Реакторы с микротвэлами: гидродинамика проницаемых каналов насыпной сборки

Раскрыта перспектива использования в ядерных реакторах топлива в виде микротвэлов – шариков из делящегося материала диаметром порядка миллиметра, покрытых защитной оболочкой для удержания радиоактивных продуктов деления. Отмечено, что сыпучесть, большая удельная поверхность теплосъема, необычайно высокая стойкость микротвэлов позволяют на их базе проектировать инновационные безопасные реакторы различного целевого назначения (транспортабельные, бридеры, высокотемпературные, высокопоточные и т. д.). Предложена комплектация активной зоны реактора с насыпными тепловыделяющими сборками. В них гармонично сочетаются достоинства микротвэлов с преимуществами бокового подвода теплоносителя к топливному слою с помощью проницаемых распределительного и отводного каналов. Представлена схема насыпной сборки и проведен анализ моделирования динамики потока в проницаемых каналах. Показано, что существующее математическое описание движения теплоносителя в них отличается неоднозначностью и противоречивостью. Для устранения недостатков в моделировании построен новый кинематический образ течения в проницаемом канале взамен существующего, представляющего собой струю, к которой на проницаемой стенке непрерывно присоединяются или отделяются от нее частицы теплоносителя. Движение в проницаемом канале в новой трактовке рассматривается как поворот потока при одновременном его расширении или сужении в зависимости от того, происходит в канале отток или приток. На основании такого представления получено уравнение изменения давления теплоносителя в проницаемом канале, определена реакция потока на приращение расхода, описана величина касательной составляющей вектора скорости на проницаемой стенке, тем самым устранены недостатки описания движения теплоносителя в каналах насыпной сборки. Полученные результаты могут также использоваться при проектировании других технических устройств, содержащих проницаемые каналы.

1. Perona, G. Fixed bed reactors / G. Perona // Energia Nucl. – 1964. – Vol. 11, № 2. – P. 92–100.

2. Семейко, К. Перспективы использования микротвэлов в атомной энергетике / К. Семейко // Энергетика и ТЭК. – 2015. – № 7/8. – С. 14–16.

3. Русинкевич, А. А. Термодинамические эффекты в переносе продуктов деления в микротопливе при глубоких выгораниях: дис. … канд. техн. наук: 05.14.03 / А. А. Русинкевич. – М., 2016. – 135 с.

4. О возможности создания высокоэнергонапряженного ядерного реактора на низкообогащенном топливе / А. П. Ахрамович [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2012. – Т. 56, № 4. – C. 115–118.

5. Перспективы развития высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов [Электронный ресурс] // Атомная энергия 2,0. Технологии. – 2017. – Режим доступа: http://www.atomic-energy.ru/technology/73919 – Дата доступа: 14.03.2018.

6. ВВЭР с микротвэлами: отчет о НИР [Электронный ресурс] / ВНИИАМ; рук. Л. Н. Фальковский. – М., 2003. – Режим доступа: vniiam.narod.ru/rus2/vvr.doc – Дата доступа: 05.04.2018.

7. Кузнецов, В. В. Проекты МАГАТЭ в поддержку разработок инновационных реакторов (РМСМ) / В. В. Кузнецов // Атом. стратегия. – 2005. – № 16. – С. 10.

8. Ахрамович, А. П. О работоспособности реактора с микротвэлами. Анализ организации теплосъема в активных зонах / А. П. Ахрамович, И. В. Войтов, В. П. Колос // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2016. – № 3. – С. 77–86.

9. Смирнов, Л. П. Математическая модель расчета полей cкорости, температуры и давления в гидравлическом тракте реактора с «пористой» энерговыделяющей средой / Л. П. Смирнов, М. Д. Сегаль. – М.: Ин-т атом. энергии им. И. В. Курчатова, 1978. – 12 с. – (Препринт / ИАЭ-3049).

10. Сегаль, М. Д. Методика расчета продольно-поперечного течения газа в ТВС сложной геометрии / М. Д. Сегаль, Л. П. Смирнов // Вопр. атом. науки и техники. Сер.: Атом.-водор. энергетика и технология. – 1983. – Вып. 3. – С. 61–63.

11. Меламед, Л. Э. FEMLAB и ANSYS в расчетах гидродинамики атомных реакторов, или Научно-практический рассказ о том, как приспособить «тяжелые» пакеты для решения задач одного тяжелого класса / Л. Э. Меламед // Exponenta Pro. – 2004. – № 2 (6). – C. 18–21.

12. Комов, А. Т. Численное моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в тепловыделяющей сборке с микротвэлами / А. Т. Комов, Е. В. Бочарова, Ю. Н. Токарев // Вестн. Моск. энергет. ин-та. – 2009. – № 2. – С. 43–47.

13. Исследование гидродинамических характеристик коаксиальных коллекторных систем / Л. Л. Калишевский [и др.] // Тр. МВТУ. – 1979. – № 307, вып. 4. – С. 73–87.

14. Маргис, А. А. Газораспределение в насыпных кассетах с коаксиальными коллекторами / А. А. Маргис, В. Ю. Сурвила, Ю. В. Вилемас // Вопр. атом. науки и техники. Сер.: Атом.-водор. энергетика и технология. – 1988. – Вып. 2. – С. 51–53.

15. Лелеков, В. И. Особенности теплообмена и газодинамики в тепловыделяющих сборках со сферическими твэлами и радиальной раздачей теплоносителя / В. И. Лелеков // Теплоэнергетика. – 2005. – № 3. – С. 25–33.

16. Талиев, В. Н. Аэродинамика вентиляции / В. Н. Талиев. – М.: Стройиздат, 1954. – 288 с.

17. Бобровский, С. А. Движение газа в газопроводах с путевым отбором / С. А. Бобровский, С. Г. Щербаков, М. А. Гусейн-Заде. – М.: Наука, 1972. – 192 с.

18. Van der Hegge Zijnen, B. G. Flow throudh uniformly tapped pipes / B. G. Van der Hegge Zijnen // Appl. Sci. Res. Section A. – 1952. – Vol. 3, iss. 23. – P. 144–162. https://doi.org/10.1007/BF03186656

19. Идельчик, И. Е. Метод расчета раздачи потока вдоль контактных, фильтрующих и других подобных аппаратов цилиндрической формы / И. Е. Идельчик // Инж.-физ. журн. – 1965. – Т. 8, № 5. – С. 635–638.

20. Мещерский, И. В. Уравнения движения точки переменной массы в общем случае / И. В. Мещерский. – М.: Гос. изд-во лит. по строительству и архитектуре, 1952. – 318 с.

21. Василенко, А. А. Исследование движения жидкости в трубопроводах с присоединением расхода вдоль пути / А. А. Василенко // Гидравлика и гидротехника. – 1970. – № 10. – С. 41–49.

22. Петров, Г. А. Движение жидкости с изменением расхода вдоль пути / Г. А. Петров. – М. ; Л.: Стройиздат, 1951. – 200 с.

23. Коченов, И. С. О гидравлическом расчете системы охлаждения ядерного реактора / И. С. Коченов, О. Ю. Новосельский // Атом. энергия. – 1967. – Т. 23, № 2. – С. 113–120.

24. Дильман, В. В. Описание движения потока с проницаемыми стенками на основе уравнения энергии / В. В. Дильман, С. П. Сергеев, В. С. Генкин // Теорет. основы хим. технологии. – 1971. – Т. 5, № 4. – С. 564–572.

25. Коченов, И. С. Гидравлическое сопротивление каналов с проницаемой стенкой / И. С. Коченов, О. Ю. Новосельский // Инж.-физ. журн. – 1969. – Т. 16, № 3. – С. 405–412.

26. К вопросу гидродинамики каналов с пористыми стенками / В. С. Михайлов [и др.] // Инж.-физ. журн. – 1972. – Т. 23, № 4. – С. 589–596.

27. Меерович, И. Г. Гидродинамика коллекторных систем / И. Г. Меерович, Г. Ф. Мучник. – М.: Наука, 1986. – 144 с.

