Параметры протекания гелия в поглощающих элементах реакторов ВВЭР

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Ядерная техника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 039. 531
В. В. Светухин, А. С. Кадочкин, В. Д. Рисованный
ПАРАМЕТРЫ ПРОТЕКАНИЯ ГЕЛИЯ В ПОГЛОЩАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТАХ РЕАКТОРОВ ВВЭР
Построена теоретическая модель, описывающая протекание гелия через порошок карбида бора в поглощающем элементе атомного реактора. При помощи разработанной модели на основании экспериментальных данных исследован характер протекания гелия и определен коэффициент проницаемости порошка карбида бора в отсутсвие выгорания и после эксплуатации.
Введение
Карбид бора имеет уникальные свойства: высокую эффективность поглощения нейтронов, химическую стабильность, высокую температуру плавления, низкую плотность и низкую стоимость, что обусловило широкое его использование в стержнях системы управления и защиты ядерных реакторов различного типа. Порошок карбида бора естественного изотопного состава применяют в качестве поглощающего материала в поглощающих сборках реакторов ВВЭР-1000. Его поведение при облучении в решающей степени определяет работоспособность поглощающих элементов и их ресурс.
Органы защиты и регулирования должны сохранять в заданных пределах эффективность поглощения нейтронов, целостность и форму для свободного перемещения в направляющих каналах и гильзах. Недопустимы разрушение, деформация и заклинивание органов регулирования в направляющих каналах, что может явиться следствием распухания поглотителя под воздействием реакторного облучения, взаимодействия его с теплоносителем, избыточного газового давления, перегрева и т. п., поэтому одним из факторов, ограничивающих работоспособность поглощающих элементов на основе виб-роуплотненного порошка карбида бора, является повышенное газовое давление под оболочкой вследствие интенсивного выделения гелия из частиц порошка в результате реакций (п, а) на изотопе 10 В. При больших сроках службы пэла оно может создавать существенные напряжения в оболочке и при определенных условиях может превысить критическое значение, определяемое прочностью оболочки и внешним давлением со стороны теплоносителя. До недавнего времени отсутствовала методика расчета распределения давления гелия под оболочкой пэлов как в номинальных, так и в аварийных режимах эксплуатации.
Основной задачей моделирования работы поглощающего элемента в реакторе является адекватное описание его состояния в различные моменты эксплуатации в различных условиях и, исходя из этого, оценка ресурсных возможностей существующих и разрабатываемых конструкций. Одной из актуальных задач, которую необходимо решить при создании математической модели поглощающего элемента, является нахождение распределения давления вышедшего под оболочку гелия, образовавшегося в процессе поглощения нейтронов, и изменение его в процессе облучения. Для решения данной задачи необходимо определить механизм просачивания гелия через порошок карбида бора, а также физические параметры, характеризующие этот процесс при различных значениях выгорания.
Описание эксперимента
Для определения параметров протекания газа через порошок карбида бора в отсутствие выгорания был проведен модельный эксперимент, экспериментальная установка представляла собой два баллона с манометрами, соединенных между собой трубкой с виброуплотненным порошком карбида бора. Между первым баллоном и трубкой был расположен отсечной вентиль. Трубка, моделирующая пэл, заполнена порошком карбида бора с известной насыпной плотностью. Для предотвращения попадания частиц порошка в баллоны трубка с обоих концов порошковой засыпки снабжена разделителями из никелевой сетки с очень большой газопроницаемостью, размер которых много меньше длины трубки.
Воздух из баллонов и трубки с порошком откачивался с помощью форвакуумного насоса, затем баллоны заполнялись техническим гелием до различных давлений при закрытом вентиле, после чего вентиль открывался, и регистрировалась зависимость изменения давления в баллонах от времени.
К настоящему времени выполнен также большой цикл работ по исследованию поглощающих элементов с порошком карбида бора ПС СУЗ реакторов ВВЭР-1000, отработавших различное время на Калининской и Балаков-ской АЭС (таблица 1). Накопленный опыт исследований отработавших в реакторах ПС СУЗ позволяет выявить основные физические процессы, происходящие в поглощающих элементах при их эксплуатации.
Таблица1
Основные характеристики исследованных пэлов
Характеристика пэла Пэл А З Пэл АР
и режим эксплуатации Калининской АЭС Балаковской АЭС
Время облучения в реакторе:
календ. сут. 2464 680
эффект. сут. 1804 551
Для определения параметров протекания гелия через порошок карбида бора при наличии выгорания был проведен ряд экспериментов с отработавшими определенное время поглощающими элементами. Исследование параметров просачивания гелия через порошок карбида бора производилось путем прокалывания оболочки поглощающего элемента. Давление гелия и объем газосборника определяли манометрическим методом прокола оболочки в месте расположения газосборника пучком лазера с помощью стандартной методики. В момент прокола оболочки скачкообразно выделялось некоторое количество газа, а затем по мере выдержки гелий, просачиваясь через порошковый сердечник, постепенно выходил в измерительную систему, причем скорость натекания уменьшалась с течением времени. Измерения объема выделившегося при проколе оболочки гелия проводили для двух пэлов, работавших в режиме аварийной защиты (АЗ) и трех пэлов, работавших в режиме автоматического регулирования (АР).
