Обоснование теплогидравлических характеристик ВВЭР - Развитие методического и ПО для расчетного обоснования проектов в части теплогидравлики РУ в стационарных режимах

2.5
РАЗВИТИЕ МЕТОДИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ ПРОЕКТОВ В ЧАСТИ ТЕПЛОГИДРАВЛИКИ РУ В СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ

2.5.1 Общие положения

На этапах проектирования ВВЭР всех типов, начиная с первого реактора ВВЭР-1, проводились расчеты в обоснование выбора основных параметров и теплогидравлических характеристик первого и второго контуров и подтверждение теплотехнической надежности охлаждения элементов активной зоны в стационарных режимах.
Проекты первого поколения реакторов: ВВЭР-1, ВВЭР-2, ВВЭР-3М, ВВЭР-440 (В-179, В-230, В-270), разрабатывались, когда еще не было отечественных норм по безопасности и наиболее ответственное оборудование реакторных установок разрабатывалось по общепромышленным нормам и в соответствии с требованиями технических заданий и специально разработанной нормативно-технической документацией.

До появления и внедрения высокопроизводительной электронно- вычислительной техники расчеты выполнялись с помощью ручных вычислительных средств, что ограничивало степень детализации анализируемых характеристик и процессов. Однако расчетное обоснование определяющих теплогидравлических характеристик первого контура, активной зоны, регулирующих органов, надежности охлаждения твэлов выполнялось в необходимом объеме и с необходимой надежностью при соответствующих консервативных предпосылках.
Начиная с проекта ВВЭР-440 для АЭС в Финляндии, все последующие проекты ВВЭР-440 (В-213) и ВВЭР-1000 (В-187, В-302, В-338, В-320) разрабатывались по отечественным НТД по безопасности. Первый отечественный нормативный документ «Основные положения по обеспечению безопасности АЭС» был утвержден и введен в действие в 1973 г.
С учетом накопленного опыта по методологии теплогидравлических расчетов, внедрения производительной электронно-вычислительной техники и с учетом требований нормативно-технической документации разработаны методики и программы для ЭВМ по аспектам теплогидравлики первого контура и оборудования РУ в стационарных режимах.
В соответствии с требованиями НТД методики и программы, используемые в проектах для обоснования безопасности РУ и АЭС, должны быть верифицированы и аттестованы ГАН РФ.
Ниже представлены описания основных характеристик трех аттестованных программ, используемых для расчетного обоснования теплогидравлических характеристик первого контура, реактора, активной зоны и органов регулирования ВВЭР.

2.5.2 Основные характеристики программы СТАР-1

Название программного средства: «Программа СТАР-1. Стационарный теплогидравлический расчет активной зоны и первого контура ВВЭР».
Регистрационный номер паспорта аттестации ПС № 127 от 12.04.2001.
Программа СТАР-1 предназначена для анализа теплогидравлических характеристик реакторной установки с ВВЭР при обосновании надежности охлаждения активной зоны в стационарных режимах нормальной эксплуатации.
По программе определяются следующие теплогидравлические характеристики первого контура, реактора и активной зоны:

1. расход теплоносителя через реактор и распределение расходов по петлям первого контура, элементам внутрикорпусного тракта реактора и активной зоны;
2. распределение статического давления и перепадов давления по элементам тракта реактора и первого контура;
3. напор и подача ГЦН (рабочая точка ГЦН);
4. распределение температур и энтальпий теплоносителя по тракту циркуляции первого контура;
5. распределение расходов, подогревов и температур теплоносителя по кассетам активной зоны;
6. коэффициенты запаса до кризиса теплоотдачи (оценка по параметрам теплонапряженных струй теплоносителя) по корреляции ОКБ «Гидропресс». Для сравнения предусмотрена возможность оценки по корреляциям В.Н. Смолина, Л. Тонга, В.С. Осмачкина.

Программа позволяет провести отдельно расчет теплогидравлических характеристик активной зоны (без циркуляционных петель).
Методика программы учитывает следующие факторы:

1. различие геометрических и гидравлических характеристик основного оборудования петель (ГЦН, трубопроводов, парогенераторов);
2. исполнение чехлов кассет с перфорацией или без перфорации;
3. наличие протечек теплоносителя через байпасные каналы и межкассетные зазоры;
4. различие тепловыделений, геометрических и гидравлических характеристик кассет в активной зоне.

По программе могут быть рассчитаны стационарные режимы работы РУ ВВЭР:

1. режимы работы РУ на различных уровнях мощности с различным числом подключенных циркуляционных петель, включая петли с отключенными ГЦН и обратным током теплоносителя;
2. режимы работы на нулевом уровне мощности и при различных температурах в первом контуре в пределах 10-280 °C;
3. режимы естественной циркуляции теплоносителя по первому контуру.

