Проведение расчетов по коду RELAP5 позволяет оценить снижение эффективности из-за наличия воздуха в герметичном контуре. На Рисунке 14 показано различие давленияв тепловой трубе при плавном снижении мощности с номинального уровня 25 МВт со скоростью 24 кВт/с при наличии воздуха в тепловой трубе (2) и при его отсутствии (1).

1 – при отсутствии воздуха; 2 – при наличии воздуха

Рисунок  14 Изменение давления пара в тепловой трубе 

Различие в парциальном давлении в тепловой трубе обуславливает существенное различие рабочих температур (Рисунок 15).

1 – при отсутствии воздуха; 2 – при наличии воздуха

Рисунок  15 Изменение температуры пара в тепловой трубе 

Наличие воздуха в термосифоне существенно влияет на температуру в первом контуре. В этом режиме с плавным снижением мощности на Рисунке 16 хорошо видно это влияние.

1 – при отсутствии воздуха; 2 – при наличии воздуха

Рисунок  16 Изменение максимальной температуры твэлов

Из проведенного анализа видно, что наличие воздуха в тепловой трубе существенно (~ на 25°С) повышает температуру в первом контуре. Тем не менее, из консервативных соображенийвесь дальнейший анализ проводилсядля условий наличия воздуха в герметичном контуре тепловой трубы.

Ниже приводятся расчетные параметры контура охлаждения реактора при плавном выходе на номинальный уровень мощности 25 МВт в течение 600 секунд. На Рисунке 17 приведено изменение плотности теплового потока по высоте максимально теплонапряженного твэла при выходе на номинальный уровень мощности.

Рисунок  17 Изменение плотности теплового потока по 8-ми высотным участкам  максимально теплонапряженного твэла

Изменение расхода теплоносителя в первом контуре и в тепловой трубе показано на Рисунке 18.

1 – расход в первом контуре; 2 – расход в тепловой трубе

Рисунок  18 Изменение расхода теплоносителя

Температура на входе и выходе из активной зоны приведена на Рисунке 19.

1 – температура на входе в реактор; 2 – температура на выходе из реактора

Рисунок  19 Изменение температуры теплоносителя в реакторе

Изменение плотности теплового потока по высотным участкам максимально теплонапряженного твэла приведено на Рисунке 20.

Рисунок  20 Изменение температуры твэлов по 9-ти высотным участкам  максимально теплонапряженного твэла

При срабатывании аварийной защиты происходит резкое снижение мощности с номинального уровня  25 МВт и соответствующее изменение всех параметров. На Рисунке 21 приведен темп падения мощности, принятый при расчете.

Рисунок  21 Темп падения мощности, принятый при расчете

На рисунке 22 показана динамика снижения температуры по высотным участкам максимально теплонапряженного твэла.

Рисунок  22 Динамика снижения температуры по высотным участкам максимально теплонапряженного твэла

Изменение температуры на входе и выходе из реактора при срабатывании аварийной зашиты приведено на Рисунке 23.

1 – температура на входе в реактор; 2 – температура на выходе из реактора

Рисунок  23 Изменение температуры теплоносителя в реакторе при срабатывании аварийной защиты

Изменение расхода теплоносителя в первом контуре и в тепловой трубе при срабатывании аварийной защиты показано на Рисунке 24.

1 – расход в первом контуре; 2 – расход в тепловой трубе

Рисунок  24 Изменение расхода теплоносителя в первом контуре и в тепловой трубе при срабатывании аварийной защиты

Основные расчетные параметры парогенератора тепловой трубы при наличии воздуха в контуре (Рисунок 4)  приведены в Таблице 4. 

Таблица 4 Основные параметры парогенератора тепловой трубы(наличие неконденсируемых газов, консервативный расчет)

3.5. Теплогидравлический расчет воздушного теплообменника

Для оценки параметров воздушного теплообменника  (Рисунок 5) проведено моделирование подогрева воздуха при его прохождении через зазоры между эллиптическими трубками из нержавеющей стали с толщиной стенки 1 мм, параметры которых представлены в Таблице 5.

