Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Диссертационная работа:

Антонов Станислав Николаевич. Повышение эффективности использования топлива в корпусных кипящих реакторах с естественной циркуляцией теплоносителя : на примере реактора ВК-50 : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.03 / Антонов Станислав Николаевич; [Место защиты: ОКБ "Гидропресс"]. - Димитровград, 2008. - 131 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/853

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

РЕАКТОРОВ С КИПЯЩИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ 14

1.1 Влияние параметров уран-водной решетки на характеристики

водоохлаждаемых энергетических реакторов 14

1.2.0собенности выбора топливных решеток корпусных кипящих реакторов ... 17

1.3 Актуальность физических исследований активной зоны 21

реактора ВК-50 21

1.4. Решаемая научно-техническая задача 26

ГЛАВА 2. ЭТАПЫ МОДЕРНИЗАЦИИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ 29

2.1. Краткое описание технологической схемы 29

реакторной установки ВК-50 29

2.2. Описание конструкции реактора и элементов активной зоны 29

  1. Активная зона 31'

  2. Рабочие ТВС 31

  3. Рабочие и аварийные органы СУЗ 32

  4. Конструкция твэла 36

2.3. Основные этапы модернизации топливных сборок 37

  1. Улучшение гидравлических и теплотехнических характеристик ТВС 38

  2. Улучшение нейтронно-физических характеристик активной зоны (внедрение ТВС с ВТО 3,0) 40

ГЛАВА 3. ТЕСТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 41

  1. Тестирование программы POP 42

  2. Тестирование программ MCU-RFFI/A, MCU-RR и САПФИР-95 на критических экспериментах 45

  3. Подход к расчетам для выбора конструкции ТВС 51

и расчетное сопровождение эксплуатации реактора ВК-50 51

ГЛАВА 4. УЛУЧШЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНОЙ

ЗОНЫ ЗА СЧЕТ ПОВЫШЕНИЯ ВОДНО-ТОПЛИВНОГО ОТНОШЕНИЯ 54

4.1. Расчетное и экспериментальное обоснование новой уран-водной решетки
ТВС 54

4.2. Расчетно-экспериментальные исследования на стационарных 58

режимах работы реактора 58

4.3. Расчетно-экспериментальные исследования на динамических 60

режимах работы реактора 60

  1. Ввод положительной реактивности РО РР 60

  2. Переходные процессы при изменении расхода пара 67

  3. Изменение расхода питательной воды 75

ГЛАВА 5. НАПРАВЛЕНИЕ УЛУЧШЕНИЯ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЯ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТВС LWR 86

5.1. Основные подходы и решения 86

  1. Предпосылки для проведения модернизации ТВС 86

  2. Основные критерии и положения, принятые при проведении расчётов.... 88

5.2. Результаты расчетов и предложения по 93

модернизации ТВС 93-

  1. Расчетная схема, принятая для проведения расчетов 95

  2. Конструкция ТВС 96

  3. Результаты расчетов 97

  4. Режим перегрузок и эксплуатационные характеристики активной зоны 98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107

  1. Программа FTORF (разработчик - РНЦ «КИ») 109

  2. Программа БИПР-К (разработчик - РНЦ «КИ») 112

  3. Программы MCU-RFFI/A и MCU-RR (разработчик - РНЦ «КИ») 114

  4. Программы RORF (разработчик - ИАЭ) и САПФИР-95 (разработчик - НИТИ) 116

  5. Программа САПФИР-95 117

ЛИТЕРАТУРА 119

2 СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

РЕАКТОРОВ С КИПЯЩИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ 14

1.1 Влияние параметров уран-водной решетки на характеристики

водоохлаждаемых энергетических реакторов 14

1.2.Особенности выбора топливных решеток корпусных кипящих

реакторов 17

1.3 Актуальность физических исследований активной зоны 21

реактора ВК-50 21

1.4. Решаемая научно-техническая задача 26

ГЛАВА 2. ЭТАПЫ МОДЕРНИЗАЦИИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ 29

