Автореферат (Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыСамой актуальной проблемой современной ядерной энергетики являетсяповышение безопасности. В настоящее время во многих странах возрастаетинтерес к малой распределенной ядерной энергетике. В России этот интереспрежде всего связан с необходимостью освоения отдаленных регионов.

Дляширокого распространения станций малой мощности чрезвычайно важнообеспечить надежную радиационную безопасность в случае возникновенияаварий.Одним из решений, позволяющих принципиально увеличитьбезопасность эксплуатации ядерных реакторов, является использованиетепловыделяющих сборок с микротвэлами (ТВС МТ). Микротвэлыпредставляют собой сферические частицы, состоящие из топливногосердечника и многослойной оболочкой. Микротвэлы обладают высокойтемпературной стойкостью и герметичностью. Использование микротвэловприводит к снижению температуры топлива и, следовательно, уровняаккумулированной энергии.Концепция ТВС МТ для водоохлаждаемого реактора была предложенадостаточно давно.

Такая сборка представляет собой коллекторную систему смикротвэлами, которые размещаются в виде свободной засыпки междуперфорированными стенками коллекторов и непосредственно омываютсятеплоносителем. В России проводились экспериментальные и расчетнотеоретические исследования теплогидравлических и нейтронно-физическихпараметров таких сборок, но, к сожалению, эти исследования не былизавершены.Для обоснования работы реакторных установок с микротвэламинеобходимо проводить экспериментальные и численные исследованиягидродинамики и теплообмена в шаровых засыпках при радиальном течениитеплоносителя в условиях объемного тепловыделения.

В настоящий момент влитературе не представлены экспериментальные данные о теплообмене игидродинамике в коллекторных системах с шаровыми засыпками прирадиальном течении теплоносителя в условиях внутреннего тепловыделения.Решение теплогидравлической задачи при течении в микротвэльной засыпке спеременным сечением и объемном выделении энергии, исследование влиянияраздаточного и сборного коллекторов на гидродинамику и теплообмен неявляется тривиальной задачей.

Поэтому на этапе поиска наилучшихконструктивный решений, численное моделирование, по-видимому, являетсясамым оптимальным методом. Вместе с тем, методы, используемые длячисленного моделирования и получаемые результаты, требуют верификациина экспериментальных данных. Для этого представляется разумнымиспользовать небольшие модельные стенды, позволяющие проводитьэксперименты в достаточно широком диапазоне режимных параметров.3Цели и задачи работыЦельюработыявлялосьтеплофизическоеобоснованиеработоспособности ТВС ядерных реакторов с топливом в виде сферическихмикротвэлов.Для этого необходимо: Провестиэкспериментальноеисследованиегидродинамикиитеплообмена в коллекторных системах с шаровыми засыпками в условияхвнутреннего объемного тепловыделения. Выполнить численное исследование гидродинамики и распределениятемпературы в модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами дляядерной реакторной установки малой мощности.Для достижения поставленных целей необходимо решить следующиезадачи:1.

Проектирование и создание экспериментального стенда и рабочихучастковдля исследованиятеплообменаигидравлическогосопротивления в шаровых засыпках.2. Получение массива экспериментальных данных о гидравлическомсопротивлении перфорированной решетки с шаровой засыпкой.3. Получение массива экспериментальных данных о потерях давления,распределении температуры и коэффициенте теплоотдачи прирадиальном течении теплоносителя через шаровую засыпку с внутреннимтепловыделением.4.

Верификация математической модели для численного исследованиягидродинамики и распределения температуры в коллекторных системах сшаровымизасыпкамивусловияхвнутреннегообъемноготепловыделения.5. Выполнение численного исследования гидродинамики и распределениятемпературы в модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами дляядерной реакторной установки малой мощности. Определение размеровтепловыделяющей сборки с микротвэлами и степени перфорации чехловколлекторов, обеспечивающих требуемое течение и распределениетемпературы.Положения, выносимые на защиту1. Методика экспериментального исследования теплогидравлическихпроцессов в шаровых засыпках.2. Конструкция рабочего участка для исследования теплогидравлическихпроцессов в коллекторных системах с шаровыми засыпками в условияхвнутреннего объемного тепловыделения.3. Опытные данные о потерях давления, распределении температуры икоэффициенте теплоотдачи при радиальном течении теплоносителя черезшаровую засыпку с внутренним объемным тепловыделением.4.

Результаты численного исследования модели тепловыделяющей сборки смикротвэлами для ядерной реакторной установки малой мощности.4Научная новизна работы1. Получены экспериментальные данные, ранее не представленные влитературе, о теплообмене, потерях давления и распределениитемпературы жидкости в коллекторной системе с шаровой засыпкой вусловиях внутреннего объемного тепловыделения.2. Полученыкоэффициентыгидравлическогосопротивленияперфорированной решетки с шаровой засыпкой.3. Предложена схема конструкции тепловыделяющей сборки смикротвэлами для реакторной установки малой мощности и выполненотеплогидравлическое обоснование ее работоспособности методамичисленного моделирования.Достоверность результатов работыДостоверность экспериментальных данных обеспечивается тщательнопроработанной методикой проведения исследований и обработки результатовизмерений, применением надежных измерительных приборов и датчиков,предварительно прошедших тарировку.

