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

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

В улучшенных газовых реакторах AGR улучшение теплопереноса достигается совсем другим способом.

Оболочка топливных элементов обрабатывается на станках таким образом, чтобы произвести на поверхности оболочки кольца прямоугольного сечения, как показано на рис. 3.3. Эти прямоугольные ребра очень слабо увеличивают полную поверхность оболочки, но повышают коэффициент теплоотдачи примерно в 2,5 раза,. Разрушая поток горячего газа, обтекающего поверхность, ребра вызывают смешение горячего газа с более холодным в объеме потока, способствуют притоку прохладного газа к поверхности топливного элемента, ускоряя тем самым теплоотвод. Однако это ускорение теплопереноса достигается повышением гидравлического сопротивления системы, что потребует большей мощности циркуляционных насосов.

Для производства электроэнергии на атомных электростанциях необходимо довести воду до кипения, чтобы выработать пар. В кипящих реакторах это происходит непосредственно в активной зоне. В других типах реакторов (см. гл. 2) кипение воды осуществляется в парогенераторах, подогреваемых теплоносителем первого контура; водой в реакторах PWR; углекислым газом в реакторах AGR и натрием в быстрых реакторах.

Явление кипения воды встречается часто в повседневной жизни. Большинство английских семей имеют электрический чайник для кипячения воды в домашних целях. В таких чайниках пузырьки пара образуются на поверхности нагревательного элемента, поднимаются через толщу воды, первоначально конденсируясь, а позже, покидая поверхность воды, проходят через носик чайника, напоминая о необходимости выключить его. В таком домашнем чайнике коэффициент теплоотдачи составляет около 10000 Вт/(м2 0С), что дает разность температур поверхности нагревательного элемента и кипящей воды в 150С. Электрический чайник используется как удобная аналогия при рассмотрении вопросов безопасности и аварийных условий в гл. 4. Отметим, что коэффициент теплоотдачи в типичном домашнем чайнике примерно в 6 раз ниже, чем в кипящем реакторе. Это связано с тем, что коэффициент теплоотдачи при кипении растет с повышением давления, теплового потока и скорости теплоносителя, которые существенно выше в реакторах BWR.

Другой сложностью кипящих реакторов является содержание в паре оставшейся неиспаренной воды, т.е. образование двухфазного потока (вода в жидком и парообразном виде). Природа, двухфазных потоков очень сложна, и они имеют большее гидравлическое сопротивление (большее падение давления при прохождении через реактор), чем эквивалентные однофазные потоки. Развитие двухфазного потока в нагреваемом канале показано на рис. 3.4 для случая простой нагреваемой трубки. В нижней части канала теплоперенос происходит только к жидкости, т.е. к однофазному потоку. В определенной точке по оси канала на его стенках начинают образовываться пузырьки, т.е. мы наблюдаем область двухфазного пузырчатого потока. Первоначально пузырьки, образовавшиеся на стенке, быстро конденсируются при движении к центру трубки. Однако по мере повышения температуры жидкости и приближения к точке кипения пузырьки больше не конденсируются. Чем дальше поток идет по трубке, тем большая часть жидкости превращается в пар. Для описания степени испарения широко используется параметр, называемый качеством пара х и определяющий долю пара в полном массовом потоке жидкости. Когда число пузырьков становится достаточно большим, они начинают объединяться и образуют очень большие снарядообразные пузыри, устанавливается снарядный режим потока. Затем и эти большие пузыри пара объединяются, и начинается кольцевой режим потока, характеризующийся наличием жидкой пленки на поверхности нагрева и потоком пара, протекающим в центре канала (рис. 3.4). Поверхность жидкой пленки сильно возмущена рябью и волнами, с вершин которых жидкость срывается в виде капель и уносится паром.

Рис. 3.4. Развитие потока в вертикальном нагреваемом канале

Дальше по каналу жидкая пленка постепенно утончается за счет испарения и уноса капель и, наконец, исчезает. Здесь начинается капельный режим, жидкость сохраняется в потоке только в виде капель. Переход от кольцевого режима (смоченная стенка) к капельному (сухая стенка) часто называют осушением. Это особенно важный переход, поскольку приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи. В кольцевом режиме потока коэффициент теплоотдачи обычно составляет десятки тысяч Вт/(м2 0С). За переходом в капельный режим коэффициент теплоотдачи падает во много раз, примерно до 2000 Вт/(м2 0С). Такое уменьшение коэффициента теплоотдачи приводит к увеличению температуры поверхности нагрева, если тепловой поток остается постоянным. В результате температура поверхности становится неприемлемо высокой. Поэтому важно избежать осушения канала в активной зоне реактора, где тепловой поток определяется нейтронным полем. Как показано в § 2.2, температура топлива действующего ядерного реактора однозначно связана со скоростью теплопереноса от топлива к теплоносителю. Если коэффициент теплоотдачи упадет, скажем, в 30 раз, с 60000 до 2000Вт/(м2 0С),то разность температур между топливом и теплоносителем увеличится во столько же раз, т.е. с 15 до 4500С, и будет превзойдена допустимая рабочая температура оболочки из циркалоя. Поэтому очень важно эксплуатировать реактор в условиях недопущения осушения каналов.

Как видно из рис. 3.4, капли жидкости продолжают существовать на больших расстояниях за точкой осушения стенок. Это происходит из-за медленного испарения капель, даже при разогреве пара выше температуры кипения или температуры насыщения. Теплоперенос в области, лежащей за точкой осушения, очень важен при рассмотрении аварийных ситуаций. Этот вопрос будет обсужден в гл. 4.

В отличие от ситуации в активной зоне, где тепловой поток определяется нейтронным полем, кипение в парогенераторах реакторов с непрямым циклом (реакторы AGR, PWR и быстрые реакторы) контролируется температурой теплоносителя первого контура. Так, если осушение канала произошло, то тепловой поток уменьшится сам пропорционально уменьшившемуся коэффициенту теплоотдачи. В одной конструкции парогенератора для реакторов PWR (прямоточный парогенератор фирмы Babcock and Wilcox) переход через осушение трубок осуществляется намеренно. Это делается также в парогенераторах реакторов AGR и в некоторых конструкциях парогенераторов быстрых реакторов.


На главную страницу. Реакторы атомных станций