Основные уравнения
Для описания просачивания газа через пористую среду применяется уравнение фильтрации Дарси, записываемое в одномерном случае в виде
дх _ п дх дг
д К др др ^----------^ = ф^
Эр дг,
(1)
где р и р — плотность и давление газа соответственно- п — вязкость газа- ф -пористость порошка- К — проницаемость порошка- у (х, г) — газовыделение в единице объема в единицу времени.
В условиях рассматриваемого эксперимента выделение газа у (х, г) равно нулю, кроме того, нами полагалось, что течение газа по трубке является вязким без скольжения, т. е Ь = 0. В этом случае уравнение (1) упрощается и принимает вид
где, а = К/ф п.
Начальное условие имеет вид р (х, 0) = ро, граничные условия определяются геометрией задачи и в случае модельного эксперимента по прохождению гелия через трубку с порошком карбида бора записываются как
что отражает тот факт, что массовый расход газа через границу баллон-трубка зависит от объема баллона и от давления в нем.
При моделировании эксперимента по проколу пэла после эксплуатации использовались граничные условия другого вида. Первое граничное условие др
-(0, г) = 0, что означает отсутствие течения у нижнего конца пэла, а второе дх
граничное условие определялось из условия сохранения массы газа в замкнутом объеме:
где S — площадь поперечного сечения сердечника- Ь — длина порошкового сердечника- У0 и ^ - объемы измерительной системы и газосборника пэла. В данном эксперименте использовались следующие значения этих величин: 5 = 0,38 см², Ь = 370 см, У0 = 140,23 см³.
Объем вышедшего газа при нормальных условиях У (г) определяли с помощью соотношения
(2)
(3)
Ь
ф5 |р (х)йх + р (Ь, г) = р0(ф5Ь + У§), 0
(4)
р (Ь, г)(у0 + у§) = ржшу (г) т Т0 ,
(5)
где ратм — атмосферное давление, равное 105 Па, Т0 = 273,15 К.
Численный расчет. Обсуждение результатов
Нелинейное дифференциальное уравнение (1) решалось нами численно для обоих типов граничных условий при следующих значениях входящих в
него величин: п = 1,95 -10−5 Па -с, Т = 293 К, ф = 0,305, что соответствует
средней насыпной плотности порошка карбида бора, равной 1,75 г/см3, коэффициент проницаемости гелия определялся методом сравнения расчетных и экспериментальных данных как для эксперимента по проколу пэла, так и для модельного эксперимента по просачиванию гелия через трубки (рис. 1, 2). Путем варьирования величины К добивались минимизации суммы квадратов отклонений расчетных и экспериментальных значений объема вышедшего гелия.
р, атм
г, с
Рис. 1 Зависимость давления в баллонах от времени: сплошные линии соответствуют расчетным данным- кружки — экспериментальные точки
При моделировании эксперимента по прохождению гелия через трубку с порошком карбида бора было получено значение проницаемости
К = (3,50… 7,45) -10−14 м2.
Для пэлов, работающих в режиме аварийной защиты (таблица 2), про-14 2
ницаемость К составляет величину порядка 10 м, для пэлов же, работающих в режиме автоматического регулирования, порядок величины К со-13 2
ставляет 10 м. В связи с этим нужно отметить следующее. С одной стороны, порошок в процессе эксплуатации подвержен спеканию, поэтому проницаемость порошка пэлов, работающих в режиме автоматического регулирования и находящихся в активной зоне реактора, со временем должна
уменьшаться. Пэлы, работающие в режиме аварийной защиты, находятся вне активной зоны реактора, поэтому порошок в них подвержен спеканию в гораздо меньшей степени, и его проницаемость должна меняться значительно слабее. С другой стороны, время работы поглощающих элементов аварийной защиты (таблица 1) в несколько раз превышает время работы поглощающих элементов автоматического регулирования, что позволяет, на наш взгляд, сделать вывод о правдоподобности полученного результата.
Время, с
а)
Время, с б)
Рис. 2 Объем вышедшего газа: а — пэл АР № 18- б — пэл АЗ № 4
Таблица 2
Результаты исследования выхода гелия после прокола оболочки
Характеристика пэла Пэл А З № 4 Пэл А З № 14 Пэл А Р № 4 Пэл А Р № 9 Пэл А Р № 18
Давление гелия в газосборнике до прокола, атм 2,98 2,55 1,84 1,62 1,41
К -1014, м2 3,9 3,5 13,0 25,0 19,5
На рисунках 1 и 2 приведены экспериментальные точки и теоретические кривые для модельного эксперимента и для эксперимента по проколу оболочки пэла. Видно, что экспериментальные и теоретические зависимости совпадают с хорошей точностью.
Таким образом, с помощью уравнения фильтрации Дарси оказалось возможным описать просачивание гелия через порошковый сердечник пэла и определить газопроницаемость сердечника. При помощи численного моделирования с использованием экспериментальных данных нами была определена проницаемость порошка карбида бора при отсутствии выгорания (модельный эксперимент), а также для пэлов, работающих в режиме автоматического регулирования и аварийной защиты. Было показано, что протекание гелия через порошок карбида бора является преимущественно вязким, а ролью других механизмов можно пренебречь. Следует отметить, что значения проницаемости К, полученные при моделировании двух независимых экспериментов, совпадают по порядку величины, что позволяет считать полученные оценки значения проницаемости достаточно надежными.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой