Нейтронно-термоакустична нестійкість в каналах ядерного реактора

Ключові слова: ядерний реактор, нейтронно-термоакустична нестiйкiсть, характеристичне рiвняння, комплексна частотна характеристика.

 

Пелых С.Н. Нейтронно-термоакустическая неустойчивость в каналах ядерного реактора. Рукопись.

 

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14 "Тепловые и ядерные энергоустановки ".-Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1999.

Поставлена проблема термоакустической неустойчивости в ядерном реакторе (ЯР) с поверхностным кипением. Развито представление о термоакустической неустойчивости в ядерном реакторе (ЯР) как о нейтронно-термоакустической неустойчивости (НТАН). Взаимосвязаны следующие локальные возмущения: рост давления   сжатие пузырей и уменьшение удельного объемного паросодержания     рост нейтронного потока (при отрицательном паровом коэффициенте реактивности)   рост прямого тепловыделения в жидкости (за счет торможения нейтронов и гамма-квантов в воде)   уменьшение потока тепла из пузыря в жидкость (эквивалентно притоку дополнительной массы в пузырь, что дает критерий Рэлея возбуждения автоколебаний пузыря); Сделаны выводы, что:

1. Обратная связь по возмущению нейтронного потока  оказывает дестабилизирующее влияние на развитие ТАН в ядерном реакторе.

2. Чтобы найти закономерности НТАН необходимо рассчитать комплексную частотную характеристику (КЧХ) на основе характеристического уравнения НТАН.

Получено характеристическое уравнение НТАН в ЯР для одномерного случая. Для описания процессов при развитии НТАН использованы следующие основные уравнения: 1) Диффузии нейтронов; 2) Теплопроводности твэла; 3) Движения двухфазного потока в теплообменном канале; 4) Движения пузырей от момента отрыва до момента схлопывания. Приняты одногрупповая диффузионная модель нейтронного поля и одномерное приближение. В качестве пространственной координаты выступает аксиальная координата z.

Используется метод анализа устойчивости по линеаризованным уравнениям динамики.

Разработана в виде комплекса расчетных модулей методика анализа устойчивости ЯР к НТАН в одномерном приближении. Методика пригодна не только для одиночного канала, но также для многоканальной системы, если рассматривается выровненная часть активной зоны, где располагаются тепловыделяющие сборки ТВС, примерно идентичные по нейтронному потоку и расходу (центральная часть активной зоны ВВЭР-1000). При анализе комплексной частотной характеристики НТАН найдено, что закономерности развития НТАН определяют:

знак парового коэффициента реактивности  ;

безразмерный параметр   , связывающий интенсивность прямого

тепловыделения в жидкости (за счет торможения нейтронов и  -квантов в воде) с плотностью межфазного теплового потока;

длина обогрева.

При наличии   НТАН подавляется, при наличии   НТАН

усугубляется по сравнению со случаем   Степень усугубления либо подавления НТАН под влиянием   зависит от величины параметра  .

В случае   возможны два сценария:

НТАН полностью подавляется (при достаточно большом параметре  ,  %);

НТАН подавляется частично (при  %), при этом сужение области

НТАН происходит как за счет сдвига верхней границы, так и за счет сдвига нижней границы. Сдвиг верхней границы намного превосходит сдвиг нижней границы.

В случае   обнаружен один сценарий: область НТАН расширяется только за счет сдвига верхней границы, причем степень расширения области НТАН определяется величиной  .

В зависимости от длины обогрева возможны два принципиально различных сценария развития НТАН. Первый сценарий развития НТАН реализуется при малой длине обогрева (0,4-0,45 м), когда верхняя граница НТАН достигается до границы начала объемного кипения. В этом случае сдвиг верхней границы НТАН под влиянием   значительно изменяет область НТАН.

Второй сценарий развития НТАН реализуется в случае большой длины обогрева (3,5 м), когда верхняя граница НТАН не достигается в том узком диапазоне изменения  , в котором происходит переход от поверхностного кипения к объемному. Следовательно, для длинного обогреваемого канала обратная связь по   не оказывает влияния на развитие ТАН при наличии  . Полагая   в ядерном реакторе типа ВВЭР-1000, можно для максимально нагруженной ТВС ВВЭР-1000 вместо задачи НТАН рассматривать упрощенную задачу ТАН (одновременно учитывая нейтронно-физические особенности ТАН в ядерном реакторе). НТАН в условиях максимально нагруженной ТВС ВВЭР-1000 существует в интервале входных температур жидкости 200-270   (случай   не рассматривался). При   НТАН начинается при   % от номинала, при   нижняя граница НТАН - 119 % от номинальной величины  . Ширина области НТАН - 24 % по шкале  .

Поскольку при эксплуатации ВВЭР-1000 возможны режимы с пониженной   ( ), не исключена возможность попадания ВВЭР-1000 в область НТАН. Высокочастотные колебания нейтронного потока и давления с малой амплитудой могут способствовать преждевременному разрушению твэлов, что требует дальнейшего исследования проблемы НТАН.

Ключевые слова: ядерный реактор, нейтронно-термоакустическая неустойчивость, характеристическое уравнение, комплексная частотная характеристика.

 

Pelykh S.N. Neutron-thermoacoustic instability in nuclear reactor channels. - Manuskript.

 

Thesis for a Candidate’s degree by speciality 05.14.14 "Heat and nuclear power plants".- Odessa State Polytechnical University, Odessa, 1999.

The problem of neutron-thermoacoustic instability (NTAI) in a nuclear reactor channel with surface boiling is raised. The idea about the physical mechanism of NTAI has been developed. The characteristic equation of NTAI has been derived. The method for one-dimension calculation analysis of NTAI has been worked out.

The method can be used when the central part of active core is under consideration. Analysing complex frequency characteristics, it was found, that the heating length and the sign of steam reactivity koefficient determine the NTAI way to develop. The first case is when the heating length is too short (about 40-45 cm ). In this case the upper border of NTAI is situated under the border of volume boiling. The upper border of NTAI is able to shift up to the volume boiling border in this first case. In the second case we have got long heating lengths (about 3.5 m). When the heating length is long, the volume boiling border is too close to the surface boiling border. In fact, the volume boiling border is the limit of the upper border of NTAI in the case of long heating lengths. The area of NTAI for the VVER-1000 central part conditions has been found. NТAI was found in the input liquid temperature interval 200-270 C.

Key words: nuclear reactor, neutron-thermoacoustic instability, characteristic equation, complex frequency characteristic.