Курс лекций по физике ядерного реактора Аварийные ситуации Радиоактивные отходы Термоядерные реакторы Источники радиоактивного облучения

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

Принципы теплопереноса

При рассмотрении процессов теплопереноса обычно определяют тепловой поток q с поверхности, который представляет собой скорость потока тепла с единицы площади поверхности в единицу времени и измеряется в Дж/(м2 с) или в Вт/м2. Тепловой поток часто связывают с разностью температур, или температурным напором ΔT, с помощью простого соотношения: q=h ΔT, где h - константа пропорциональности, обычно называемая коэффициентом теплоотдачи. Температурный напор ΔT определяется как разность между температурой поверхности топливного элемента Tω и объемной температурой теплоемкости ТВ:

Температура теплоносителя не одинакова по сечению канала; в областях, прилежащих к стенке, он имеет температуру, близкую к температуре стенки. Объемная температура теплоносителя ТВ находится в предположении полного перемешивания теплоносителя в пределах канала. На рис. 3.1 показано типичное радиальное распределение температуры в топливе и теплоносителе ядерного реактора. Тепло генерируется в топливных таблетках, проходит к поверхности таблетки за счет теплопроводности, затем через газовый зазор переходит от таблетки к оболочке и в конце передается теплоносителю. Процессы теплопереноса в ядерных реакторах должны быть организованы таким образом, чтобы предотвратить превышение двух основных температурных ограничений.

1. Максимальная температура топлива. Если топливо изготовлено из металлического урана, то его максимальная температура составляет примерно 6500С, выше которой происходит его объемное распухание из-за изменений в кристаллической структуре. Для уранового оксидного топлива максимальная температура - около 28000С (температура плавления оксида урана). Несмотря на значительно более низкую максимальную температуру, металлическое топливо может выдавать тепло с поверхности со скоростью, большей, чем у оксидного топлива, из-за значительно более высокой теплопроводности. Однако в современных реакторах металлическое топливо используется редко, так как оно может химически реагировать с теплоносителем при дефектах оболочки.

Рис. 3.1. Типичное распределение температуры по радиусу топливного стержня в реакторе типа PWR: 1 - зазор между топливом и оболочкой; 2 - конец кампании; 3 - начало кампании; 4 - оболочка; 5 - теплоноситель

2. Максимальная температура оболочки. Температура оболочечного материала часто является ограничивающим фактором. Например, широко используемый оболочечный сплав циркалой быстро корродирует, если его температура превысит 5000С, причем реакция протекает экзотермически, т.е. генерируется тепло, провоцирующее дальнейшее протекание реакции с образованием водяного пара и водорода при температурах выше 10000С. В реакторах AGR и в быстрых реакторах с жидкометаллическим теплоносителем в качестве материала оболочки топлива используется нержавеющая сталь. Она совместима с углекислым газом и натрием при нормальных рабочих температурах (700 - 7500С), но быстро окисляется при более высоких температурах. Абсолютным пределом работоспособности нержавеющей стали является ее температура плавления - около 14000С.

На практике невозможно спроектировать ядерный реактор, работающий с температурами, близкими к предельным, так как необходим определенный запас на незапланированные или аварийные ситуации. Ниже приведены типичные максимальные температуры оболочек при стационарной работе реакторов разного типа:

Оболочка из магниевого сплава Magnox

4500С

Оболочка из нержавеющей стали в реакторах AGR

7500С

Реакторы PWR

3200С

Кипящие реакторы

3000С

Быстрые реакторы с натриевым теплоносителем

7500С

Коэффициент теплоотдачи h зависит от физических свойств теплоносителя, причем он увеличивается с повышением теплопроводности, плотности и с уменьшением вязкости. Он также сильно зависит от скорости прокачки теплоносителя. Ниже приведены типичные значения h для реакторных теплоносителей в обычном диапазоне их скоростей:

Вода

30000 Вт/(м2 0С)

Кипящая вода

60000 Вт/(м2 0С)

Углекислый газ под высоким давлением

1000 Вт/(м2 0С)

Жидкий натрий

55000 Вт/(м2 0С)

В реакторах PWR тепловой поток q обычно составляет около 1,5 106 Вт/м2, что дает разность температур между оболочкой и теплоносителем примерно 500С. В быстром реакторе с жидкометаллическим теплоносителем тепловой поток может достигать 2 106 Вт/м2, а та же разность температур - 350С. Аналогичные значения для кипящего реактора 1 106 Вт/м2 и 150С.

Рис. 3.2. Вид с торца на оболочку топливного элемента реакторов Magпох с елочкообразным размещением ребер:

1 - расщепители потока теплоносителя; 2 - ребра; 3 - торцевая крышка

Рис. 3.3. Продольное сечение топливного стержня реактора AGR:

1 - оребренная поверхность оболочки топлива; 2 - полая цилиндрическая топливная таблетка

Приведенные выше значения коэффициентов теплоотдачи получены для гладких плоских поверхностей. Коэффициент теплоотдачи для углекислого газа много меньше, чем для воды и натрия. Это означает, что в реакторах с газовым охлаждением будет либо неприемлема высокая разность температур, либо неприемлема низкая мощность. Следовательно, необходимо как-нибудь усилить теплоотдачу в таких системах. В реакторах типа Magnox это достигается оребрением внешней поверхности топливных элементов, как показано на рис. 2.4 и более детально на рис. 3.2. Оребрение поверхности увеличивает площадь контакта оболочки с газовым теплоносителем, что повышает скорость теплоотдачи при фиксированном количестве топлива. Ребра также способствуют интенсивному перемешиванию газа, что дополнительно улучшает теплоперенос. Использование внешнего оребрения повышает скорость теплоотдачи в 5 - 6 раз по сравнению с гладкой поверхностью топливного элемента.


На главную страницу. Реакторы атомных станций