SU1723585A1

SU1723585A1 - Способ определени контактного термического сопротивлени между тепловыдел ющим сердечником и оболочкой твэла дерного реактора

Info

Publication number: SU1723585A1
Application number: SU904815500A
Authority: SU
Inventors: Сергей Алексеевич Утенков; Владимир Васильевич Яковлев; Евгений Алексеевич Артюхин; Алексей Владимирович Ненарокомов; Александр Павлович Трянин
Original assignee: Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова; Московский авиационный институт им.С.Орджоникидзе
Priority date: 1990-04-19
Filing date: 1990-04-19
Publication date: 1992-03-30

Abstract

Изобретение относитс к способам неразрушающего контрол . Цель - повышение точности определени и достоверности результатов, уменьшение числа термодатчиков в твэле. Предварительно вычисл ют по крайней мере дл одного нестационарного теплового режима значение энерговыделени и определ ют с помощью тепловой модели чувствительность температуры сердечника и оболочки к изменению контактного термического сопротивлени . Сравнивают между собой полученные значени и определ ют расположение зон максимальной чувствительности, в которых устанавливают термодатчики. При работе реактора производ т измерение значени энерговыделени , расхода и температуры теплоносител и осуществл ют уточнение значени искомой величины по расчетной зависимости. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.v (Л С vi ю СА) сл 00 сл

Description

Изобретение относитс к дерной энергетике , в частности к способам неразрушающего контрол , и предназначено дл контрол теплового состо ни тепловыдел ющих (поглощающих) элементов в активной зоне дерного реактора.

Активна зона дерного реактора состоит из множества тепловыдел ющих элементов , содержащих дерное топливо (твэлов),

поглощающих элементов (пэлов), содержащих выгорающие поглотители нейтронов, и элементов конструкций активной зоны. В большинстве энергетических дерных реакторов используютс стержневые твэлы, состо щие из топлива, заключенного в трубчатую защитную оболочку, заглушенную с торцов и предназначенную дл предотвращени попадани продуктов делени

топлива в теплоноситель. Целостность оболочек твэлов должна сохран тьс на всех режимах работы реактора, включа аварийный , например, при авари х с потерей теплоносител .

Необходимым условием сохранени целостности оболочек на штатных режимах работы реактора вл етс отсутствие механического взаимодействи между тепловыдел ющим сердечником твэла (пэла) и защитной оболочкой. Предотвращение механического взаимодействи достигаетс за счет наличи зазора между ними, что ведет в по влению термического сопротивлени процессу передачи тепла от сердечника к оболочке и увеличению температуры сердечника .

Из-за внутренних процессов, происход щих в дерном горючем, величина зазора измен етс от некоторого началь- ного значени в новых, неподвергавшихс облучению твэлах,до практически нулевого в твэлах, отработавших в реакторе некоторое врем . Последнее позвол ет при математическом описании процесса распространени тепла использовать пон тие контактного термического сопротивлени (КТС).

Величина контактного термического сопротивлени в любой момент времени при эксплуатации реактора должна находитьс в пределах, обеспечивающих сохранение целостности оболочки при наступлении аварийного режима, св занного с потерей теплоносител .

Вследствие зависимости величины контактного термического сопротивлени между топливом и оболочкой от множества факторов, в том числе и от всей предыстории облучени твэла, невозможно осущест- вл ть прогноз его величины на последующие моменты времени без непосредственного определени контактного термического сопротивлени .

В насто щее врем известны различ- ные способы определени величины контактного термического сопротивлени , например:

способ расчета величины контактного термического сопротивлени по какой-либо модели теплопроводности в зазоре между топливом и оболочкой при известной величине зазора, определенной по способу, основным недостатком которого вл етс то, что величина зазора между топливом и обо- лочкой, измен юща с под действием процессов , протекающих в твэле, не может быть измерена непосредственно в ходе работы реактора, кроме того, существующие

модели не учитывают точно процесс переноса тепла от топлива к оболочке;

