Способ охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области теплофизических исследований. Сущность изобретения: способ охлаждения тепловыделяющей сборки (ТВС) с имитаторами твэл заключается в том, что нижние части имитаторов твэл охлаждают путем передачи тепла теплопроводностью от имитаторов твэл к высокотеплопроводному блоку, через который они пропущены, а от него путем подачи охлаждающего вещества в полость, размещенную по периметру высокотеплопроводного блока. Нижние части токоподводов охлаждают путем подачи охлаждающего вещества в емкость, в которой они размещены. Устройство для охлаждения ТВС с имитаторами твэл содержит нижний фланец корпуса ТВС с выходящими из него имитаторами твэл, включающими нижнюю часть имитаторов и нижнюю часть токоподводов, подсоединенных к общему токоподводу через гибкие токопроводящие элементы. При этом нижние части имитаторов твэл размещены в блоке из высокотеплопроводного материала. Преимуществом изобретения является то, что оно позволяет повысить надежность и работоспособность ТВС с имитаторами твэл за счет улучшения охлаждения выходных частей имитаторов и токоподводов. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для охлаждения имитаторов твэл в процессе работы их в составе сборки. Имитаторы твэл используются в качестве модельных элементов при исследовании температурных режимов тепловыделяющих элементов при различных режимах работы реактора в том числе и аварийных. Имитатор твэл (фиг. 1) состоит из корпуса имитатора - оболочки 1, выполняемого из нержавеющей стали и служащего для размещения внутри него нагревательного элемента 2 в виде проволоки или стержня, по которому пропускают ток от источника тока. В качестве материала нагревательного элемента используют нихром, сталь и т.п. Нагревательный элемент установлен в верхний токоподводящий узел 7, который выполнен заодно с корпусом имитатора, нижний токоподвод 6 подсоединен к нагревательному элементу. Между корпусом имитатора твэл и нагревательным элементом размещен электроизолирующий материал 3. В качестве последнего используют, как правило, порошок (наполнитель) MgO - периклаз. Выход нагревательного элемента из корпуса осуществляется через узел герметизации 5. Внутри оболочки установлены термопары 4, горячие спаи которых касаются вогнутой поверхности оболочки, а удлинительные провода выходят через узел герметизации (фиг. 1).

Имитаторы твэл используются, как правило, в составе сборок. Число имитаторов в сборке в зависимости от решаемой задачи может быть различным и лежит в пределах от 3 до 400.

Одной из причин выхода имитаторов из строя является перегрев нижней части имитаторов и токоподводов, выходящих из фланцевого соединения и находящихся на воздухе (фиг.2). В зависимости от проходящего через имитаторы тока и электрического сопротивления нижней части имитаторов и токоподводов (фиг. 2) в них выделяется то или иное количество тепла. При невысоких плотностях теплового потока и соответственно невысокого тока, проходящего через имитаторы, отвод тепла от имитаторов возможен с помощью естественной циркуляции воздуха, возникающей за счет разности температур имитаторов и окружающего воздуха. В противном случае, т.е. при больших токах, проходящих через имитаторы, необходимо их принудительное охлаждение.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ охлаждения имитаторов твэл, заключающийся в подаче охлаждающей жидкости в полость, образованную в нижней части токоподводов (Majed M., Norback G. , Wiman P. Experience Using Individually Supplied Heater Rods in Critical Power Testing of Advanced BWRFuеl/NURETH-7, 1995).

Основной недостаток способа заключается в том, что не удается снять тепло, выделяемое в нижних частях имитаторов. Это связано с тем, что выполнение полостей и подача охлаждающей жидкости в имитатор недопустима. Попадание жидкости в имитатор и взаимодействие ее с электроизолятором приводит к уменьшению электросопротивления замыканию на оболочку и выходу имитатора из строя. Снятие тепла с нижней части имитаторов происходит только за счет передачи тепла теплопроводностью от охлаждаемых нижних частей токоподводов. При больших токах, проходящих через имитатор, тепло, отводимое за счет теплопроводности, составляет небольшую часть от тепла, выделяемого в нижней части имитаторов. Основная часть тепла идет на разогрев имитатора, повышение температуры внутреннего электрода до недопустимых величин и выходу из строя имитатора.

Известно устройство для охлаждения имитаторов твэл, содержащее герметичную полость в нижней части токоподводов имитаторов, в которую подается охлаждающая жидкость (Majed M., Norback G., Wiman P. Experience Using Individually Supplied, Heater Rods in Critical Power Testing of Advanced BWR Fuel/ NURETH-7, 1995).

Основной недостаток устройства заключается в том, что не удается снять тепло, выделяемое в нижних частях имитаторов. Это связано с тем, что выполнение полостей и подача охлаждающей жидкости в имитатор недопустима. Попадание жидкости в имитатор и взаимодействие ее с электроизолятором приводит к уменьшению электросопротивления, замыканию на оболочку и выходу имитатора из строя. Снятие тепла с нижней части имитаторов происходит только за счет передачи тепла теплопроводностью от охлаждаемых нижних частей токоподводов. При больших токах, проходящих через имитатор, тепло, отводимое за счет теплопроводности, составляет небольшую часть от тепла, выделяемого в нижней части имитаторов. Основная часть тепла идет на разогрев имитатора, повышение температуры внутреннего электрода до недопустимых величин и выходу из строя имитатора. Кроме того, конструктивно выполнение устройства довольно сложно и возможно только в сборках с небольшим количеством имитаторов (3-19).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству для охлаждения имитаторов является устройство, содержащее нижний фланец корпуса ТВС с выходящими из него имитаторами твэл, включающими нижнюю часть имитаторов и нижнюю часть токоподводов, через гибкие токопроводящие элементы, подсоединенных к общему токоподводу. Воздух для охлаждения подается от вентилятора на имитаторы твэл непосредственно либо через патрубок подвода воздуха. В последнем случае вокруг имитаторов выполняется специальная обечайка, направляющая воздух на имитаторы.

Основной недостаток устройства заключается в малой его эффективности. Последнее обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи от имитатора к воздуху и соответственно малым количеством тепла, отводимого от имитаторов.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении надежности и работоспособности тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл за счет улучшения охлаждения выходных частей имитаторов и токоподводов. Достижение технического результата достигается за счет того, что нижние части имитаторов твэл охлаждают путем передачи тепла теплопроводностью от имитаторов твэл к высокотеплопроводному блоку, через который пропущены имитаторы твэл, а от него путем подачи охлаждающего вещества в полость, размещенную по периметру высокотеплопроводного блока, а нижние части токоподводов охлаждают путем подачи охлаждающего вещества в емкость, в которой размещены нижние части токоподводов.

В устройстве для осуществления способа охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл, содержащем нижний фланец корпуса ТВС с выходящим из него имитаторами твэл, включающими нижнюю часть имитаторов и нижнюю часть токоподводов, через гибкие токопроводящие элементы подсоединенных к общему токоподводу, технический результат достигается за счет того, что нижние части имитаторов твэл размещены в блоке из высокотеплопроводного материала, по периметру которого выполнена полость, а нижние части токоподводов размещены в емкости.

Технический результат достигается также за счет того, что общий токоподвод размещен в емкости и подсоединен к источнику питания ТВС через герметичный и электроизолированный от корпуса емкости токоподвод.

Технический результат достигается также за счет того, что расстояние L между сечением выхода токоподвода из электроизолирующего слоя имитатора и уровнем жидкости в емкости больше величины перемещения имитаторов за счет температурных расширений ΔZ_t, т.e. L>ΔZ_t.

Технический результат достигается также за счет того, что высота полости в высокотеплопроводном блоке h меньше или равна расстоянию от выхода имитатора из фланца до выхода термопар из под оболочки имитатора h_им, h≤h_им.

Технический результат достигается также за счет того, что ширина зазора Δ₁ между поверхностью имитатора твэл и поверхностью отверстий в высокотеплопроводном блоке лежит в пределах 0,1 <Δ₁<Δ_макс, где максимальная величина зазора Δ_макс определяется из следующего выражения Δ_макс = λ_вΔT_макс/q, где ΔT_макс - максимальное значение перепада температуры в воздушном зазоре, q - плотность теплового потока на стенке имитатора в его нижней части, λ_в - коэффициент теплопроводности воздуха в воздушных зазорах.

Технический результат достигается также за счет того, что между нижней поверхностью фланца и верхней поверхностью высокотеплопроводного блока выполнен зазор Δ₂, причем высота зазора выбрана из условия 1<Δ₂<5 мм.

На фиг. 2 представлена схема устройства для осуществления способа охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл, включающая его основные элементы и элементы, подлежащие охлаждению.

Устройство включает в себя следующие элементы: 1 - корпус рабочего участка 2 - устройство для охлаждения нижней части имитаторов 3 - токоподводы безтермопарных имитаторов (138 шт.) 4 - токоподводы термопарных имитаторов (30 шт.) 5 - медные втулки 6 - керамические втулки 7 - устройство для охлаждения нижней части токоподводов 8 - изолирующие прокладки 9 - герметичный разъем для вывода потенциальных выводов
10 - узел для подсоединения гибких токоподводов
11- общий токоподвод
12 - входные элементы для устройства по п.2
13 - входные элементы для устройства по п.7
14 - выходные элементы для устройства по п.2
15 - выходные элементы для устройства по п.7
16 - теплообменник
17 - насос
18 - термопары
19 - регулирующий вентиль
20 - регулирующий вентиль
21 - изолирующие втулки
22 - изолирующая пластина
23 - "воздушники"
24, 25, 26, 27 - термопары
28 - токоподвод
29 - источник питания
30 - потенциальные выводы
На фиг. 3 приведена схема устройства для охлаждения нижней части имитаторов - 1 - корпус устройства, 2 - входные элементы, 3 - выходные элементы.

Система охлаждения работает следующим образом.

Запуск системы.

Перед началом работы система заполняется водой. Заполнение системы водой производится путем подсоединения входных и выходных устройств 12, 13, 14, 15, фиг.2 к источникам охлаждающей воды. Проверка заполнения осуществляется путем продувки "воздушников" 23 фиг.2, установленных в верхних частях системы охлаждения. Заполнение системы проходит до тех пор пока из "воздушников" не появится вода. После этого "воздушники" перекрываются. Система готова к работе.

Работа системы заключается в создании циркуляции воды по замкнутым контурам и отводе тепла от токоподводов. Контроль за работой системы осуществляется путем измерения температуры воды на выходе из системы охлаждения с помощью термопар погружного типа 24, 25, 26, 27 (фиг.2). Температура воды на выходе из системы охлаждения должна быть меньше температуры насыщения при рабочем давлении. Температура воды на входе в систему охлаждения должна быть не выше 30-50^oС.

Для эффективной работы системы охлаждения и безаварийной работы пучка необходимо выполнить следующие условия. Имитаторы твэл 3 (безтермопарный твэл), 4 (термопарный твэл) (фиг.2) должны свободно перемещаться в корпусе 2 устройства для охлаждения нижней части имитаторов на всей его высоте (фиг. 2).

Расстояние L₁ и L между сечением выхода токоподвода из электроизолирующего слоя безтермопарного и термопарного имитатора и уровнем жидкости в емкости должно быть больше величины перемещения имитаторов за счет температурных расширений ΔZ_t, т.е. L>ΔZ_t. Из двух значений L₁ и L выбирается меньшее - в данном случае L. В противном случае при перемещении имитаторов за счет температурного расширения имитаторы погрузятся в охлаждающую жидкость, размещенную в емкости, ниже керамических втулок 6 (фиг.2) произойдет попадание охлаждающей жидкости под оболочку имитаторов в электроизолирующий слой (периклаз - MgO) и выход имитаторов из строя. На фиг.2 показан случай герметичного выполнения емкости, в которой размещены имитаторы. В этом случае уровень охлаждающей жидкости совпадает с нижней поверхностью фланца емкости.

Высота высокотеплопроводного блока h меньше или равна расстоянию от выхода имитатора из фланца до выхода термопар из под оболочки имитатора
h_им, h≤h_им.

Последнее условие вытекает из следующего ограничения. При перемещении имитатора за счет температурного нагрева термопары, выходящие из под оболочки имитатора, затруднят перемещение и (или) сделают его невозможным. Последнее приведет к изгибу имитатора и выходу его из строя. В связи с этим h должно быть меньше или равно расстоянию от выхода имитатора из фланца до выхода термопар из под оболочки имитатора h_им, h≤h_им.

Выбор ширины зазора Δ₁ между поверхностью имитаторов твэл и поверхностью отверстий в высокотеплопроводном блоке сделан исходя из следующих условий. Нижний предел выбран из условия минимального термического сопротивления воздушного зазора. При этом зазоре перепад температур между оболочкой имитатора и поверхностью отверстия в высокотеплопроводном блоке минимален (при фиксированной плотности теплового потока), в то же время обеспечивается достаточно свободное перемещение имитатора. Выполнение зазора меньше 0,1 мм технологически сложно, сборка имитаторов также затруднена. Увеличение зазора приводит к увеличению термического сопротивления и соответственно росту температуры имитаторов. Максимальная величина зазора определяется из следующего выражения Δ_макс = λ_вΔT_макс/q, где ΔT_макс - максимальное значение перепада температуры в воздушном зазоре, q - плотность теплового потока на стенке имитатора в его нижней части, λ_в - коэффициент теплопроводности воздуха в воздушном зазоре.

Величина зазора между нижней поверхностью фланца и верхней поверхностью высокотеплопроводного блока λ₂ выбрана из следующих условий. Нижний предел из условия начала образования конвективных токов за счет разницы температур нагретых имитаторов и окружающего воздуха. Верхний предел из условия ухудшения теплоотдачи за счет образования в зазоре вихревых ячеек, затрудняющих направленное движение воздуха в зазоре. 1<Δ₂<5 мм, Δ₂ - определяется опытным путем.

В качестве примера рассмотрим систему охлаждения тепловыделяющей сборки мощностью 10 МВт с имитаторами косвенного нагрева.

Основные параметры.

1. Номинальный ток через один имитатор - 450 А.