2.1. Краткое описание технологической схемы 29

реакторной установки ВК-50 .". 29

2.2. Описание конструкции реактора и элементов активной зоны 29

  1. Активная зона 31

  2. Рабочие ТВС 31

  3. Рабочие и аварийные органы СУЗ 32

  4. Конструкция твэла 36

2.3. Основные этапы модернизации топливных сборок 37

  1. Улучшение гидравлических и теплотехнических характеристик ТВС 38

  2. Улучшение нейтронно-физических характеристик активной зоны (внедрение ТВС с ВТО 3,0) 40

ГЛАВА 3. ТЕСТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 41

  1. Тестирование программы POP 42

  2. Тестирование программ MCU-RFFI/A, MCU-RR и САПФИР-95 на критических экспериментах 45

  3. Подход к расчетам для выбора конструкции ТВС 51

и расчетное сопровождение эксплуатации реактора ВК-50 51

ГЛАВА 4. УЛУЧШЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЗА СЧЕТ ПОВЫШЕНИЯ ВОДНО-ТОПЛИВНОГО ОТНОШЕНИЯ .54

4.1. Расчетное и экспериментальное обоснование новой уран-водной решетки

ТВС 54

4.2. Расчетно-экспсриментальные исследования на стационарных 58

режимах работы реактора 58

4.3. Расчетно-экспериментальиые исследования на динамических 60

режимах работы реактора 60

  1. Ввод положительной реактивности РО РР 60

  2. Переходные процессы при изменении расхода пара 67

  3. Изменение расхода питательной воды 75

ГЛАВА 5. НАПРАВЛЕНИЕ УЛУЧШЕНИЯ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТВС LWR... 86

5.1. Основные подходы и решения 86

  1. Предпосылки для проведения модернизации ТВС 86

  2. Основные критерии и положения, принятые при проведении расчётов ....88

5.2. Результаты расчетов и предложения по 93

модернизации ТВС 93

  1. Расчетная схема, принятая для проведения расчетов 95

  2. Конструкция ТВС 96

  3. Результаты расчетов 97

  4. Режим перегрузок и эксплуатационные характеристики активной зоны 98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107

  1. Программа FTORF (разработчик-РНЦ«КИ») 109

  2. Программа БИПР-К (разработчик -РНЦ«КИ») 112

  3. Программы MCU-RFFI/A и MCU-RR (разработчик- РНЦ «КИ») 114

  4. Программы RORF ( разработчик- ИАЭ) и САПФИР-95 (разработчик-НИТИ) 116

  5. Программа САПФИР-95 117

ЛИТЕРАТУРА 119

4 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ

АТЭЦ — атомная теплоэлектроцентраль

ACT - атомная станция теплоснабжения ВВРК (BWR)- водо-водяной реактор кипящий (корпусной) ВК-50 - Российский ВВРК с ЕЦ, введен в эксплуатацию в 1965 г. ЯЭУ - ядерная энергетическая установка АЭС - атомная электростанция

ВВЭР (PWR) - водо-водный энергетический реактор с водой под давлением FTORF, БИПР-К&РОР, БИПР-К&САПФИР-95, MCU RFFI/A и MCU RR - программные средства (коды), применяемые для расчета реактора ВК-50 ТВ С - тепловыделяющая сборка ВТО - водно-топливное отношение

/С» " коэффициент размножения для бесконечной активной зоны

KB - коэффициент воспроизводства

ВВЭР СКД (SCWR) - реактор с водяным теплоносителем закритических параметров

RMWR - реактор с уменьшенным замедлением нейтронов

РБМК - реактор большой мощности канальный (графито-водный одноконтурный кипящий)

CANDU - Канадский канальный реактор с замедлителем - тяжелой водой МИР, MP - петлевые исследовательские реакторы СУЗ - система управления и защиты BORAX - первые водо-водяные кипящие реакторы.

SBWR - (Simplified) BWR - усовершенствованный реактор поколения III+ с всережиШГбй естественной циркуляцией теплоносителя ATWS - режим с постулированным отказом аварийной защиты ЦЭН - центробежный насос

РО РР - рабочий орган регулирования реактивности РО A3 - рабочий орган аварийной защиты

5 СБЯ - сталь с добавлением бора

СВП - стержень с выгорающим поглотителем

ПС - программные средства

Кг - аксиальный коэффициент неравномерности энерговыделения.