способ определени контактного термического сопротивлени , основанный на моделировании теплового и механического состо ни твэлов в специально созданных установках с измерением реализующегос при этом пол температур, данный способ позвол ет правильно оценить величину контактного термического сопротивлени между тепловыдел ющим сердечником и оболочкой твэлов, но только не в процессе эксплуатации реактора, а вне активной зоны и при условии об зательной деструкции твэлов;

способ контрол термического сопротивлени твэлов, основанный на измерении расхода теплоносител через тепловыдел ющую сборку (ТВ С), его температуры на входе и выходе из нее с непрерывным измерением флуктуации энерговыделени в ТВС и последующим согласованием с помощью тепловой модели расчетных и измеренных значений температуры на выходе из ТВС. Данный способ позвол ет определ ть в процессе работы реактора осредненное по тепловыдел ющей сборке интегральное (между центром сердечника.и теплоносителем ) термическое сопротивление твэлов. Однако дл управлени реактором необходимо знать значени контактного термического сопротивлени между топливом и оболочкой отдельных твэлов, работающих в экстремальных услови х, которые могут значительно отличатьс от средней по ТВС величины. Кроме того, указанный способ обладает существенной инерционностью вследствие большой теплоемкости ТВС и теплоносител .

Известны способы определени контактного термического сопротивлени на стационарных тепловых режимах, когда в тепловыдел ющий сердечник и оболочку устанавливаютс термодатчики. Эти способы заключаютс в аппроксимации пол температуры твэла по конечному числу измерений , определении с помощью полученной аппроксимации разницы температуры между внешней поверхностью тепловыдел ющего сердечника и внутренней поверхностью оболочки (AT) и последующем расчете контактного термического сопротивлени (R) из соотношени

qrR AT,

где qf-тепловой поток на внешней поверхности топлива.

При этом значение R определ етс в отрыве от собственно тепловой модели твэла , что вл етс существенным недостатком

данных способов. Кроме того, дл получени информации о контактном термическом сопротивлении во всем диапазоне тепловых нагрузок они требуют целенаправленного воздействи на режим работы реактора в течение длительного времени (не менее 500 ч), что исключает возможность определени контактного термического сопротивлени в реальных услови х функционировани реактора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс способ определени контактного термического сопротивлени по результатам измерений температуры тепловыдел ющего сердечника и оболочки на стационарных режимах, однако лишь в том случае, если выбор модели , характеристикой которой вл етс контактное термическое сопротивление, проводитс на.основе сравнени расчетных и измеренных значений температур в центре сердечника, реализующихс на нестационарном тепловом режиме, вызванном ступенчатым уменьшением мощности энерговыделени .

К недостаткам данного способа относ тс ограниченность режимов, пригодных дл определени контактного термического сопротивлени , областью стационарных режимов; необходимость реализации специального режима уменьшени мощности дл выбора модели переноса в зазоре; необходимость проведени нескольких температурных измерений в твэле с об зательной установкой термодатчика на оболочку твэ- ла, что ведет к уменьшению надежности по- следней; несоответствие значений контактного термического сопротивлени , определенных по стационарному способу, значени м, реализующимс на нестационарных режимах.

Целью изобретени вл етс повышение точности определени величины контактного термического сопротивлени между тепловыдел ющим сердечником и оболочкой при уменьшении числа термодатчиков, устанавливаемых в твэле, и повышении достоверности получаемых результатов.

Поставленна цель достигаетс тем, что предварительно, по крайней мере дл одного нестационарного теплового режима работы реактора по предполагаемым законам изменени расхода и температуры теплоносител , мгновенного значени энерговыделени , а также имеющейс априорной информации о величине контактного термического сопротивлени с помощью тепловой модели твэла определ ют чувствительность температуры сердечника и оболочки твэла к изменению

контактного термического сопротивлени в выбранном поперечном сечении твэла, сравнивают между собой рассчитанные значени и определ ют расположение зон максимальной чувствительности. Среди этих зон выдел ют области, общие дл рассматриваемых нестационарных тепловых режимов , внутри которых устанавливают термодатчики. С их помощью в ходе работы

реактора непрерывно провод т измерение температуры твэлов, а с помощью датчиков, установленных вне твэлов, - измерение расхода и температуры теплоносител , значени мгновенного энерговыделени в твэле.

