспериментальных теплогидравлических характеристик. CFDмоделирование (аналитические и дифференциальные процедуры трехмерной вычислительной гидродинамики) теплогидравлических процессов осуществлялось с использованием метода DNS (непосредственное численное моделирование) как результат тестирования вычислительных кодов FLUENT, DNS, TEMPA-SC, модификации k-e-модели, который дал возможность получить информацию о внутренних причинах особенностей теплообмена при СКД. Результаты CFD моделирования подтвердили адекватность физической концепции возникновения ухудшенной теплоотдачи (УТО) при определенных параметрах воды СКД в обогревательных каналах вследствие термического ускорения потока, которое приводит к его ламинаризации и росту термического сопротивления в пристеночном слое. Экспериментальное исследование режимов УТО в трубах, кольцевых каналах и имитаторе 3-стержневой тепловыделяющей сборки (ТВС) показало, что, вопреки распространенному выводу о невозможности таких режимов при опускном движении теплоносителя (и воды при сверхкритическом давлении, в частности), они при определенных условиях, имеют место и в этом случае, но при большей тепловой нагрузке канала. Другой важный вывод заключается в том, что УТО опасна, прежде всего, не столько высоким абсолютным уровнем температуры стенки, сколько ее большой зависимостью от даже незначительного изменения режимных параметров. Для итерационного расчета температурного режима в трубах, кольцевых каналах и в имитаторе 3-стержневой ТВС при подъемном и опускном движении воды СКД разработана система из двух корреляционных уравнений. Разработана зависимость для расчета плотности теплового потока qb, выше которой наступает ухудшение теплоотдачи в трубах, в кольцевых каналах и в имитаторе 3-стержневой ТВС. На основе исследований закономерностей влияния теплофизических факторов на теплопередающую способность получены зависимости для определения основных теплотехнических характеристик систем пассивного теплоотвода ВКТ. Сформулированы основные положения и принципы тепловых расчетов в соответствии с характерными тепловыми схемами таких систем. Получены зависимости для определения оптимального соотношения длин зон, при котором теплообменная система имеет минимальное термическое сопротивление теплопередачи. На основе выполненных исследований теплотехнических характеристик модельных образцов длинномерных теплопроводов испарительноконденсационного типа установлены их высокая теплопередающая способность, устойчивая и надежная работа, а также соответствие их теплопередающей способности уровню тепловых нагрузок для систем теплоотвода и тепловой защиты, которые могут быть созданы на базе подобных теплопередающих элементов. Огневые исследования теплотехнических характеристик модельных образцов теплопередающих элементов (ТЭ) ИКТ в условиях температурного режима пожара показали, что предел огнестойкости теплопередающих элементов ИКТ с огнезащитным покрытием толщиной примерно 5 мм, металлоконструкций с таким же покрытием и оснащенных ТЭ ИКТ превысила 1 час, тогда как для металлических конструкций с таким же покрытием той же толщины, но без ТЭ, предел огнестойкости составил около 15 минут. Разработаны специфичные технологические решения по обеспечению эффективности и надежности функционирования пассивных систем теплопередачи ИКТ. Разработаны оригинальные схемно-конструктивные решения пассивных систем теплопередачи ИКТ для поддержания целостности барьеров безопасности ядерных реакторов, для безопасного хранения отработанного ядерного топлива в хранилищах, а также для тепловой защиты строительных металлоконструкций энергообъектов в экстремальных условиях, которые защищены патентами Украины. | uk |
| dc.description.abstractuk | Постановка і проведення даної роботи обумовлені: 1) нагальною необхідністю підтримання і підсилення бар'єрів безпеки в атомній енергетиці пасивними методами тепловідведення; 2) перспективністю створення пасивних систем випаровувальноконденсаційного типу (ВКТ) для тепловідведення і теплового захисту; 3) значною обмеженістю зазначених досліджень та розробок і відсутністю їх практичного застосування в ядерних енерготехнологіях; 4) вкрай недостатньою базою експериментальних даних щодо температурних режимів в активній зоні реакторів нового покоління з надкритичними параметрами теплоносія (НКТ) і, як наслідок, відсутністю надійних емпіричних залежностей для розрахунку припустимих, тобто безпечних теплових навантажень активної зони, що дозволило би максимально підвищити коефіцієнт корисної дії енергоблоків і, таким чином, зменшити питомі капіталовкладення для спорудження АЕС. Розроблено нову методику розрахунку теплопередачі в тепловидільних елементах (твелах) на основі