Таблица 5 Основные параметры воздушного теплообменника 

Температурное поле в межтрубном пространстве теплообменника, рассчитанное в пакете SolidWorks / FlowSimulation,  приведено на Рисунке 25. На этом рисунке показано так же распределение скорости и давления воздуха при его прохождении через воздушный теплообменник.

Рисунок  25 Распределение температуры, скорости и давления воздуха при его прохождении через межтрубное пространство воздушного теплообменника

Для расчетного анализавоздушного охлаждения приняты следующие параметры вытяжной трубы:

·         Высота трубы 145 м

·         Диаметр проходного сечения в нижней части 12,6 м

·         Диаметр проходного сечения в верхней части 10,4 м

Для этих параметров вытяжной трубы расчеты по SolidWorks / FlowSimulation для различной мощности теплоотвода дали результаты, приведенные в Таблице 6

 Таблица 6 Основные расчетные параметры вытяжной трубы

Для принятых параметров вытяжной трубы и мощности реакторной установки 25 МВтна Рисунке 26 приведено распределение температуры, скорости и давления воздуха при его прохождении через вытяжную трубу.

Рисунок  26 Распределение температуры, скорости и давления воздуха при его прохождении через вытяжную трубу

Предлагаемая к рассмотрению система охлаждения реактора позволяет исключить из рекомендуемого перечня исходных событий для расчетного анализа проектных аварий на ИЯУ большинство пунктов из-за отсутствия в системе перечисленного оборудования:

Динамика изменения максимальной температуры твэлов при разрыве горячего и холодного главного циркуляционного трубопровода приведена на Рисунке 27.

1 – разрыв «горячего» трубопровода; 2 – разрыв «холодного» трубопровода

Рисунок  27 Изменение температуры максимально теплонапряженного твэла при разрыве циркуляционных трубопроводов первого контура

Динамика изменения давления в активной зоне при разрыве горячего и холодного главного циркуляционного трубопроводаприведена на Рисунке 28.

1 – разрыв «горячего» трубопровода; 2 – разрыв «холодного» трубопровода

Рисунок  28 Изменениедавления в активной зоне при разрыве циркуляционных трубопроводов первого контура

Динамика изменения расхода теплоносителя в активной зоне при разрыве горячего и холодного главного циркуляционного трубопроводаприведена на Рисунке 29.

1 – разрыв «горячего» трубопровода; 2 – разрыв «холодного» трубопровода

Рисунок  29 Изменениерасхода теплоносителя через активную зону при разрыве циркуляционных трубопроводов первого контура

Заключение

·         Представлена ​​концептуальная трехмерная модель реакторной установки и технологическая схема систем теплоотвода на основе естественной циркуляции. Обоснованы преимущества создания простой и надежной пассивной системы охлаждения активной зоны исследовательского реактора, построенной по принципу естественной конвекции теплоносителя;

·         Наличие промежуточного контура, работающего по принципу тепловой трубы (термосифона) позволяет исключить риск попадания радиоактивного теплоносителя в окружающую среду.Работа этого контура обеспечивает высокую эффективность теплопередачи при простоте конструкции и отсутствии механических движущихся частей, что  обуславливает надежность системы;

·         Воздушное охлаждение реакторной установки с использованием вытяжной трубы снимает проблему водоподготовки градирен для предотвращения образования солевых отложений  на теплообменных трубках и поверхности оросителей в градирнях;

·         Расположение реактора глубоко под уровнем земли обеспечивает преимущества перед обычной архитектурой исследовательских реакторных установок:

-        исключается большинство сценариев внешнего воздействия на реакторную установку, поэтому можно не рассматривать многие аварийные ситуации возникающие в результате в результате взрывов, смерчей, снеговой нагрузки, падения самолета и т.д., нетнеобходимости в дорогостоящемконтайнтменте, упрощается физическая защита реакторной установки;