Использу эти измерени , определ ют значение контактного термического сопротивлени в следующей последовательности:

а)задаетс начальное значение контактного термического сопротивлени R , принадлежащее области возможных значений искомой величины;

б)по прин тому значению контактного термического сопротивлени и измеренным значени м расхода и температуры теплоносител , а также значению мгновенного энерговыделени .с помощью тепловой модели твэла рассчитывают значение температуры в местах установки термодатчиков;

в)использу измеренные значени тем- пературы твэла по соотношению

)R(S

-,)lS,f (-(i -V( K)(- -)

где R , R -значени контактного термического сопротивлени на итераци х S и S-1 соответственно;

N - число установленных в поперечном сечении твэла термодатчиков;

Xi, fj( т) - координата установки.и измеренные значени показаний i-ro термодатчика:

T(S)(Xi, -с, R( г/ s ) (Xj, z) в T(s)(Xi, т, № 0 / 3R значени температуры и чувствительности в месте установки i-ro термодатчика , рассчитанные по тепловой модели твэла, уточн ют значение контактного термического сопротивлени ,причем на каж

дой итерации определ ют интегральную величину рассогласовани между измеренными и рассчитанными значени ми температуры Т( , которую сравнивают с величиной рассогласовани на предыдущей итерации и с интегральной погрешностью измерений Jf; при выполнении услови I J(S)-J() | Јили |J(S) ,, где Ј - заданна точность, итерации заканчиваютс , а в качестве искомой величины контактного термического сопротивлени

принимают значение его на последней итерации R R(s};

г) по рассчитанным и измеренным значени м температуры твэла определ ют интегральную величину рассогласовани ,, имеющую, например, в пространстве функций , суммируемых с квадратом, вид

j(S)

(0(- .«( У«№

д) при выполнении условий l Е или I I Jf, где е - заданна точность; Jf - интегральна погрешность измерений , рассчитанное значение контактного термического сопротивлени принимаетс за истинное значение, в противном случае проводитс дальнейшее итеративное уточнение искомой величины, начина с пункта б) данной последовательности действий.

Приведенный выше способ позвол ет определ ть величину контактного термического сопротивлени как посто нную величину дл некоторого нестационарного режима (за который может приниматьс его люба часть) или произвольного объединени нескольких режимов. В случае, если контактное термическое сопротивление определ етс как функци некоторой физической величины (комплекса величин), например, времени или линейной тепловой нагрузки, его величина определ етс по соотношению

R(z) § (Z),

k 1

где (f. (z), К 1, m - система произвольно заданных базисных функций, завис щих от физической величины, выступающей в качестве аргумента;

{RK}im - вектор констант, итеративно уточн емых по формуле

RK(S) RK(S T)+ Дк(5),

где {Arsfyim - вектор приращений к определ емым константам, расчитываемый с помощью тепловой модели на основе величины рассогласовани расчетных и измеренных значений температуры твэла.

На фиг. 1 приведены зависимости изменени внутреннего тепловыделени втвэле, реализующиес в процессе работы реактора , по времени.

На фиг. 2 иллюстрируетс характер изменени интегральной оценки чувствительности температуры твэла М к изменению величины контактного термического сопротивлени R по поперечному сечению твэла: 1 - R 0,125-10 3 м К/Вт;

2 - R 0,2- 1СГ3 м2. К/Вт; 3 - R 0,3 м2, хК/Вт.

На фиг. 3 представлена зависимость величины относительной погрешности определе- ни контактного термического сопротивлени , рассчитанна по результатам математического моделировани , при различных положени х термодатчика и варьировании относительной погрешности определени координаты тер- 0 модатчика Лп и величины контактного термического сопротивлени R: 4 - Дп 0; 5 - Л„ 0,03; 6 -Am 0,05; 7 - R - 0,125х

0,2- К/Вт;

К/Вт; 8-R 9-R 0,3-10 3M2К/Вт .