їх експериментальних теплогідравлічних характеристик. CFD-моделювання (аналітичні та диференціальні процедури тривимірної обчислювальної гідродинаміки) теплогідравлічних процесів здійснювалось з використанням методу DNS (безпосереднє числове моделювання) як результат тестування обчислювальних кодів FLUENT, DNS, TEMPA-SC, модифікації k-e-моделі, який дав можливість отримати інформацію про внутрішні причини особливостей теплообміну при НКТ. Результати CFD моделювання підтвердили адекватність фізичної концепції виникнення погіршеної тепловіддачі (ПТВ) при певних параметрах води НКТ в обігрівальних каналах внаслідок термічного прискорення потоку, яке призводить до його ламінаризації і зростання термічного опору в пристінному шарі. Експериментальне дослідження режимів ПТВ в трубах, кільцевих каналах та імітаторі 3-стрижневої тепловидільної збірки (ТВЗ) показало, що, всупереч поширеному висновку про неможливість таких режимів при опускному русі теплоносія (і води при надкритичному тиску, зокрема), вони при певних умовах, мають місце і в цьому випадку, але при більшому тепловому навантаженні каналу. Інший важливий висновок полягає в тому, що ПТВ небезпечна, перш за все, не стільки високим абсолютним рівнем температури стінки, скільки її великою залежністю від навіть незначної зміни режимних параметрів. Для ітераційного розрахунку температурного режиму в трубах, кільцевих каналах та в імітаторі 3-стрижневої ТВЗ при підйомному та опускному русі води НКТ розроблено систему з двох кореляційних рівнянь. Розроблено залежність для розрахунку густини теплового потоку qb, вище якого настає погіршення тепловіддачі в трубах, в кільцевих каналах і в імітаторі 3-стрижневої ТВЗ. На основі досліджень закономірностей впливу теплофізичних факторів на теплопередавальну спроможність отримано залежності для визначення основних теплотехнічних характеристик систем пасивного тепловідведення ВКТ. Сформульовані основні положення і принципи теплових розрахунків відповідно до характерних теплових схем таких систем. Отримано залежності для визначення оптимального співвідношення довжин зон, при якому теплообмінна система має мінімальний термічний опір теплопередачі. На основі виконаних досліджень теплотехнічних характеристик модельних зразків довгомірних теплопроводів випаровувально-конденсаційного типу встановлено їх високу теплопередавальну здатність, сталу і надійну роботу, а також відповідність їх теплопередавальної здатності рівню теплових навантажень для систем тепловідведення та теплового захисту, які можуть бути створені на базі подібних теплопередавальних елементів. Вогневі дослідження теплотехнічних характеристик модельних зразків теплопередавальних елементів (ТЕ) ВКТ в умовах температурного режиму пожежі показали, що межа вогнестійкості теплопередавальних елементів ВКТ з вогнезахисним покриттям товщиною приблизно 5 мм, металоконструкцій з таким же покриттям і споряджених ТЕ ВКТ перевищила 1 годину, тоді як для металевих конструкцій з таким же покриттям тієї ж товщини, але без спорядження їх ТЕ, межа вогнестійкості склала близько 15 хвилин. Розроблено специфічні технологічні рішення щодо забезпечення ефективності та надійності функціонування пасивних систем теплопередачі ВКТ. Розроблено оригінальні схемно-конструктивні рішення пасивних систем теплопередачі ВКТ для підтримання цілісності бар’єрів безпеки ядерних реакторів, для безпечного зберігання відпрацьованого ядерного палива в сховищах, а також для теплового захисту будівельних металоконструкцій енергооб’єктів в екстремальних умовах, які захищені патентами України. | uk |
| dc.format.page | 11 с. | uk |
| dc.identifier.govdoc | 0216U004806 | |
| dc.identifier.other | 2902 | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/32602 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | процеси теплопередачі | uk |
| dc.subject | системи пасивного тепловідведення | uk |
| dc.subject | бар’єри безпеки | uk |
| dc.title | Дослідження теплопередачі в моделях тепловидільних пучків і систем пасивного тепловідведення для підсилення бар’єрів безпеки в атомній енергетиці | uk |
| dc.title.alternative | Investigation of heat transfer in the simulators of fuel bundles and passive heat-removal systems for strengthening of safety barriers in nuclear power engineering | uk |
| dc.title.alternative | Исследование теплопередачи в моделях тепловыделяющих пучков и систем пассивного теплоотвода для усиления барьеров безопасности в атомной энергетике | uk |
| dc.type | Technical Report | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- 2018_2902.pdf
- Розмір:
- 318.94 KB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.06 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: