Чусов И.А. Применение обобщенного преобразования прандтлямизеса для решения задач теплогидравлического расчета активных зон ядерных реакторов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук: 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации. — Обнинский институт атомной энергетики национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». — Обнинск, 2010. — 70 с. Цель работы состоит в разработке струйной методики расчета активных зон ЯЭУ и ее верификации на опытных данных, полученных на действующих энергоблоках и модельных сборках реакторов различных типов.
Научная новизна
Предложена и обоснована математическая модель для расчета тепло-массообмена во всем объеме активной зоны ядерного реактора. Она основана на представлении движения гомогенного или гетерогенного теплоносителя, как течения системы коаксиальных струй в условиях квазисвободного смешения.
В рамках модели выполнено обобщение преобразования Прандтля-Мизеса, позволившее численно, и используя приближенный аналитический метод, найти распределение температур на выходе из активной зоны водоводяных реакторов, включая случаи частичной блокировки части проходного сечения.
Использование обобщенного преобразования Прандтля-Мизеса позволило, получить хорошо согласующиеся с опытными данными распределения скоростей и температур для различных частей однородной и неоднородной модельной сборки реактора с жидкометаллическим теплоносителем. В аналитической форме получено приближенное решение для распределения скоростей и температур теплоносителя, хорошо коррелирующее с данными эксперимента и результатами численного расчета.
Обоснована концепция нейтронного генератора на основе газодисперсной струйной мишени. Разработана новая методика расчета газопылевых струйных течений, учитывающая динамическую и тепловую неравновесность фаз. Получено хорошо согласующееся с экспериментальными данными приближенное аналитическое решение для распределений скоростей обеих фаз и концентрации примеси вдоль оси гетерогенной струи. Выполнены вариантные расчеты выхода нейтронов для различных энергий, токов пучка и концентрации примеси, определены температурные характеристики рабочей камеры мишени.
Расчетно-экспериментальным путем, на основании сопоставления данных эксперимента в физической плоскости и численного решения в преобразованной плоскости, обоснован вид выражений для коэффициента турбулентного обмена для гомогенных и гетерогенных потоков с учетом динамической и тепловой неравновесности фаз.
Практическая ценность исследований заключается в применении разработанных моделей и расчетных кодов для анализа теплогидравлических процессов в элементах оборудования АЭС и модельных сборках вновь проектируемых энергетических установок.
Разработанный и изложенный в диссертации метод расчета теплогидравлических характеристик активных зон позволяет проводить их расчет с учетом реальных условий эксплуатации энергоблоков и исследовательских реакторов, включая блокировки части проходного сечения, с наперед заданной степенью детализации.
Полученная на основе расчетов, детальная информация о величинах температур, скоростей и давлений в различных точках активной зоны дает возможность своевременно принять меры во избежание возникновения аварийных ситуаций на действующих и вновь разрабатываемых энергоблоках с водоводяными, жидкометаллическим и газовыми реакторами, внутрикорпусные устройства которых состоят из неочехленных ТВС.
Разработанный в работе расчетно-экспериментальный метод получения вида выражений для коэффициентов турбулентного обмена позволит оценить вклад поперечной макроконвекции в коэффициенты межканального обмена при расчетах по поканальной методике.
Предлагаемая методика расчета, дает возможность получить детальное решение с наименьшими вычислительными затратами, следовательно, применима для использования в функционально-аналитических тренажерах, которые моделируют теплогидравлические процессы в режиме реального времени.
Обоснована с точки зрения газодинамики и теплофизики концепция генератора нейтронов на основе гетерогенной струйной мишени. Разработана методика расчета гетерогенной неизотермической струи и генератора нейтронов с гетерогенной струйной мишенью.