5 На фиг. 4 показано изменение относительного критери качества плана измерений ip в зависимости от координаты расположени термодатчика при различном числе параметров аппроксимации т:

0 Ю-т 3; 11-т 4; 12-т 5.

На фиг. 5 представлена зависимость контактного термического сопротивлени между топливом и оболочкой твэла реактора ВВЭР-440с исходным зазором 0,15 мм, за5 полненного гелием под давлением 0,1 МПа, от линейной тепловой нагрузки: 13 - крива , полученна по предлагаемому способу; 14- крива , полученна по способу-прототипу с использованием той же экспериментальной

0 информации.

На фиг. 6 представлена зависимость контактного термического сопротивлени между топливом и оболочкой твэла реактора ВВЭР-440 с исходным зазором 0,20 мм, за-.

5 полненного гелием под давлением 0,1 МПа,

от линейной тепловой нагрузки: 15- крива ,

полученна по предлагаемому способу; 16крива , полученна по известному способу.

На фиг. 7 представлена зависимость

0 температуры твэла от линейной тепловой нагрузки: 17 - пр мые измерени ; 18 - значени , рассчитанные по значени м, определенным по предлагаемому способу (крива 13 на фиг. 5); 19 - значени , определенные

5 по способу-прототипу (крива 14 на фиг. 5). В качестве примера осуществлени предлагаемого способа можно привести результаты определени величины контактного термического сопротивлени дл твэла

0 газоохлаждаемого бридера, имеющего тепловыдел ющий сердечник из диоксида урана с центральным отверстием диаметром 1,8 мм и наружным диаметром 5,95 мм и стальную оболочку толщиной 0,475 мм. При

5 проведении анализа чувствительности температуры твэла к изменению величины контактного термического сопротивлени считалось, что коэффициент теплообмена на внешней поверхности твэла (расход охладител ) и температура охладител поддерживаютс посто нными в ходе работы реактора ,-а нестационарность теплового режима достигаетс за счет изменени значени энерговыделени . При этом типичными вл ютс законы изменени qv( т), представленные на фиг. 1. Результаты анализа чувствительности дл данного закона изменени qv представлены на фиг. 2, где

N rm

М 2 JV(X| ,r)dr/N - интегральна

i 10

оценка чувствительности.

Из анализа фиг. 2 и аналогичных результатов дл других законов изменени qv следует , что при заданных услови х дл определени величины контактного термического сопротивлени между топливом и оболочкой достаточно установить один термодатчик , расположив его в тепловыдел ющем сердечнике. С технологической точки зрени наиболее удобным вл етс его установка на внутренней поверхности сердечника , что в данном случае совпадает с результатами, представленными на фиг. 2, когда контактное термическое сопротивление определ етс как посто нна величина дл некоторого нестационарного режима.

Как показали результаты математиче- . ского моделировани (фиг. 3), проведенного с целью оценки величины погрешности определени контактного термического сопротивлени ( е- | R-RT04H | /RT04H) при различных положени х термодатчика, а также различных восстанавливаемых значени х RT04H и величинах максимальной относительной погрешности измерений (5т, величина Ј при заданных услови х не зависит от расположени термодатчика внутри сердечника. Анализ чувствительности, проведенный при большем значении числа термодатчиков , показывает, что в данном случае увеличение их числа не ведет к увеличению информативности измерений.

В.случае определени контактного термического сопротивлени как функции температуры поверхности тепловыдел ющего сердечника максимум интегральной чувствительности по мере роста числа параметров аппроксимации m смещаетс в сторону поверхности контакта, как показано на фиг. 1, где гр у/1рмакс; - текущее значение критери качества плана измерений; акс - максимальное значение критери .

Представленные выше результаты определени чувствительности температуры к изменению контактного термического сопротивлени иллюстрируют самый неблагопри тный случай дл определени контактного термического сопротивлени ,

т.к. они получены дл самого энергонапр женного типа твэлов с максимальными значени ми градиентов температуры в тепловыдел ющем сердечнике. Все результаты получены с учетом радиальной неравномерности энерговыделени в твэлах, обусловленной депрессией нейтронного потока .