28. Быстров, П. И. Гидродинамика коллекторных теплообменных аппаратов / П. И. Быстров, В. С. Михайлов. – М.: Энергоиздат, 1982. – 224 с.

29. Busse, C. A. Pressure drop in the vapor phase of long heat pipes / С. А. Busse // Proc. First Intern. Theormionic Conversion Specialist Conf. – Palo Alto California, 1967. – P. 391–401.

30. Каданер, Я. С. Ламинарное течение пара в тепловой трубе / Я. С. Каданер, Ю. П. Рассадкин // Инж.-физ. журн. – 1975. – Т. 28, № 2. – С. 208–216.

31. Квэйл, Дж. Ламинарное течение в трубе с оттоком через пористую стенку / Дж. Квэйл, Е. Леви // Теплопередача. – 1975. – Т. 97, № 1. – С. 66–72.

32. Доши, Дж. Турбулентное течение в трубе с отсосом на стенке / Дж. Доши // Теплопередача. – 1974. – Т. 96, № 2. – С. 154–156.

33. Лубар, С. Турбулентный пограничный слой при наличии градиента давления и массообмена / С. Лубар, Ф. Фернадес // Приклад. механика. – 1971. – Т. 38, № 3. – С. 105–117.

34. Кинни, Р. Турбулентное течение, тепло- и массообмен в трубе с поверхностным отсосом / Р. Кинни, Е. Спэрроу // Теплопередача. – 1970. – Т. 92, № 2. – С. 58–60.

35. Патанкар, С. В. Тепло- и массообмен в пограничном слое / С. В. Патанкар, Д. Б. Сполдинг. – М.: Энергия, 1971. – 128 с.

36. Олсон, Р. M. Экспериментальное исследование турбулентного течения в пористой круглой трубе с равномерным вдувом газа через стенку / Р. M. Олсон, Е. Р. Г. Эккерт // Приклад. механика. – 1966. – Т. 88, № 1. – С. 7–21.

37. Назаров, А. С. Экспериментальное исследование турбулентного течения несжимаемой жидкости в канале с проницаемыми стенками / А. С. Назаров, В. В. Дильман, С. П. Сергеев // Теорет. основы хим. технологии. – 1981. – Т. 15, № 4. – С. 561–567.

38. Фафурин, А. Ф. Экспериментальное исследование теплоотдачи в конфузоре с проницаемой стенкой / А. Ф. Фафурин, Ю. Н. Абрамов // Инж.-физ. журн. – 1977. – Т. 32, № 3. – С. 383–393.

39. Юань, С. У. Охлаждение с помощью защитных жидких пленок / С. У. Юань // Турбулентные течения и теплопередача / под ред. Линь Дзя-Цзяо. – М.: Изд-во иностр. лит., 1963. – С. 437–496.

40. Клайн, С. Дж. Подобие и приближенные методы / С. Дж. Клайн. – М.: Мир, 1968. – 304 с.

41. Ахрамович, А. П. Динамическая модель скоростной фильтрации теплоносителя в слое микротвэлов / А. П. Ахрамович, И. В. Войтов, В. П. Колос // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2017. – № 2. – С. 104–115.

42. Acrivos, A. Flow dstributions in manifolds / A. Acrivos, B. Babcock, R. Pigford // Chem. Eng. Sci. – 1959. – Vol. 10. – P. 112–124. https://doi.org/10.1016/0009-2509(59)80030-0

43. Mc Nown, J. S. Mechanics of manifold flow / J. S. Mc Nown // Trans. ASCE. – 1954. – Vol. 119, iss. 1. – P. 1103–1142.

44. Бэтчелор, Дж. Введение в динамику жидкости / Дж. Бэтчелор. – М.: Мир, 1973. – 760 с.

45. Ахрамович, А. П. О работоспособности реактора с микротвэлами. Условия автомодельности теплосъема в активной зоне на частичных нагрузках / А. П. Ахрамович, И. В. Войтов, В. П. Колос // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2016. – № 2. – С. 74–80.

46. Деменок, С. Л. Визуализация течения жидкости в каналах / С. Л. Деменок, В. В. Медведев, С. М. Сивуха. – СПб.: Страта, 2014. – 134 с.