Аналіз теплових процесів в кульових тепловиділяючих елементах
Автор: Кушнір Валерій Володимирович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Атомна енергетика
Інститут: Інститут енергетики та систем керування
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Кушнір В.В., Семерак М.М. (керівник). Аналіз теплових процесів в кульових тепловиділяючих елементах. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2020. Розширена анотація. Тепловиділяючий елемент (ТВЕЛ) є основною частиною реакторів атомних електричних станцій (АЕС). За конструкцією і формою ТВЕЛи поділяються на: циліндричні, кільцеві, пластичні, призматичні і кульові. Кульовий ТВЕЛ – це тепловиділяючий елемент сферичної форми, в який входять мікротвели, покриті п’ятьма захисними шарами у випадку низькотемпературного шару PyC, або чотирма захисними шарами у випадку високотемпературного шару PyC. Така герметичність забезпечує основну перевагу реакторів з паливом з мікротвелів – надійну безпеку активної зони реактора і малі радіаційні наслідки навіть при важких аваріях. В даній магістерській дипломній роботі проведений аналіз температурного поля кульового ТВЕЛа, переміщення точок кулі на стінці паливної таблетки, напружено-деформований стан паливної таблетки. Об’єкт дослідження – тепловиділяючі елементи кульової форми. Предмет дослідження – вплив інтенсивності тепловиділення та розміру кулі на величину температурного поля ТВЕЛа і величину радіальних переміщень. Дослідження напружено-деформованого стану кульового ТВЕЛа при стаціонарному значені температурного поля ТВЕЛа. Мета дослідження – дослідити величину температурного поля і величину лінійних переміщень в залежності від інтенсивності тепловиділення, розмірів кулі, коефіцієнта температурного лінійного розширення і коефіцієнта теплопровідності. Дослідити напружено-деформований стан кульового ТВЕЛа при стаціонарному значенні температурного поля ТВЕЛа. У вступі обґрунтовано актуальність теми дипломної роботи, розкрито важливість проведення аналізу теплових процесів та термічних навантажень кульових ТВЕЛів, сформульовано мету і визначено завдання дослідження. У першому розділі приведена інформація про загальні властивості ТВЕЛів, які використовуються в ядерних реакторах АЕС. Показана загальна конструкція ТВЕЛа. Встановлено, що геометричні розміри і форма ТВЕЛів можуть бути найрізноманітнішими і визначаються фізичними та технічними характеристиками реактора. Оболонки ТВЕЛів необхідна для унеможливлення потрапляння продуктів поділу палива в теплоносій [3]. Показані основні вимоги до характеристик матеріалів, які використовуються в паливі і конструкційних елементів ТВЕЛа. Встановлено, що з огляду на комплекс вимог до палива, в якості палива використовуються оксиди урана і плутонія [4]. Цирконій, що є одним з найкращих сплавів на даний час, використовується як матеріал для оболонки ТВЕЛа, інтенсивно взаємодіє з киснем, азотом і воднем, що є небезпечно при експлуатації на АЕС при великих температурах [4]. У другому розділі на основі наукових досліджень описані параметри, що забезпечують ефективність і надійність експлуатації, вимоги до матеріалів і характеристик компонентів кульових ТВЕЛів [1]. Встановлено, що конструкція мікротвела прийнята в проектах високотемпературних газоохолоджуваних реакторах (ВТГР), уніфікована для всіх кульових ТВЕЛів, що є результатом досліджень [5], в яких враховані основні експлуатаційні фактори. Зовнішній діаметр кульових ТВЕЛів при розрахунках рівний 60 мм, а товщина графітової оболонки для надійної ізоляції паливного сердечника повина дорівнювати 5 мм. Описані основні параметри матричного графіту [7], які використовуються у досліджені температурного поля кульового ТВЕЛа. На основі досліджень [2], показано, що кульові ТВЕЛи, які використовуються в реакторах ВТГР, можуть знайти застосування і в інших реакторах. В роботі [8], стосовно до параметрів ВВЕР були розглянуті кульові ТВЕЛи діаметром 20 – 30 мм. Показаний приклад ТВЗ з кульовими ТВЕЛами, які можна використовувати у реакторах ВВЕР. У третьому розділі за допомогою диференціального рівняння теплопровідності для стаціонарного температурного поля у кулі [9] записано математичну модель температурного поля кульового ТВЕЛа. Математична модель при початкових даних інтенсивності тепловиділення, коефіцієнта теплопровідності паливного сердечника ТВЕЛа, розмірів кулі і температури на поверхні кулі дозволило знайти розподіл температури в кульовому ТВЕЛі. Проведений аналіз впливу інтенсивності тепловиділення і коефіцієнта теплопровідності паливного сердечника на температурне поле ТВЕЛа. Визначено параметр тепловиділення, при якому температурне поле кульового ТВЕЛа перевищує температуру плавлення UO2, що призведе до його руйнування. У четвертому розділі за допомогою диференціального рівняння для знаходження переміщення поверхні кулі [10] розроблена математична модель переміщення точок кульового ТВЕЛа. Проведено дослідження впливу інтенсивності тепловиділення та розміру кулі на переміщення зовнішньої стінки паливного сердечника ТВЕЛа. Розроблено математичну модель термічних напружень в кульовому ТВЕЛі [10, 11]. Проведений розрахунок напружено-деформованого стану кульового ТВЕЛа при інтенсивності тепловиділення, яке задовольняє конструкційним вимогам кульового ТВЕЛа. Проведений аналіз проведених розрахунків. Ключові слова: кульовий тепловиділяючий елемент, температурне поле, напружено-деформований стан, переміщення точок, інтенсивність тепловиділення. Список використаної літератури 1. Черников А.С., Пермяков Л.Н., Федик И.И., Гавришин С.С., Курбанов С.Д. Твэлы на основе сферических паливных частиц с защитным покрытием для реакторов повышенной безопасности – Атомная энергия, 1999 т. 87, вып. 6., с. 451-462. 2. Пономарев-Степной Н.Н., Кухаркин Н.Е., Хрулев А.А., Дегальцев Ю.Г. и др. Перспективы развития микротвэлов в ВВЭР // Атомная энергия, Т.86, №6, 1999. – С. 443-449. 3. Колпаков Г.Н. Конструкции твэлов, каналов и активных зон энергетических реакторов: учебное пособие/ Г.Н. Колпаков, О.В. Семиваникова. – Тема: Изд-во Томского политехничесого университета, 2009. – 118с. 4. Самойлов А.Г, и др. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов: Учебник для вузов – М: Энергоатомиздат, 1996 – 400 с. 5. Черников А.С., Пермяков Л.Н., Михайличенко Л.И. Расчетно-эксперементальное иследование конструкции твэла ВТГР. – В сб: Доклады на заседании Технического комитета МАГАТЭ по газоохлаждаемым реактором и их применение. Цюрих, 20-23 октября 1986. 6. Созыкина Т.А., Тихонов И.И. Расчетные иследования напряжено-деформированого состояния и пути выбора оптимальной конструкции микротвэла высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. – Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомно-водородная энергетика и техника, 1983, вып. 3 (16), с 74-76. 7. Черников А.С., Михайличенко Л.И., Решетников В.А и др. Матричные графиты твэлов ВТГР. Варианты приготовления. Свойства. Радиационное поведение. – Атомная энергия, 1992, т. 72, вып. 4, с 360 – 366. 8. Гольцев А.О., Кухаркин Н.Е., Мосевицкий И.С., Пономарев-Степной Н.Н., Концепция безопасного корпусного водо-водяного реактора степловыделяющими блоками на основе микротвэлов ВТГР // Атомная энергия, Т.75, №6, 1993. – С. 417-423. 9. Верхивкер Г.П. Основы расчета и конструирования ядерных энергетических реакторов: учебник / Г.П. Верхивкер, В.П. Кравченко: под общ. Ред В.А. Дубковского. – Одесса: ТЕС, 2008. -409 с. 10. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ./ Под ред. Г.С. Шапиро – 2-е изд. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979, 560 с. 11. Власов Н.М., Федик И.И. Тепловыделяющие элементы ядерных ракетных двигателей: Уч. Пособие. М: ЦНИИапоминформ, 2001. – 208с.