За вл емый способ был опробован дл

0 твэлов реактора ВВЭР-440 на реакторе МР. В соответствии с полученными результатами анализа чувствительности в центральном отверстии тепловыдел ющего сердечника устанавливалс термодатчик. В

5 ходе работы реактора регистрировались его показани и другие необходимые величины, контактное термическое сопротивление определ лось как величина, посто нна дл обрабатываемого фрагмента нестационар0 ного процесса со средней линейной тепловой нагрузкой qi. Результаты, полученные дл твэлов, заполненных гелием под давлением 0,1 МПа, с исходным зазором 0,15 и 0,2 мм, представлены в виде зависимости от

5 линейной тепловой нагрузки на фиг. 5 и 6 соответственно. Измерени проводились в процессе повторного вывода реактора на мощность (первый продолжалс 48 ч с момента пуска реактора со свежим топливом

0 до срабатывани аварийной защиты). Вывод реактора проводилс в соответствии с действующим регламентом (ступенчатый подъем мощности). Кривые 13 и 15 на фиг. 5 и 6 получены по предлагаемому способу,

5 крива 14 по способу-прототипу с использованием той же экспериментальной информации (стационарных участков), крива 16 - по известному способу. Приведенное на фиг. 7 сравнение рассчитанных

0 значений температуры твэла (в местах установки термодатчиков) с экспериментально измеренными свидетельствует, что значени конкретного термического сопротивелни , определенные по способу-прототипу, не

5 обеспечивают удовлетворительного соответстви между ними. Дл получени более достоверных данных по способу-прототипу на данном режиме необходима длительна выдержка на каждой ступени с термостатиро0 ванием твэла, что просто невозможно из-за отравлени реактора.

На фиг. 6 крива 1 соответствует контактному термическому сопротивлению, определенному по предлагаемому способу, а

5 крива 2 - по известному способу, который наиболее часто используетс дл обосновани режимов работы реакторов АЭС. В данном случае известный способ завышает в 2 раза величину линейной тепловой нагрузки, при которой начинаетс механическое взаимодействие между топливом и оболочкой, что при использовании этого способа дл обосновани режимов работы реактора ведет , с одной стороны, к увеличению времени вывода АЭС на мощность, а с другой, увеличивает веро тность повреждени твэлов при работе в базовом режиме.

Существенным преимуществом данного способа вл етс то, что контактное термическое сопротивление между топливом и оболочкой определ етс по результатам нестационарных измерений, проводимых непосредственно в ходе работы реактора без целенаправленного воздействи на его режим работы. Это позвол ет определ ть контактное термическое сопротивление между топливом и оболочкой твэлов в истинных натурных услови х, что особенно важно, поскольку твэл вл етс технически сложной системой, свойства которой завис т от истории облучени , вл ющейс уникальной дл каждого конкретного случа . Вследствие этого распространение результатов о величине контактного термического сопротивле- ни между топливом и оболочкой, полученных при целенаправленном воздействии на режим работы реактора (либо спе- циального технического устройства, моделирующего твэл), на истинные натурные услови , имеющие место при эксплуатации реактора, некорректно. Величина же контактного термического сопротивлени вл етс одним из критериев безопасности реактора.

Claims

„ Предлагаемый способ, в отличие от известных , позвол ет определ ть значение контактного термического сопротивлени дл произвольного нестационарного режима , его фрагмента или объединени нескольких нестационарных режимов; обеспечивает возможность определени контактного термического сопротивлени по минимально возможному числу термодатчиков , устанавливаемых на твэле (в неко- торых случа х достаточно одного термодатчика); нет необходимости в осуществлении специального режима изменени мощности реактора, т.к. информативность измерений обеспечиваетс за счет выбора положени термодатчиков при оптимальном планировании схемы измерений. Формула изобретени 1. Способ определени контактного термического сопротивлени между тепловыдел ющим сердечником и оболочкой твэ- ла дерного реактора, заключающийс в измерении расхода и температуры теплоносител , температуры твэла в местах установки термодатчиков, отличающийс тем, что, с целью повышени точности определени контактного термического сопротивлени , уменьшени числа термодатчиков, устанавливаемых в твэле, и повышени достоверности получаемых результатов,