Yuo2 - плотность диоксида урана

у -коэффициент затухания при анализе устойчивости

#Эф - эффективный коэффициент размножения

f- выгорание топлива

W - скорость теплоносителя на входе в ТВС

Т^зап - коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи

ср - истинное объемное паросодержание потока теплоносителя

Т - температура

Ар-ЛКэфф/Кэфф — реактивность

Ар/Аф - паровой коэффициент реактивности

Ар/AT - температурный коэффициент реактивности

ТНР - турбинно-нейтронный расходомер

Введение к работе:

Актуальность работы. Обеспечение населения и промышленности тепловой и электрической энергией является важнейшей государственной задачей. Более половины топливно-энергетических ресурсов страны расходуется на теплоснабжение. Подавляющая доля тепла в промышленных масштабах производится теплоцентралями, работающими на органическом топливе, при комбинированной выработке тепла и электроэнергии. Преимущества атомных энергоисточников, позволяющие им успешно конкурировать в секторе электроэнергии, могут быть сохранены при их применении для централизованного теплоснабжения с замещением в топливно-энергетическом балансе страны высококачественного органического топлива ядерным топливом, особенно в энергодефицитных регионах. Актуальность использования атомных энергоисточников подтверждается подписанной по инициативе администрации Архангельской области «Декларацией о намерениях по проектированию, сооружению и вводу в эксплуатацию атомной станции по производству тепловой и электрической энергии АТЭЦ в Архангельской области».

Использование атомных энергоисточников для централизованного теплоснабжения и теплофикации требует их максимально близкого расположения к потребителям, а это накладывает наряду с экономичностью и особые требования к установкам по надежности и безопасности. Одной из наиболее адаптированных атомных реакторных установок для этой цели является установка с корпусным кипящим реактором с естественной циркуляцией теплоносителя. Реактор ВК-50 может рассматриваться как прототип такой теплоэнергетической установки, который успешно эксплуатируется в ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР» с 1965 года.

Длительный опыт эксплуатации установки ВК-50 подтвердил такие важные характеристики, как безопасность вследствие физических особенностей активной зоны (кипение замедлителя-теплоносителя и его естественная циркуляция), малая материалоемкость установки, что снижает капитальные удельные затраты на 1 МВт тепловой энергии.

В данной квалификационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические результаты, которые позволили повысить экономические показатели установок данного типа в части улучшения топливоиспользования с обеспечением безопасности.

Таким образом, актуальность научно-квалификационной работы обусловлена:

  1. Необходимостью улучшения топливоиспользования в корпусных кипящих реакторах.

  2. Применимостью экспериментальных данных по характеристикам активных зон корпусных кипящих реакторов с различным водно-топливным отношением (ВТО) для вновь создаваемых подобных реакторов.

3. Возможностью использования верифицированных программных средств для обосно
вания ряда проектов.

4. Применением рекомендаций по повышению выгорания подобных активных зон.
Цель работы

Разработать и продемонстрировать на примере ВК-50 способы повышения экономичности установок с корпусным кипящим реактором путем выбора ВТО с обеспечением требований по безопасности.

Для достижения поставленной цели были решены задачи:

  1. Сделан анализ характеристик активной зоны реактора ВК-50 с ВТО, равным 2,2 (проектное решение).

  2. Выбраны программные средства для расчетного исследования. Проведено их тестирование и проведены расчетные исследования топливной решетки активной зоны с различным ВТО.

  1. На основе анализа результатов расчетов создана новая конструкция ТВС реактора ВК-50 с ВТО, равным 3,0.

  2. Проведены расчетно-экспериментальные исследования характеристик активной зоны реактора ВК-50 с новыми ТВС, его экономической эффективности и безопасности.

  3. Показаны способы улучшения топливоиспользования для проектируемых реакторов подобного типа.

