Пятая Международная Научно-Техническая Конференция «Обеспечение Безопасности АЭС с ВВЭР» 29 Мая - 1 Июня 2007 г. , г. Подольск, ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» , Россия ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ПРОЦЕДУРЫ ДЛЯ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ В СМЕШАННОЙ АКТИВНОЙ ЗОНЕ C. Н. Слепцов, Г. В. Кулиш ЦПАЗ НТК “Ядерный Топливный Цикл” ХФТИ, Харьков, Украина Y. X. Sung Westinghouse Electric Company, Pittsburgh, PA, USA СRCD Westinghouse
Содержание Ø 1. Введение: Смешанные Активные Зоны (АЗ) Ø 2. Методология Термогидравлического (ТГ) Анализа Смешанных АЗ: 2. 1. Определение эффектов смешанных АЗ, влияющих на коэффициент запаса до кризиса теплообмена (DNBR – Departure from Nucleate Boiling Ratio). 2. 2. Термогидравлический ячеистый код VIPRE-W. 2. 3. Моделирование смешанной АЗ ВВЭР-1000 кодом VIPRE-W. 2. 4. ТГ процедура расчета Снижения Мощности Горячего Твэла (СМГТ). Ø 3. Расчет СМГТ для 6 -ти топливных сборок компании Westinghouse (W LTA) в смешанной АЗ ВВЭР-1000 ЮУ АЭС Блок 3 с российским топливом ТВС-М типа Ø 4. Выводы СRCD Westinghouse
Введение: Смешанные АЗ Активные зоны реакторов типа ВВЭР могут успешно работать с несколькими типа Тепловыделяющих Сборок (ТВС): • Loviisa NPP (ВВЭР-440). Поставщик топлива ТВЭЛ (Россия) и BNFL (UK). • Южно-Украинская АЭС Блок 3 (ВВЭР-1000). Поставщик топлива ТВЭЛ (Россия) и Westinghouse (USA). • Южно-Украинская АЭС Блоки 1 и 2 (ВВЭР-1000). Поставщик топлива ТВЭЛ (Россия) • Запорожская АЭС (ВВЭР-1000). Поставщик топлива ТВЭЛ (Россия) Различные типы ТВС имеют разные коэффициенты гидросопротивления (КГС) компонент : • • Конструкция хвостовика и головки ТВС. Дизайн и количество Дистанционирующих Решеток (ДР). Геометрия твэлов, Направляющих и Инструментальных каналов. Дополнительные элементы жесткости ТВС. СRCD Westinghouse
Введение: Смешанные АЗ Обоснование ТГ совместимости и теплотехнической надежности нового типа ТВС в смешанной АЗ зоне является одним из составных частей Анализа Безопасности для загрузки топлива и эксплуатации смешанной АЗ. ТВС с различной величиной КГС вызывают перераспределение потока теплоносителя (т/н) в смешанной АЗ, что может привести к снижению величины запаса до кризиса теплообмена (DNBR) на поверхности твэл с максимальной величиной энерговыделения ( «горячий» твэл). Одним из критериев ТГ проектирования АЗ для реакторов типа ВВЭР и PWR является требование [1], чтобы минимальный коэффициент запаса до кризиса теплообмена (DNBR) был выше проектного значения. Способ реализации выполнения критерия (Westinghouse): • Для известной DNB корреляционной функции – определение величины дополнительного запаса на проектный DNBR (Design DNBR penalty). • Для неизвестной DNB корреляционной функции – расчет величины Снижения Мощности «Горячего» Твэла (СМГТ). СRCD Westinghouse
