Проектирование энергоустановок с газоохлаждаемыми реакторами - Естественная циркуляция в газоохлаждаемых реакторах

Один из возможных способов отвода тепла от активной зоны реактора при аварийных ситуациях — использование механизма естественной циркуляции гелия в первом контуре ЭУ.

Из анализа характера течения газа в активных зонах газоохлаждаемых реакторов определим основные параметры контура охлаждения, при которых отвод тепла от активной зоны может быть осуществлен за счет естественной циркуляции.
На рис. 6.3 представлена общая схема контура естественной циркуляции газоохлаждаемого реактора. Движение газа обеспечивается за счет его различной плотности на отдельных участках контура. Можно допустить, что температура и плотность газа изменяются только на участках активной зоны и теплообменника. Тогда условие циркуляции в установившемся режиме запишется как:

Поскольку активную зону можно представить в виде п параллельных каналов, то для упрощения модели рассмотрим только наиболее теплонапряженный канал, а его геометрическую характеристику выразим в виде отношения высоты активной зоны к эквивалентному диаметру h/dг.
Используя уравнения Бернулли (для установившегося движения), неразрывности и состояния, представим вид связи, налагаемой на параметры G, Р, условием естественной циркуляции однофазного
теплоносителя в контуре:
(6.2) где индекс «вых» относится к выходным параметрам для максимально напряженного канала, аопределяет долю потерь в активной зоне и надзонном пространстве от общей массы холодного столба. Коэффициент β, который в дальнейшем будем называть коэффициентом полезного использования напора гидравлического столба холодного газа, характеризует степень эффективности конструкции теплообменника и качество компоновки оборудования первого контура.
Для получения частных решений уравнения (6.2) используем некоторые ограничения, характеризующие область допустимых режимов работы активной зоны реактора в процессе эксплуатации и, в частности, максимально допустимые значения средней температуры газа на выходе из реактора (Тв) и температуры материалов твэла (оболочки или топлива). 

гдеγ-лок принимается при давлении, равном 0,1 МПа.

Зависимость (6.8) характеризует особенность естественной циркуляции: в отличие от принудительной циркуляции, где кроме ограничений по характерным температурам рассматривается ограничение по напору газодувок, здесь в качестве аналогичного ограничения выступает значение абсолютного давления в контуре. При естественной циркуляции требуемое давление в контуре может служить критерием как для сравнения различных конструкций проектируемых реакторов, так и для оценки применимости этого механизма в реакторах, конструкция которых уже определена.
При выборе конструкции реактора и всего оборудования первого контура необходимо учитывать факторы, обеспечивающие максимально возможное снятие тепла с активной зоны в режиме естественной циркуляции. Основными показателями, определяющими работу реактора в режиме естественной циркуляции при фиксированных значениях допустимых температурных параметров твэлов и теплоносителя (Т0, Твых, Тдоп и т. д.), являются давление газа в контуре, геометрические факторы h/dr, L1 и коэффициент β.

Рассмотрим факторы, влияющие на давление теплоносителя в контуре при заданной энергонапряженности, значение которой выбирается на основании предварительных расчетов. Согласно зависимости (6.8), это — высота расположения теплообменника над активной зоной Lx и коэффициент полезного использования напора газа (β). Для иллюстрации влияния этих факторов на механизм естественной циркуляции на рис. 6.4 и 6.5 приведены зависимости необходимого давления в контуре реактора при различных значениях qv для активной зоны ВТГР и БГР. Как видно из рис. 6.4, увеличение Ц приводит к значительному снижению требуемого давления в контуре при одном и том же значении энергонапряженности. Однако увеличение этого параметра сопутствует росту габаритов корпуса реактора. Коэффициент полезного использования напора газа β (см. рис. 6.5) также значительно влияет на требуемый уровень давления. Поскольку значение этого коэффициента связано с конструкцией оборудования контура (теплообменников, парогенераторов, арматуры и т. п.), зависимость (6.8) позволяет выявить определенные требования к проектным решениям этих узлов установки. Так, значения этого параметра можно повысить, используя компактные теплообменники, сокращая число единиц арматуры, уменьшая протяженность трубопроводов первого контура, увеличивая их проходные сечения на участках без теплообмена и т. д.
В табл. 6.1 приведены расчетные значения энергонапряженности активных зон при условии устойчивой работы реакторов в режиме естественной и принудительной циркуляции.

Таблица 6.1


Сравнительные характеристики реакторов

Рис. 6.6. Зависимость относительной мощности реактора БГР-300 от давления в режиме естественной циркуляции

Из сравнения характеристик некоторых гипотетических реакторов, работающих на принудительной и естественной циркуляции, видно, что имеется принципиальная возможность эффективного использования механизма естественной циркуляции при работе реакторов на пониженной мощности и в режиме расхолаживания и что этот процесс можно рассматривать как один из способов отвода тепла из активных зон с газовым теплоносителем.
Если в табл. 6.1 приведены предельные значения qv, которые могут быть реализованы только при условии больших значений L (15— 20 м) и β (0,8), то расчеты, выполненные применительно к компоновке реактора БГР-300 с учетом реальных характеристик теплообменного оборудования и всей проточной части первого контура, показывают, что значение qv при номинальном давлении в контуре соответствует 3% Qhom. Зависимость мощности БГР-300 от давления гелия в контуре при его работе в режиме естественной циркуляции приведена на рис. 6.6.