-        отсутствие дорогостоящих и сложных систем теплоотвода от активной зоны может резко снизить стоимость реакторной установки;

-        большая глубина погружения активной зоны под землю позволяет создать простую и высокоэффективную систему естественной циркуляции. При этом нет видимых  ограничений по увеличению высоты естественной циркуляции и соответствующего повышения движущего напора через активную зону;

-        реактор может работать одинаково безопасно и эффективно в очень широком диапазоне мощностейисходя из поставленных задач облучения;

-        практически отсутствует проблема дорогостоящего демонтажа реакторной установки;

·         Автоматическое подстраивание расхода в контурах охлаждения при изменении уровня мощности и отсутствие возможности для персонала по снижения интенсивности циркуляции теплоносителя исключает аварийные ситуации с ухудшением теплоотвода от активной зоны;

·         Автоматическоеподстраивание расхода в контурах охлаждения при изменении уровня мощности обеспечивает предельную простоту управления реакторной установкойи снижает требования к квалификации персонала. Поэтому такой реактор может работать в странах, в которых отсутствует персонал с большим опытом управления реакторными установками, а также реакторная установка может использоваться для учебных целей;

·         Относительно небольшие скорости восходящего потока теплоносителя в активной зоне при высоком давлении обеспечивают большой запас до начала кипения на поверхности твэлов и не создают проблем для верхнего расположения органов СУЗ (на крышке реактора), что существенно упрощает их конструкцию;

·         Для рассматриваемых параметров реакторной установки при мощности 25 МВт недогрев максимальной температуры на твэлах до температуры насыщения воды в активной зоне составляет 32°С при наличии воздуха в тепловой трубе и 57°С при его отсутствии;

·         Сплавы алюминия используют в твэлах активных зон реакторовпри температуре не выше 250-270°C[10]. Диапазон максимальных рабочих температур твэлов в рассматриваемой реакторной установке удовлетворяет этому требованию.

·         Конструкция контуров охлаждения обеспечивает непрерывную естественную циркуляцию теплоносителя в активной зоне во всех режимах, создавая условия для безопасного теплоотвода от ТВС как при работе на мощности, так и после останова;

·         Использование внешнего по отношению к корпусу реактора отражателя нейтронов в бассейне обеспечивает простоту доступа к облучательным объемам и возможность замены облучательных устройств без остановки реактора;

·         Опыт применения в австралийском реакторе OPALтяжеловодного отражателяв циркалоевом резервуаре, находящегося в бассейне с лёгкой водой, показал высокую эффективность такого конструктивного решения. Глубинное расположение бассейна и корпуса реактора  позволяют организовать эффективное охлаждение тяжелой воды отражателя, применяя естественную конвекцию в циркуляционных трубопроводах и воздушный теплообменник в вытяжной трубе;

·         Получение тяжелой воды и очистка тяжелой воды отражателя от трития в процессе работы реакторной установки могут осуществляться с использованием технологии разделения изотопов воды по атомам водорода, предложенной в статье [9]. Её вариант на русском языке приведен в файле «Вакуумное разделение молекул воды по изотопам водорода.pdf»;

·         Отсутствие арматуры и насосов в контурах охлаждения обеспечивают плавность изменения параметров теплоотвода и полностью исключают гидроудары;

·         Предложенная концепция реакторной установки с клапанами укороченной внутрибассейновой циркуляции обеспечивает быстрый и простой переход на расхолаживание активной зоны водой бассейна, что позволяет без проблем производить транспортно-перегрузочные работы при открытой крышке корпуса реактора;

·         Физические принципы работы контуров  охлаждения хорошо изучены и не требуют проведения при проектировании реакторной установки дополнительных НИР и НИОКР;

·         С использованием трехмерного моделирования произведен расчет основных параметров оборудования контура воздушного охлаждения с естественной конвекцией воздуха, воздушного теплообменника и вытяжной трубы. Представлены результаты теплогидравлического расчета передачи тепла от активной зоны реактора до конечного получателя - атмосферного воздуха;