Методология ТГ анализа смешанных АЗ 1. Определение эффектов смешанных АЗ, влияющих на DNBR В соответствие с требованиями безопасной эксплуатации АЗ реакторов типа ВВЭР и PWR [2], проектный предел DNBR обязан выполняться для нормальных условий эксплуатации (НУЭ) реакторной установки (РУ), нарушений НУЭ (ННУЭ) и любых исходных событий (ИС), не приводящих к потере теплоносителя первого контура (Non-LOCA transients). В соответствие с Westinghouse ТГ процедурой, расчет СМГТ выполняется с учетом следующих режимов работы РУ: 1. НУЭ, с повышенной мощностью и потерей теплоносителя. 2. ННУЭ и Non-LOCA переходные процессы с учетом отклонения температуры теплоносителя выше проектных значений. 3. Возможных аксиальных распределений мощности энерговыделения в твэле для НУЭ, ННУЭ и проектных аварий (ПА). 1. 4. Неопределенностей в измерении операционных параметров (ОП) РУ, 2. изготовления топлива и ошибки расчетов. 3. Расчет локальных параметров теплоносителя и DNBR должен выполняться Westinghouse СRCD 4. ТГ ячеистым кодом (VIPRE-W, КАНАЛ-1000, ВЯЗ-М, SC-1, и др. )
Методология ТГ анализа смешанных АЗ (продолжение) 2. Термогидравлический ячеистый код VIPRE-W код является модифицированной версией ТГ ячеистого кода VIPRE-01/MOD 02 (C. W. Stewart et al. 1989 [3]). • COBRA → VIPRE-01 (PNNL for EPRI) → VIPRE-W (Westinghouse). • VIPRE используется в ТГ анализе АЗ PWR, BWR и ВВЭР для расчета безопасных пределов. • VIPRE интегрирован в нейтронно-кинетический код ANC-K (Westinghouse) • VIPRE одобрен АЯР США и рядом Европейских и Азиатских стран. VIPRE-W – 3 D ячеистый код решает систему конечно-разностных уравнений для законов сохранения: q массы теплоносителя, q энтальпии (энергии), q импульсов потока т/н в аксиальном и поперечном направлениях во взаимосвязанных параллельных каналах с учетом того, что поток т/н является однородным, несжимаемым и термически расширяемым. СRCD Westinghouse
Методология ТГ анализа смешанных АЗ (продолжение) 2. Термогидравлический ячеистый код VIPRE-W (продолжение) • VIPRE-W включает эмпирические модели для учета эффектов кипения переохлажденной жидкости и проскальзывания пара в двухфазном потоке: модели Levi [4] и Lellouche & Zolotar [5]. • VIPRE-W использует Bishop-Sandberg-Tong корреляцию [6] для описания передачи тепла при пленочном кипении жидкости. Эта корреляция используется кодом для так называемого «hot spot» анализа твэла при выбросе ОР СУЗ и заклинивании ротора ГЦН. • VIPRE-W включает модифицированную модель Bergles & Rohsenow [7] для описания частичного кипения переохлажденной жидкости с учетом образования на поверхности твэла пористых отложений. • VIPRE-W учитывает влияние ДР на локальную величину DNB с помощью эмпирического соотношения Yao и др. [8]. • VIPRE-W использует уравнение Baker-Just [9] в расчетах баланса тепла в паро-циркониевой реакции при высоких температурах поверхности твэла. СRCD Westinghouse
Методология ТГ анализа смешанных АЗ (продолжение) 2. Термогидравлический ячеистый код VIPRE-W (продолжение) • VIPRE-W включает большое количество DNB корреляций для ТВС содержащих ДР с турбулизаторами потока т/н, промежуточные ДР и обычные ДР. ОКБ (Безруков) DNB корреляция [10] также введена в код. • VIPRE-W автоматически определяет координаты местонахождения минимума DNBR в 3 D массиве ячеек. • VIPRE-W имеет ряд опций итерационного поиска ОП АЗ для заданного значения DNBR. Ограничения кода VIPRE - код не позволяет моделировать переходные процессы, связанные с быстрым изменением давления и расхода 2 -фазного потока теплоносителя при LOCA авариях. Детальное описание кода VIPRE можно найти на www. csai. com. СRCD Westinghouse