предварительно по крайней мере дл одного нестационарного теплового режима работы реактора по предполагаемым законам изменени расхода и температуры теплоносител , мгновенного значени

энерговыделени , а также имеющейс априорной информации о величине контактного термического сопротивлени с помощью тепловой модели твэла определ ют чувствительность температуры серденника и оболочки твэла к изменению контактного термического сопротивлени в выбранном поперечном сечении твэла, сравнивают рассчитанные значени и определ ют расположение зон максимальной

чувствительности, среди этих зон выдел ют области, общие дл рассматриваемых нестационарных тепловых режимов, внутри которых устанавливают термодатчики, а при работе реактора одновременно с измерением расхода и температуры теплоносител , температуры твэлов в местах установки термодатчиков измер ют мгновенное значение энерговыделени в твэле, причем датчик мгновенного энерговыделени располагают

вне твэла, после чего дл каждого режима или произвольного их объединени , или фрагмента любого режима определ ют значение контактного термического сопротивлени , дл чего вначале задаютап опорное значение

контактного термического сопротивлени , по которому и измеренным значени м расхода и температуры теплоносител и мгно- венного энерговыделени с помощью тепловой модели твэла определ ют значение температуры в местах установки термодатчика , затем провод т итерационное уточнение величины контактного термического сопротивлени по соотношению

„(.),(.-.) ДУ УУ н КУ -)

)

где Fv , FT -значени контактного термического сопротивлени на итераци х S и S-1 соответственно;

N - число установленных в поперечном сечении твэла термодатчиков;

Xi, fi( т) - координата установки и измеренные значени показаний i-ro термодат- чика;

T(s)(Xi, r, R((s)(Xi,r) dT(s)(Xi, т, R S 10/d R значени температуры и чувствительности в месте установки i-ro термодатчика , рассчитанные по тепловой модели

твэла, причем на каждой итерации определ ют интегральную величину рассогласовани между измеренными и рассчитанными значени ми температуры которую сравнивают с величиной рассогласовани на предыдущей итерации и с интегральной погрешностью измерений Jf при выполнении

yCflTj SWS-1 l H|J s UJf, где е-заданна точность, итерации заканчиваютс , а в качестве искомой величины контактного термического сопротивлени принимают значение его на последней итерации R Frsl
2. Способ по п. 1,отличаю щи и с тем, что контактное термическое сопротивление определ ют как функцию по крайней мере одной величины по формуле

R(z)- S RK.PK(Z),

К 1

где K(Z), К 1 m - система произвольно заданных базисных функций, завис щих от

физической величины, выступающей в качестве аргумента;

{RK}im - вектор констант, итеративно уточн емых по формуле

RK(s) RK() + AK(S),

где { Дг J}im - вектор приращений к определ емым константам, рассчитываемый с помощью тепловой модели на основе величины рассогласовани расчетных и измеренных значений температуры твэла в местах установки термодатчиков.
3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й- с тем, что в качестве физических величин, выступающих в роли аргумента, выбирают

врем и/или линейную тепловую нагрузку, и/или температуру внешней поверхности тепловыдел ющего сердечника, и/или среднюю температуру тепловыдел ющего сердечника, и/или тепловой поток на внешней поверхности тепловыдел ющего сердечника , и/или тепловой поток на внешней или внутренней поверхности оболочки, и/или иную интегральную или локальную характеристику теплового состо ни твэла.

-7

0.5

2.

i i

75

М(,.-мм

Фиг.5

ibo1 ib гЬо1 zb sbo зЬ

ql Bhi/сн

Фиг. b

..wo

sb ibo iko1 гЬо гЬ зЬо

o1 гЬо гЬ зЬо

ql Bhi/си

3 О