Теплогидравлический расчет сводится к решению системы нелинейных алгебраических уравнений, описывающих процессы гидравлики, термодинамики, теплопередачи. Основная система уравнений включает в себя следующие балансы:

1. перепадов давления на элементах контура циркуляции и движущего напора;
2. расходов через циркуляционные петли и через реактор и активную зону;
3. тепловой мощности, выделяемой в активной зоне, отводимой теплоносителем и передаваемой через трубчатку ПГ во второй контур.

Основная система уравнений дополняется замыкающими соотношениями для расчета:

1. гидравлических сопротивлений элементов тракта циркуляции;
2. коэффициентов теплопередачи в ПГ;
3. критического теплового потока при параметрах теплоносителя в активной зоне;
4. теплофизических свойств теплоносителя.

2.5.3 Основные характеристики программы ПУЧОК-1000

Название программного средства: «Программа ПУЧОК-1000. Расчет запасов до кризиса теплоотдачи в пучках тепловыделяющих стержней».
Регистрационный номер паспорта аттестации программы N° 129 от 12.04.2001.
Программа ПУЧОК-1000 предназначена для расчета запасов до кризиса теплоотдачи в пучках с тепловыделяющими стержнями и необогреваемыми элементами (трубами, стержнями, пластинами) в стационарном режиме при заданной мощности и распределении энерговыделения по сечению и высоте пучка и при заданных параметрах теплоносителя на входе (общий расход, температура, давление). Теплоносителем является недогретая до энтальпии насыщения вода или пароводяная смесь.
Программа применяется для теплогидравлических расчетов в обоснование надежности охлаждения тепловыделяющих сборок активных зон реакторов типа ВВЭР в стационарных режимах.
В качестве расчетного массива может приниматься сечение отдельной ТВС или части ТВС, сечение активной зоны в целом или ее части. Программа позволяет проводить произвольное по выбору пользователя разбиение поперечного сечения пучка на ячейки (до 1000 ячеек) и разбиение на участки по высоте пучка (до 60 участков), задавать и проводить расчет за один цикл до 100 вариантов по режимным параметрам пучка (мощности, расхода, давления, энтальпии теплоносителя на входе).
Область применения программы определена пределами геометрических характеристик пучков твэлов и режимных параметров активных зон реакторов типа ВВЭР в нормальных условиях эксплуатации.
Пределы режимных параметров:

1. давление теплоносителя, МПа    10,0-17,0;
2. массовая скорость, кг/(м² с)   1000-4000;
3. относительная энтальпия в точке кризиса от -0,1 до +0,3.

Геометрические характеристики пучка:

1. диаметр обогреваемых стержней, м     (9,1±0,1)-10-3;
2. диаметр необогреваемых стержней, м      (9,0—13,6)· 10“3;
3. обогреваемая длина стержней, м     1,0-4,0;
4. шаг размещения стержней по треугольной решетке, м     (12,2—12,75)· 10-3.

В программе реализованы метод поячейкового анализа теплогидравлических характеристик в пучке и определение на основе локальных параметров критического теплового потока и запаса до кризиса теплоотдачи. Распределение локальных параметров теплоносителя (расходов, скоростей, энтальпии, паросодержания) по сечению и высоте пучка определяется из решения системы уравнений, включающей уравнения движения, неразрывности, баланса энергии, записанные для потоков теплоносителя в каждой расчетной ячейке на каждом расчетном участке по высоте. При этом уравнения записываются с учетом эффектов конвективных перетоков и турбулентного перемешивания между соседними ячейками. Коэффициент в соотношении для турбулентного перемешивания в программе принят равным 0,01 для однофазного и двухфазного потоков.
На основе результатов верификационных расчетов с использованием корреляции ОКБ «Гидропресс» для критического теплового потока рекомендовано учитывать погрешность определения критического теплового потока по соотношению:

(2.2)
где qKp - величина критического теплового потока, рассчитанная по программе ПУЧОК-1000 с использованием корреляции ОКБ «Гидропресс» для переменного по высоте тепловыделения;
qAOn - минимально допустимая величина теплового потока по условиям кризиса теплоотдачи с учетом предельной погрешности, которая соответствует доверительной вероятности 95%;
= -0,6% - среднеарифметическая погрешность;
σ = 6,9% - среднеквадратическая погрешность.