2. Напряжение источника тока - до 150 В.

3. Суммарное тепловыделение в медных токоподводах и нижних частях имитаторов - до 27 кВт.

4. Тепло, выделяемое в нижней части имитаторов (от места выхода имитаторов из нижней крышки корпуса рабочего участка до выхода термопар из оболочки) (фиг.2) - 10 кВт. Тепло, выделяемое в средней части токоподводов (место размещения термопар - выход и подсоединение) (фиг.2) - 2 кВт.

5. Тепло, выделяемое в нижней части (медные токоподводы имитаторов, гибкие токоподводы, общий токоподвод) (фиг.2) - 15 кВт.

6. Число имитаторов в сборке - 168.

Верхний высокотеплопроводный блок - высота 90 мм, расстояние от выхода имитатора из фланца до выхода термопар из под оболочки имитатора h_им=100 мм, т.е. h≤h_им, Δ₁ = 0,1 мм, Δ₂ = 1,5 мм.
Для уменьшения электрического сопротивления токоподводов и соответственно тепла, выделяемого в токоподводах, на токоподводы в их нижней части надеты медные втулки 5 (фиг.2) наружным диаметром 8 мм.

Расход воды, подаваемой на вход щели высокотеплопроводного блока, 500 кг/ч, температура на входе 25^oС, на выходе 70-80^oС. При этом температура оболочек имитаторов не превышала 150^oС.

Расход воды, подаваемой на вход емкости, в которую помещались имитаторы, не превышал 800 кг/ч, температура подаваемой воды не превышала 25^oС. На выходе температура воды колебалась в пределах 45-50^oС. Температура токоподводов не превышала 100^oС.

Температура токоподводов между высокотеплопроводным блоком и емкостью, т.е. находящихся на воздухе, не превышала 180^oС.

Таким образом, предлагаемый способ охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл позволяет повысить надежность и работоспособность тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл за счет улучшения охлаждения выходных частей имитаторов и токоподводов.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения тепловыделяющей сборки (ТВС) с имитаторами твэл, включающий подачу охлаждающего вещества на нижнюю часть имитаторов и токоподводов, отличающийся тем, что нижние части имитаторов твэл охлаждают путем передачи тепла теплопроводностью от имитаторов твэл к высокотеплопроводному блоку, через который пропущены имитаторы твэл, а от него путем подачи охлаждающего вещества в полость, размещенную по периметру высокотеплопроводного блока, причем нижние части токоподводов охлаждают путем подачи охлаждающего вещества в емкость, в которой размещены нижние части токоподводов.

2. Устройство для охлаждения сборки с имитаторами твэл, содержащее нижний фланец корпуса ТВС с выходящими из него имитаторами твэл, включающими нижнюю часть имитаторов и нижнюю часть токоподводов, через гибкие токопроводящие элементы подсоединенных к общему токоподводу, отличающееся тем, что нижние части имитаторов твэл размещены в блоке из высокотеплопроводного материала, по периметру которого выполнена полость, а нижние части токоподводов размещены в емкости.

3. Устройство для охлаждения сборки с имитаторами твэл по п. 2, отличающееся тем, что общий токоподвод размещен в емкости и подсоединен к источнику питания ТВС через герметичный и электроизолированный от корпуса емкости токоподвод.

4. Устройство для охлаждения сборки с имитаторами твэл по п. 2, отличающееся тем, что расстояние L между сечением выхода токоподвода из электроизолирующего слоя имитатора и уровнем жидкости в емкости должно быть больше величины перемещения имитаторов за счет температурных расширений, ΔZ_t, т. е. L>ΔZ_t.

5. Устройство для охлаждения сборки с имитаторами твэл по п. 2, отличающееся тем, что высота полости в высокотеплопроводном блоке h меньше или равна расстоянию от выхода имитатора из фланца до выхода термопар из-под оболочки имитатора h_им, h≤h_им.

6. Устройство для охлаждения сборки с имитаторами твэл по п. 2, отличающееся тем, что ширина зазора Δ₁ между поверхностью имитаторов твэл и поверхностью отверстий в высокотеплопроводном блоке лежит в пределах 0,1<Δ₁<Δ_макс, где максимальная величина зазора Δ_макс определяется из следующего выражения Δ_макс = λ_в•ΔT_макс/q, где ΔT_макс - максимальное значение перепада температуры в воздушном зазоре, q - плотность теплового потока на стенке имитатора в его нижней части, λ_в - коэффициент теплопроводности воздуха в воздушных зазорах.

7. Устройство для охлаждения сборки с имитаторами твэл по п. 2, отличающееся тем, что между нижней поверхностью фланца и верхней поверхностью высокотеплопроводного блока выполнен зазор Δ₂, причем высота зазора выбрана из условия 1<Δ₂<5 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3