Научная новизна

  1. Развиты теоретические представления о влиянии ВТО применительно к проектной (исходной) конструкции ТВС корпусного реактора с естественной циркуляцией кипящего теплоносителя, а именно - показана эффективность повышения ВТО активной зоны реактора ВК-50 с 2,2 до 3,0.

  2. Предложена и обоснована новая конструкция ТВС активной зоны реактора ВК-50 с ВТО 3,0 с подобранным расположением в ней водяных полостей, обеспечивающая улучшение экономических и эксплуатационных характеристик установки с сохранением свойств самозащищенности данного типа ядерных реакторов. Новизна технического решения защищена авторским свидетельством №1031348 от 12 июня 1981 г.

  3. Получены расчетно-экспериментальные данные по характеристикам активной зоны водяного кипящего реактора с ВТО, равным 3,0, и выявлены основные закономерности влияния этого параметра на нейтронно-физические характеристики реакторной установки.

  4. Выполнена верификация выбранного комплекса программных средств для ней-тронно-физических расчетов характеристик активной зоны корпусного кипящего реактора ВК-50 , который рекомендуется для расчетного сопровождения эксплуатации реактора.

5 Практическая значимость работы

  1. Внедрена в практику эксплуатации РУ ВК-50 предложенная ТВС с ВТО, равным 3,0.

  2. Опытом эксплуатации активной зоны реактора ВК-50 на основе ТВС с ВТО, равным 3,0, показано существенное улучшение экономических и эксплуатационные характеристик реакторной установки. Количество «свежих» подпиточных новых ТВС для годичной кампании реактора уменьшено с 30-К36 до 18^-24 штук. Выработка электроэнергии за кампанию повышена на ~20 %. Длительность эксплуатации ТВС в активной зоне реактора увеличена с трех до пяти лет с возрастанием выгорания выгружаемого топлива на ~25 %.

  3. Внедрен комплекс программных средств для расчетного сопровождения эксплуатации на основе аттестованных и проверенных длительной практикой программных средств МСииСАПФИР-95.

  4. Результаты выбора ВТО и полученные экспериментальным путем характеристики активной зоны рекомендованы для проектирования активной зоны корпусного кипящего реактора с естественной циркуляцией теплоносителя ВК-300. Разработаны предложения по дальнейшему совершенствованию нейтронно-физических характеристик реактора с использованием освоенных промышленностью и проверенных на практике твэгов. Выполнены обосновывающие нейтронно-физические расчеты стационарных режимов 1-й категории. Эти предложения подлежат дальнейшей проработке (расчеты режимов 2, 3 и 4 категорий) и экспериментальной проверке.

  5. Экономический эффект в год по топливу составляет не менее 24 млн. рублей, по дополнительной выработке электроэнергии не менее 20 млн. рублей (в ценах 2007 г.).

Достоверность научных результатов

Результаты научных исследований основаны на использовании аттестованных и проверенных на практике расчетных программных средств и подтверждены как экспериментальными исследованиями, так и длительным (с 1985 года) опытом эксплуатации активной зоны РУ ВК-50 с водно-топливным отношением 3,0 в стационарных и переходных режимах.

Личный вклад автора заключается:

в расчетном обосновании активной зоны с ВТО 3,0 и в разработке технического решения на основе этих расчетов по конструкции новой ТВС, защищенной авторским свидетельством;

в непосредственном участии во внедрении ТВС с ВТО 3,0 на всех этапах от проектирования и изготовления до эксплуатации в активной зоне РУ ВК-50;

в непосредственном участии в разработке, организации и проведении экспериментальных программ по исследованию физических характеристик активной зоной с ВТО 3,0 как в стационарных и динамических режимах работы РУ ВК-50, так и вблизи границы резонансной неустойчивости;

в систематизации и анализе полученных экспериментальных данных и последующей их расчетной обработке;

во внедрении, освоении и тестировании программ FTORF, БИПР-К&РОР, БИ11Р-К&САПФИР-95, MCU RFFI/A и MCU RR для проведения оптимизационных расчетов и сопровождения реактора ВК-50;

в организации и личном участии в предложениях по дальнейшему улучшению топливо-использования, что выразилось в проведении расчетов физических характеристик активной зоны корпусных кипящих реакторов с применением ТВС с переменным аксиальным ВТО и выгорающих поглотителей на основе гадолиния (твэгов).