2.5.4 Основные характеристики программы КЛАСТ

Название программного средства: «Программа КЛАСТ Расчет динамических характеристик органов регулирования».
Регистрационный номер паспорта аттестации программы № 128 от 12.04.2001.
Программа КЛАСТ предназначена для расчета динамических характеристик органов регулирования системы управления и защиты (ОР СУЗ) реакторов типа ВВЭР-1000 в процессе падения и демпфирования при срабатывании аварийной защиты в различных проектных режимах работы реактора: в режимах нормальных условий эксплуатации, в режимах с нарушением нормальных условий эксплуатации, в аварийных режимах с разрывом чехла привода и с разрывом полным сечением трубопровода, подключенного к главному циркуляционному трубопроводу, максимального диаметра Ду 200.
В результате расчета определяются текущее время процесса и изменение во времени следующих величин: пройденного пути, скорости, ускорения, усилий и перегрузок, действующих на ОР СУЗ в процессе падения и демпфирования.
Процесс перемещения ОР СУЗ описывается уравнением движения, представляющим собой баланс сил, действующих на ОР СУЗ в процессе его падения и демпфирования, и уравнением гидравлики, представляющим собой баланс перепадов давлений на участках канала, в котором перемещаются ОР СУЗ.

В уравнениях учитываются происходящие в проектных режимах изменения во времени перепадов давления на активной зоне и на штанге привода, изменения плотности теплоносителя в активной зоне. Учитывается влияние сил механического трения в канале ОР СУЗ и упругих сил пружин демпфирующего устройства. Учитывается изменение гидравлических усилий, действующих на поглощающий стержень СУЗ и на штангу привода в зависимости от скорости перемещения и координаты положения ОР СУЗ.
Математическая модель разработана при условиях, что заданными являются следующие параметры:

1. геометрические характеристики ОР СУЗ, направляющего канала, характеристики демпфирующих пружин;
2. для режимов НУЭ и ННУЭ применяются параметры однофазного теплоносителя из соответствующих теплогидравлических расчетов этих режимов;
3. для аварийного режима разрыва чехла привода применяются параметры однофазного теплоносителя, что соответствует начальному периоду аварии (в пределах времени выброса ОР СУЗ ~ 0,5 с);
4. для аварийных режимов с разрывом трубопроводов первого контура применяются параметры по гомогенной модели из соответствующих теплогидравлических расчетов аварийных режимов;
5. усилия механического трения в каналах ОР СУЗ (в пределах ТВС, БЗТ и привода ШЭМ) задаются на основе результатов измерений при испытаниях приводов и ОР СУЗ на стендах и результатов измерений в реакторных условиях.

Программа рассчитывает процесс падения ОР СУЗ с момента обесточивания привода. Если в процессе демпфирования ОР СУЗ выбирается полностью запас хода пружин до соприкосновения витков пружин, происходит соударение органа регулирования с каркасом НК кассеты. Для случая соударения ОР СУЗ с каркасом НК программа может быть использована только для определения скорости ОР СУЗ непосредственно перед соударением; эта скорость используется в расчетах прочности.
Верификация программы КЛАСТ проведена на экспериментальных данных, полученных во время испытаний приводов ШЭМ, ТВС и ОР СУЗ ВВЭР-1000 на стендах и в реакторных условиях. Для совокупности использованных экспериментальных данных среднеквадратичное отклонение результатов расчета от экспериментальных данных составляет:

1. по времени падения OP СУЗ   7,6%;
2. по скорости подхода ОР СУЗ к головке кассеты     13%.

2.5.5 Направления модернизации и усовершенствования программ для расчетов теплогидравлических характеристик РУ в стационарных режимах

По представленным выше программам теплогидравлических расчетов проводятся работы по их модернизации и усовершенствованию с целью расширения номенклатуры рассчитываемых параметров, уточнения методических аспектов, улучшения пользовательских характеристик. В объеме этих работ, в частности, предусматриваются:

1. Учет неполного перемешивания петлевых потоков во входной и выходной камерах реактора (в программе СТАР-1).
2. Включение в программу расчета локальных параметров (программа ПУЧОК-1000) определения температуры наружной поверхности оболочек твэлов, учета теплообмена между ячейками пучка твэлов и теплоносителем в направляющих каналах, тепломассообмена с перфорированными измерительными каналами.
3. Продолжение верификационных работ:
4. по программе СТАР-1 на основе статистики данных по теплогидравлическим характеристикам на действующих блоках;
5. по программе ПУЧОК-1000 по характеристикам перемешивания в пучках твэлов;
6. по программе КЛАСТ по характеристикам падения и демпфирования ОР СУЗ в условиях аварийных режимов, сопровождающихся кипением теплоносителя.
7. Улучшение пользовательских характеристик программ в направлении их универсализации, организации пре- и постпроцессинга, визуализации результатов.

Проводятся работы по апробации и внедрению программы трехмерных теплогидродинамических расчетов с использованием CFD- кода и STAR-CD.