Методология ТГ анализа смешанных АЗ (продолжение) 3. Моделирование смешанной АЗ ВВЭР-1000 кодом VIPRE-W Используется техника однопроходного моделирования АЗ, предложенная Moreno [11]: - «горячие» каналы, - «объединенные» каналы, - слабая чувствительность к Kr - ошибка DNBR < 1%. СRCD Westinghouse
Методология ТГ анализа смешанных АЗ (продолжение) 3. Моделирование АЗ ВВЭР-1000 кодом VIPRE-W(продолжение) • Поперечный поток т/н в «объединенных» каналах рассчитывается с использованием алгоритма Stewart [3], который учитывает изменение площади «объединенных» каналов и их сопротивление в поперечном направлении в уравнении поперечного импульса. • Используется модель кипения переохлажденной жидкости Levy [4], модель объемного кипения однородной жидкости и коэффициенты трения для однородного двухфазного потока. • Передача тепла моделируется с использованием корреляций: - Принудительная конвекция однофазного т/н - EPRI - Кипение переохлажденной жидкости - Levy (Thom) & EPRI - Пузырьковое кипение при насыщении - Thom & EPRI - Пик на кривой кипения - W-3 (Tong, корр. ) & OKБ (Безруков) - Переходная область кипения - Bishop-Sandberg-Tong - Пленочное кипение СRCD - Groenveld 5. 7 и др. Westinghouse
Методология ТГ анализа смешанных АЗ (продолжение) 3. Моделирование АЗ ВВЭР-1000 кодом VIPRE-W (продолжение) • Для турбулентной составляющей потока т/н используется модель Cadek [12] для моделирования процесса обмена энергией и моментом импульса между соседними каналами • Коэффициент перемешивания потока для каждого межканального зазора рассчитывается с использованием процедуры Tong [13] и Bell [14]. • Перепад давления по высоте ТВС за счет трения т/н в пучке стержней рассчитывается в аксиальном и поперечном направлениях. Аксиальный фрикционный фактор для турбулентного и ламинарного потоков определяется из уравнения Blasius: faxial = a*Reb + c • Падение давления в поперечном направлении (в межканальном зазоре) определяется как d. P/dy = -0, 5 KGv’|w|w/S, где v’ – удельный объем для момента, м 3/кг; w – поперечная массовая скорость, кг/(м*с); S – ширина зазора, м; KG – коэффициент трения в зазоре между соседними каналами рассчитывается с использованием корреляции в треугольной решетке [15]: KG = CG*Re-0, 27 , где CG – коэффициент, базируется на диаметре твэла и расстоянии между твэлами; Re – число Reynolds для поперечной скорости. СRCD Westinghouse
Методология ТГ анализа смешанных АЗ (продолжение) 4. ТГ процедура расчета Снижения Мощности Горячего Твэла (СМГТ) • Для заданной фракции (m) ТВС с наибольшим КГС, расчет СМГТ выполняется с использованием VIPRE-W кода. • Набор параметров используемых в СМГТ расчетах: 1. (Nor, Po, Fo , To)I , I = 1, …, Moп. сост. , 2. Набор профилей энерговыделения, K(z)J, J = 1, …, Maкс. проф. , 3. Эффективный байпасный поток т/н через АЗ, 4. Радиальное распределение энерговыделения в ТВС, FNΔH (Kr), 5. Неопределенности ОП и топлива (FЕΔH). • Предельная мощность на один твэл (NI, J r(m)) находится путем вариации средней мощности твэл (Nor) до совпадения DNBR(i, j, k) в «горячей» ячейке с DNBRref , определенной для заданной DNBR корреляции: NI, J r(m) = min | DNBRref – qpred(i, j, k)/qact(i, j, k) |I, J , где qpred - предсказанный тепловой поток (локальные ТГ парам. ) и qact – реальный тепловой поток, рассчитанный кодом VIPRE-W. СRCD Westinghouse