В работе приведены результаты расчетных и экспериментальных исследований, в получении которых автор принимал непосредственное участие. Автор самостоятельно ставил и формулировал задачи исследований в рамках программ совершенствования реакторов ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР», выполнял расчеты, совместно с персоналом реактора и сотрудниками научных отделов проводил измерения характеристик реактора, анализировал результаты. Является соавтором изобретения на тепловыделяющую сборку с водно-топливным отношением 3,0.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Результаты расчетных нейтронно-физических исследований по выбору ВТО топливной решетки ТВС активной зоны реактора ВК-50.

  2. Результаты экспериментальных исследований нейтронно-физических и теплогид-равлических характеристик активной зоны реактора ВК-50 с повышенным ВТО, равным 3,0, подтверждающие результаты расчетов и показывающие, что в сравнении с ВТО, равным 2,2 , значительно повышается выгорание топлива.

3.Результаты экспериментальных исследований переходных (нестационарных) режимов реактора, показывающие, что повышение экономических параметров установки не повлияло на внутренние свойства самозащищенности.

4. Результаты верификации программных средств для сопровождения эксплуатации корпусного кипящего реактора с естественной циркуляцией теплоносителя (на примере реактора ВК-50).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

-на юбилейном семинаре специалистов, посвященном 30-летию эксплуатации корпусного кипящего реактора с кипящей водой ВК-50, г. Димитровград, 1995;

-на семинаре «Нейтроника 2002», г. Обнинск, 2002;

-на отраслевом совещании «Использование и эксплуатация исследовательских реакторов», г. Димитровград, 2004;

-на научно-техническом семинаре по динамике ЯЭУ «Оценка экспериментальных данных и верификация расчетных кодов», г. Сосновый Бор, 2004;

-на международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», г. Подольск, 2005;

-на отраслевом семинаре по динамике ЯЭУ «Водяной кипящий реактор: опыт эксплуатации, динамика и безопасность» г. Димитровград, 2005.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 работ: 1 изобретение, 4 статьи в научно-технических журналах, входящих в Перечень ВАК изданий, в которых должны быть опубликованы материалы диссертаций, 1 препринт, 8 публикаций в сборниках трудов ГНЦ РФ НИИАР, конференций и семинаров.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и одного приложения. Работа изложена на 130 листах, включая 20 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 135 наименований.

Подобные работы
Михальчук Александр Васильевич
Обоснование системной эффективности и способов повышения коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) АЭС С ВВЭР-1000
Сигал Евгений Маркович
Эффективность использования установленной мощности на АЭС России и пути ее повышения
Соколов Андрей Николаевич
Экспериментальное и расчетное обоснование использования оксидного топлива с низким сопротивлением деформированию в ТВЭлах энергетических реакторов
Игнатов Виктор Игоревич
Эффективность повышения эксплуатационной безопасности АЭС с ВВЭР-1000 управлением запроектными авариями
Тошева Валерия Васильева
Повышение эффективности некоторых средств обеспечения безопасности АЭС при разгерметизации реакторного контура
Калинкин Владимир Ильич
Обоснование метода сухого хранения отработавшего ядерного топлива АЭС с реакторами РБМК-1000 и ВВЭР-1000
Ижутов Алексей Леонидович
Разработка и усовершенствование методик определения тепловой мощности и выгорания топлива в исследовательском реакторе МИР.М1
Дремин Георгий Иванович
Исследование эффективности естественной циркуляции в первом контуре РУ с ВВЭР-1000 при аварии с малой течью теплоносителя
Баллестерос Антонио
Анализ современного состояния проблемы радиационного охрупчивания материалов корпусов реакторов и перспектив повышения надежности оценок их эксплуатационного ресурса (На примере испанских реакторов PWR)
Скотникова Татьяна Владимировна
Иследование и разработка струйных рекуператоров для повышения эффективности использования топлива в промышленных печах

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net