Результаты тестовых экспериментовсоответствуют данным, представленным в литературе.Достоверность результатов численного моделирования обеспечиваетсяиспользованием надежных программных пакетов и верифицированныхматематических моделей.Практическая ценностьРезультаты экспериментальных исследований могут быть использованыпри разработке расчетных соотношений для коэффициентов гидравлическогосопротивления и теплоотдачи коллекторных систем с шаровыми засыпками.Результаты численного исследования могут быть использованы припроектировании тепловыделяющих сборок с микротвэлами для реакторныхустановок.Апробация работыОсновные результаты диссертационного исследования опубликованы в24 печатных работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1в научном журнале, 3 в трудах конференций и 16 в тезисах конференций,представленных ниже. Список основных публикаций по теме исследованийпредставлен в конце автореферата.Результаты работы докладывались на следующих конференциях:1.

X, XIII Курчатовская молодежная научная школа (2012, 2015 гг.).2. XIX, XX, XXI, XXII, XXIII, XIV Международная научно-техническаяконференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника иэнергетика» (2013, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018 гг.).3. XIX, XX, XXI Школа-семинар молодых ученых и специалистов подруководством академика РАН А.И. Леонтьева (2013, 2015, 2017 гг.).4. Конференция молодых специалистов "Инновации в атомной энергетики"(2013 г.).55. XXI международная научная конференция "Актуальные вопросытеплофизики и физической гидрогазодинамики" (2013 г.)6. VI Российская национальная конференция по теплообмену (2014 г.).7. Научно-техническая конференция "Теплофизика реакторов новогопоколения" (Теплофизика-2015) (2015г.).8. Российская конференция молодых ученых, специалистов, аспирантов,студентов «Атомные электростанции сверхмалой мощности дляприкладных и учебных целей» (2016 г.).9.

Всероссийская научная конференция “Теплофизика и физическаягидродинамика” с элементами школы молодых ученых (2016 г.).10. Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодыхучёных "XXXIII Сибирский теплофизический семинар" (2017г.).11. Международная конференция «Современные проблемы теплофизики иэнергетики» (2017 г.)Личный вклад автораРезультаты диссертационного исследования получены соискателем личноили с соавторами. Личный вклад автора в полученные результаты носитопределяющийхарактер.Авторомспроектированисмонтированэкспериментальный стенд: выполнена тарировка и наладка измерительногооборудования; разработаны и изготовлены рабочие участки; смонтирована иотлажена автоматизированная система сбора и обработки информации дляэкспериментального стенда.

Получен массив экспериментальных данных огидродинамике и теплообмене в шаровых засыпках при осевом и радиальномтечении теплоносителя. Проведена верификация математической модели длячисленного исследования гидродинамики и распределения температуры впористых средах с объемным тепловыделением. Выполнено численноеисследование гидродинамики и распределения температуры в коллекторныхсистемах с шаровыми засыпками при радиальном течении теплоносителя иобъемном тепловыделении в шаровой засыпке.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит извведения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Работасодержит 155 страниц, 17 таблиц, 86 рисунков.

Список цитируемой литературывключает 88 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении отмечена актуальность диссертационной работы, ее научнаяи практическая значимость, поставлены цели и задачи исследования.В первой главе представлен обзор литературных данных по темеисследования, в результате которого было отмечено, что исследованиягидродинамического сопротивления и теплоотдачи при течении теплоносителячерез пористые среды, в частности, через шаровые засыпки, проводятся как вРоссии, так и за рубежом. В литературе представлено достаточно большоеколичество работ, которые дают представление об особенностях6гидродинамики и теплообмена в пористых средах.

Однако сравнение расчетовпо полученным в этих работах уравнениям показывает значительное ихрасхождение. Наличие разнообразных расчетных формул и методик, которыеоснованы на различных представлениях о схеме движения жидкости имеханизмах теплообмена говорит об отсутствии единого подхода к пониманиюэтой проблемы.В литературе представлены единичные работы, посвященныеисследованию гидродинамики и теплообмена при течении теплоносителейчерез шаровые засыпки с внутренним объемным тепловыделением, котороехарактерно для засыпок из микротвэлов.Отсутствуют экспериментальные исследования гидродинамики итеплообмена при радиальном течении жидкости в коллекторных системах сшаровыми засыпками в условиях объемного внутреннего тепловыделения.Отмечается, что при расчетах систем подобной конструкции необходимоучитывать особенности радиального течения теплоносителя.