Методология ТГ анализа смешанных АЗ (продолжение) 4. ТГ процедура расчета СМГТ (продолжение) • Расчет NI, J r(h) для однородной (h) АЗ. • Снижение мощности «горячего» твэла в ТВС с максимальным КГС: ΔNI, Jr(m) = 1 - NI, Jr(m) / NI, Jr(h) • Проектная величина СМГТ находится как: ΔNr(m) = max (ΔNI, Jr(m) ), I = 1, …, Moп. сост. , J = 1, …, Maкс. проф. • Скорректированная величина СМГТ находится как статистическая свертка неопределенностей в ОП, производства топлива, величины DNBRref и расчетной методики: СRCD Westinghouse
Расчет СМГТ для 6 -ти WLTA для ЮУ-3 АЭС VIPRE-W 57 -канальная модель для СМГТ анализа 1/6 части АЗ ВВЭР-1000: • 1 WLTA and 162 ТВС-М • 7 WLTA and 156 ТВС-М СRCD Смешанная АЗ ВВЭР-1000 ЮУ-3 АЭС с 6 WLTA и 157 российскими топливными сборками ТВС-М типа. Westinghouse
Расчет СМГТ для 6 -ти WLTA для ЮУ-3 АЭС (продолжение) СRCD Westinghouse
Расчет СМГТ для 6 -ти WLTA для ЮУ-3 АЭС (продолжение) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Нормальные условия эксплуатации ВВЭР-1000 с 4 ГЦН в работе Низкое давление & Низкая температура т/н (ИС с увеличением теплоотвода со стороны 2 контура). Низкое давление & Относ. Низкая температура т/н. Вариант 2. Низкое давление & Относ. Высокая температура т/н (ИС с уменьшением теплоотвода со стороны 2 конт). Нормальное давление & Относ. Высокая Темп. т/н (ИС с уменьшением теплоотвода со стороны 2 конт). Высокое давление & Высокая температура т/н (ИС с неконтр. извлечением рабочей группы ОР СУЗ) Высокое давление & Высокая мощность & Ном. Темп. (ИС с неконтр. извлечением рабочей группы ОР СУЗ) Снижение расхода т/н & Номинальная Температура т/н (75% потока т/н) Отключение 4 ГЦН (значения ОП для минимума DNBR) СRCD 59 k. W/тв, 15, 7 MPa, 286, 0 C, 5, 17 м/с 59 k. W/тв, 11, 0 MPa, 271, 1 C, 5, 17 м/с 59 k. W/тв, 12, 6 MPa, 282, 2 C, 5, 17 м/с 59 k. W/тв, 14, 6 MPa, 298, 9 C, 5, 17 м/с 59 k. W/тв, 15, 7 MPa, 304, 4 C, 5, 17 м/с 59 k. W/тв, 16, 6 MPa, 310, 0 C, 5, 17 м/с 70, 8 k. W/тв, 16, 6 MPa, 286, 0 C, 5, 17 м/с 59 k. W/тв, 15, 7 MPa, 286, 0 C, 3, 87 м/с 57, 4 k. W/тв, 15, 6 MPa, 288, 0 C, 4, 16 м/с Westinghouse
Расчет СМГТ для 6 -ти WLTA для ЮУ-3 АЭС (продолжение) • Десять аксиальных профилей энерговыделения с аксиальным офсетом (AO) в интервале (– 45%, +45%) использовались в СМГТ расчетах • Неопределенности в ОП, производства топлива, величины DNBRref и расчетной методики: d. N = 2%, d. P = 0, 2 MPa, d. T = 2 C, d. F = 1%, d. Bypass = 1%, d. FNΔH (Kr) = 4%, d. FЕΔH = 3%, d. VIPRE Power Convergence = 0. 5%. • Расчет СМГТ для 6 WLTA проводился с два этапа: - Расчет для 1 WLTA в АЗ. - Расчет для 7 WLTA в АЗ. Для 6 -ти WLTA в АЗ, СМГТ находится путем линейной интерполяции: Nr(6)= 0, 16667* Nr(1) + 0, 83333* Nr(7) СRCD Westinghouse
Расчет СМГТ для 6 -ти WLTA для ЮУ-3 АЭС (продолжение) Аксиальные профили энерговыделения с АО = -2, 4% и -7, 94% и пиками 1, 1073 и 1, 209 - лимитирующие профили с точки зрения максимума СМГТ. СRCD Westinghouse
Расчет СМГТ для 6 -ти WLTA для ЮУ-3 АЭС (продолжение) Скорректированное значение СМГТ для 6 WLTA в смешанной АЗ: Nсorr (6) = 6, 9% для OKB DNBR корреляции Nсorr (6) = 6, 7% для W-3 DNBR корреляции. СМГТ в 7% обеспечивает достаточный запас для DNBR, который учитывает всевозможные эффекты переходной АЗ ВВЭР-1000 (В-320), индуцированные высоким КГС WLTA. СRCD Westinghouse