·         Приведенные результаты расчетов по модели в RELAP5 показали эффективность системы охлаждения с использованием естественной циркуляции и достижимость высокого уровня тепловой мощности реактора (25 МВт), который соответствует максимальной плотности нейтронного потока в центральной замедляющей полости свыше 1 × 10¹⁵ см^-2с^-1;

·         Приведенные результаты расчетов аварийных ситуаций с разрывами трубопроводов LOCA по модели в RELAP5 показывают, что  обеспечивается безопасный теплоотвод от активной зоны и не происходит потери герметичности оболочек тепловыделяющих элементов и выхода топливной композиции в теплоноситель;

·         Представленный расчетный анализ показывает, что реально создать надежно функционирующую и полностью пассивную систему для отвода тепла от активной зоны исследовательского реактора, которая может использоваться в качестве универсальной системы охлаждения для широкого спектра реакторных установок различного назначения.

·         Дальнейшее повышение мощности исследовательского реактора по предложенной концепции может потребовать либо увеличения высоты контура циркуляции, а значит еще более значительного заглубления реактора, либо необходимо будет отступить от принципа применения исключительно пассивных систем теплоотвода, и в первом контуре использовать циркуляционные насосы. Для второго варианта пример концепции исследовательского реактора мощностью 50 МВт и с максимальной плотностью нейтронного потока в центральной замедляющей полости свыше 2 × 10¹⁵ см^-2с^-1приведен в [11].

Список источников

1.    Vitaly Uzikov, Irina Uzikova, “Universal system of passive heat removal from the core of a research reactor”, Nuclear Technology and Radiation Protection., Vol. XXXV, No. 2, June 2019http://www.doiserbia.nb.rs/Article.aspx?id=1451-39941900008U#.YLMypbdLiHs

2.    Р.П.Куатбеков, В.А.Лукичёв, С.В.Осипович, С.А.Соколов, И.Т.Третьяков, В.И.Трушкин / Иccледовательский реактор для центров ядерных исследований, XIII Российское совещание «Безопасность исследовательских ядерных установок»: тезисы докладов. Димитровград, 23-27 мая 2011 г. - Димитровград: ОАО «ГНЦ НИИАР», 2011. - 62 с. https: //refdb.ru/download/1318279.html

3.    Safety in the Utilization and modification of research reactors. Safetyseries. IAEA, 1994, № 35-G2

4.    Аринкин Ф.М., Шаймерденов А.А. и др. / Конверсия активной зоны исследовательского реактора ВВР-К, Атомная энергия, 2017, т.123, №1 – с.15-20

5.    Программа MCU-RFFI/A с библиотекой констант DLC/MCU DAT-1.0. Аттестационный паспорт программного средства № 400 от 14.07.2016 г.

6.    RELAP5/MOD3 Code Manual, Volume 4: Models and Correlations.  INEL-95/0174, NUREG/CR-5535, 1995.

7.    RELAP5/MOD3 Code Manual Volume 2: User's Guide and Input Requirements. INEL-95/0174, NUREG/CR-5535. 1995.

8.    Алямовский, А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи [Текст] / – БХВ-Петербург, 2012, – 488 с.

9.    Vitaly Uzikov, Irina Uzikova, «Technology proposal to prevent the release of Fukushima tritium into the ocean», Journal of Nuclear Physics,  http://www.journal-of-nuclear-physics.com/?p=1329

10.         Устройство и способ для нанесения покрытий оболочек тепловыделяющих элементов, патент RU2561975C1, Патентообладатель ГК РОСАТОМ АО «ГНЦ ТРИНИТИ»

11.         Vitaly Uzikov, Ildar Suleimanov, Irina Uzikova «The Concept of the Heat Removal System of a High-Flux Research Reactor», Science and Technology of Nuclear Installations, Volume 2022, Article ID 1815342, 11 pages, https://doi.org/10.1155/2022/1815342,