COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THERMOPHYSICAL PROCESSES IN NUCLEAR FACILITIES

Сотрудниками Новосибирского филиала ИБРАЭ РАН совместно со специалистами ИТ СО РАН в 2018—2019 гг. проведены экспериментальные исследования распределения напряжения трения на поверхности имитатора твэла, средней осевой и пульсационной скорости течения в канальных промежутках в 7-стержневых и 37-стержневых моделях ТВС, различающихся диаметром стержней и расстоянием между ними. Измерения выполнены для моделей ТВС с диаметрами стержней 9, 10, 15 мм и относительным расстоянием между ними, лежащим в диапазоне 1,2 — 1,45.

Общий вид гидродинамического стенда и профиль проходного сечения рабочего участка с дистанционирующими элементами и имитаторами твэлов

Получены оцененные данные по осевому и аксиальному распределению касательного напряжения трения на поверхности и по периметру стержня — имитатора твэла, по распределению осевой осредненной и пульсационной скоростей жидкости по сечению ячейки, образованной соседними стержнями – имитаторами твэла в зависимости от диаметра стержня, относительного расстояния между стержнями, числа стержней при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения жидкости в ТВС. Выполнен анализ азимутальной неравномерности распределения напряжения трения на поверхности стержня — имитатора твэла в области, где отсутствует влияние дистанционирующих элементов. 

Типичное распределение напряжения трения и пульсации трения вокруг имитатора твэла для одной из моделей ТВС в зависимости от режима течения жидкости 

Анализ и обобщение полученных результатов показывают пути оптимизации ТВС с точки зрения уменьшения гидравлического сопротивления и дополняют матрицу верификации расчётных кодов, в том числе CFD-кодов.

Совместно с ИТ СО РАН проведены экспериментальные исследования колебания имитатора твэла при течении водяного теплоносителя и модельного ТЖМТ в кольцевом канале с одним имитатором твэла и в 7-стержневой модели — имитаторе ТВС. Для измерения амплитудно-частотных характеристик имитатора твэла при его вибрации использована оригинальная методика, разработанная в ИТ СО РАН. Получены данные по вибрационным характеристикам (перемещение оси стержня, спектры колебаний) консольно и шарнирно-закрепленного одиночного стержня — имитатора твэла в потоке теплоносителя при различных длине стержня и расходах теплоносителя и поля распределения скорости течения при обтекании стержня — имитатора твэла продольным потоком  жидкости. 

Схема рабочего участка с кольцевым каналом и пример амплитудно-частотной характеристики колебания одиночного имитатора твэла в зависимости от расхода жидкости через рабочий участок

В 2019 году проведены методические экспериментальные исследования по динамике плавления и перемещения расплава имитатора оболочки твэла в ТЖМТ на лабораторном стенде. Создание условий, моделирующих плавление оболочки имитатора твэла, выполнялось путем нагрева имитатора оболочки на модели топливного столба. Основной акцент в этих исследованиях был сделан на задаче перемещения расплава материала имитатора оболочки, поскольку направление и скорость его перемещения существенно влияют на характер протекания аварийной ситуации. В результате лабораторного моделирования определены эволюция расплава металлической оболочки модельного имитатора твэла в свинцово-висмутовом расплаве и жидком свинце, скорость всплытия фрагментов нержавеющей стали в расплаве свинца.

Верификация интегрального кода ЕВКЛИД/V2 на основе экспериментальных данных

Для коррекции расчетных моделей теплогидравлического модуля HYDRA-IBRAE/LM интегрального кода ЕВКЛИД/V2 в теплогидравлический код была интегрирована трехмерная многокомпонентная модель, подобная модели, которая используется в современных мультифизичных тяжелоаварийных кодах, например, в коде SIMMER-III(IV). Внедрение подобной опции позволит проводить улучшенную оценку процессов, сопровождающих разрушение а.з. в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем. 
Для оценки возможности интегрального кода ЕВКЛИД/V2 моделировать процессы, важные с точки зрения безопасности РУ с нитридным топливом, разработана матрица верификации, подготовлены аналитические тесты и проведена систематизация результатов экспериментальных исследований по диссоциации нитридного и СНУП-топлива, выполненных в НИЯУ МИФИ, АО «ВНИИНМ имени А.А. Бочвара» и РФЯЦ-ВНИИТФ. В частности, разработана матрица верификации для РУ БРЕСТ-ОД-300 с нитридным топливом. Аналитические тесты включают в себя тесты по проверке корректности решения тепловой задачи в нитридном топливе при отсутствии диссоциации и при ее наличии, по определению скорости образования расплава урана и скорости потери массы, а также по вычислению скорости движения расплава урана.  

Сравнение расчетов и экспериментов для температуры 1800°С

Основные публикации в 2019 году

© Отдел теплофизики и физической гидродинамики
Новосибирского филиала ИБРАЭ РАН