Выводы Ø Westinghouse ТГ методология анализа смешанных АЗ PWR реакторов расширена на смешанные АЗ ВВЭР-1000 с учетом геометрии ТВС и специфики их размещения в АЗ. Ø Представлена процедура расчета корректирующего фактора СМГТ, в которой все неопределенности в ОП АЗ, производства топлива, величины DNBRref статистически сворачиваются с расчетными неопределенностями. Ø С использованием данного анализа и кода VIPRE-W рассчитана величина СМГТ для 6 WLTA, загруженных в смешанную АЗ ВВЭР-1000 ЮУ-3 АЭС с российскими топливными сборками ТВС-М типа. Ø Показано, что максимальное значение СМГТ в 7% обеспечивает с 95% вероятностью при 95% доверительном уровне, что кризис теплообмена не произойдет на самом «горячем» твэле WLTA для НУЭ, ННУЭ и любых Non-LOCA переходных процессов. СRCD Westinghouse
Литература 1. Basic Safety Principles for Nuclear Power Plants; IAEA INSAG-3, Vienna, 1999. 2. “Fuel Safety Criteria Technical Review”, Nuclear Energy Agency of the OECD, CSNI/R (99) 25, OECD, Paris, 2001 3. Stewart, C. W. , et al. , “VIPRE-01: A Thermal Hydraulic Code for Reactor Cores”, Volumes 1 -5, Rev. 3, NP-2511 -CCM-1, Electric Power Research Institute, 1989. 4. Levy, S. , “Forced Convection Subcooled Boiling – Prediction of Vapor Volumetric Fraction”, Int. J. of Heat & Mass Transfer, V. 10, 1967, pp. 951 -965. 5. Lellouche, G. S. and Zolotar, B. A. , “Mechanistic Model for Predicting Two-Phase Void Fraction for Water in Vertical Tubes, Channels and Rod Bundles”, EPRI, NP-2246 -SR, 1982. 6. Bishop, A. A. , et al. , “Forced Convection Heat Transfer at High Pressure After the Critical Heat Flux”, ASME, 65 -HT-31, 1965. 7. Bergles, A. E. and Rohsenow, W. M. , “The Determination of Forced Convection Surface-Boiling Heat Transfer”, J. of Heat Transfer, Vol. 86, 1964, pp. 365 -372. 8. Yao, S. C. , et al. , “Heat Transfer Augmentation in Rod Bundles Near Grid Spacers”, ASME 80 -WA/HT-62, 1980. 9. Baker, Jr. , L. , and Just, L. C. , “Studies of Metal-Water at High Temperatures”, Argonne National Laboratories, ANL-6548, 1962. 10. Bezrukov, Y. A. , Astakhov, V. I. , Brantov, V. G. , et al. , “Research and Statistical Analysis of Data Concerning Departure from Nucleate Boiling in the Fuel Bundle for WWER Reactors”, Teploenergetika, V. 2, 1976, pp. 80 -82. (in Russian) 11. Moreno, P. , et. al. , “Steady State Thermal Analysis of PWRs by a Single-Pass Procedure Using a Simplified Nodal Layout”, Nuclear Engineering & Design, Volume 47, 1978, p. p. 35 -48. 12. Cadek, F. F. , “Topical Report. Interchannel Thermal Mixing with Mixing Vane Grids”, WCAP-7755 -A, Westinghouse Electric Company, 1975. СRCD Westinghouse
Литература 13. Tong, L. S. , Weisman, E. J. , “Thermal Analysis of Pressurized Water Reactors”, 2 nd Edition, ANS, 1979. 14. Bell, W. H. , Le Tourneau, B. W. , “Experimental Measurements of Mixing in Parallel Flow Rod Bundles”, WAPD-TH-381, Bettis Atomic Power Laboratory, 1960. 15. Idel’chick, I. E. , “Handbook of Hydraulic Resistance”, 3 rd Edition, U. S. Atomic Energy Commission (English Translation), 1994. СRCD Westinghouse
Скачать презентацию Пятая Международная Научно-Техническая Конференция Обеспечение Безопасности АЭС с
cbab90f343823881ad3ea30450f46603.ppt