Calculated Substantiation of the Fixed-Bed Nuclear Reactor Core Thermal Reliability
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2021-5-44-50Keywords:
spherical packing, spherical fuel elements, pressurized water reactor, porosity, nuclear safety, thermal reliabilityAbstract
The study is aimed at performing calculated substantiation of the thermal reliability of a pressurized water reactor (PWR) with spherical fuel elements, commonly known as a fixed-bed nuclear reactor, and determining the most advantageous design of the spherical packing from the view point of thermal hydraulics. Spherical fuel elements have a number of advantages over cylindrical fuel rods; in particular, they feature better retention of fission products, enhanced nuclear safety (due to a high melting temperature of ceramic materials), more intense heat transfer due to increased coolant flow turbulence, and a reduced influence of thermal cyclic loads on fuel elements. To confirm these statements, a thermohydraulic calculation of the KLT-40S type reactor with a modified intra-channel filling of fuel assemblies (FAs) consisting of spherical fuel elements was carried out. To determine the optimal spherical filling, two types of spherical packing were calculated, with three different diameters of spherical fuel elements. In the course of the calculation, solutions to the following issues were proposed: how to take into account the channels flow area variability, how to calculate the Reynolds number for channels of a given shape, what formulas should be used to determine the Nusselt number, and how to determine the hydraulic resistance in the channels. As a result of the calculation, data on the following main thermohydraulic characteristics have been obtained: surface heat flux density, heat transfer coefficient, maximum fuel temperature, and hydraulic losses. These results were compared with the results of calculations for cylindrical fuel rods. The obtained results demonstrate the advantage of spherical fuel elements over cylindrical fuel rods in a number of basic parameters, which gives prospects for further study of the use of spherical fuel elements in reactors of this type. The obtained study results can be applied in designing reactor plants of low and medium capacity, as well as in modernizing the existing reactor plants.
References
2. Богоявленский Р.Г. Гидродинамика и теплообмен в высокотемпературных ядерных реакторах с шаровыми ТВЭЛ. М.: Атомиздат, 1978.
3. Деменок С.Л., Медведев В.В., Сивуха С.М. Гидродинамика и теплообмен в шаровых укладках. СПб.: Страта, 2012.
4. Bua Shanshan e. a. CFD Investigations of Subcooled Flow Boiling in a Random Pebble Bed // Chem. Eng. Trans. 2017. No. 61. Pp. 1303—1308.
5. Li Hua e. a. Thermal Hydraulic Investigations with Different Fuel Diameters of Pebble Bed Water Cooled Reactor in CFD Simulation // Annals of Nuclear Energy. 2012. V. 42. Pp. 135—147.
6. Аношкин Ю.И., Дунцев А.В. Теплообменные процессы в ЯЭУ. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева, 2015.
7. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. М.: Энергоатомиздат, 1990.
8. Сморчкова Ю.В., Авдонина Е.А., Дедов А.В. Исследование теплогидравлических и нейтронно-физических характеристик перспективных тепловыделяющих сборок для реакторных установок малой мощности // Известия высш. учеб. заведений. Серия «Проблемы энергетики». 2018. № 7—8. С. 23—34.
9. Сморчкова Ю.В. Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объёмного тепловыделения: дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2018.
10. Лозовецкий В.В., Крымасов В.Н. Гидромеханические и тепловые процессы в ядерных реакторах с микротвэльным топливом. М.: ВИНИТИ РАН, 2003.
11. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.
12. Климова В.А., Пахалуев В.М., Щеклеин С.Е. Особенности вихреобразования при течении газового потока в слое из шаровых элементов // Известия высш. учеб. заведений. Серия «Проблемы энергетики». 2010. № 7—8. С. 14—19.
13. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое. Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1984.
14. Лозовецкий В.В., Пелевин Ф.В., Пономарёв А.В. Сопротивление и теплообмен в шаровых засыпках при движении одно-и двухфазных сред и кипении // Известия высш. учеб. заведений. Серия «Машиностроение».2006. № 7. С. 32—41.
15. Филиппов Г.А. и др. Экспериментальное исследование работоспособности защитных оболочек микротвэлов применительно к условиям тяжелых аварий легководных реакторов // Атомная энергия. 2007. № 5(103). С. 302—309.
16. Плаксеев А.А, Федосеев В.Н., Харитонов В.В. Взаимосвязь теплоотдачи, интенсивности перемешивания теплоносителя и гидравлического сопротивления в пористых средах // Известия АН СССР. Серия «Энергетика и транспорт». 1988. № 6. С. 106—113.
17. Лелеков В.И. Особенности теплообмена и газодинамики в тепловыделяющих сборках со сферическими твэлами и радиальной раздачей теплоносителя // Теплоэнергетика. 2005. № 3. С. 25—33.
---
Для цитирования: Березин А.А., Сатаев А.А., Новиков Д.И., Хвойнов О.В., Андреев В.В. Расчётное обоснование теплотехнической надёжности активной зоны водо-водяного реактора с шаровыми тепловыделяющими элементами // Вестник МЭИ. 2021. № 5. С. 44—50. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-44-50.
#
1. Atomnye Stantsii Maloy Moshchnosti: Novoe Napravlenie Razvitiya Energetikiy. T. 2. M.: Akadem-Print, 2015. (in Russian).
2. Bogoyavlenskiy R.G. Gidrodinamika i Teploobmen v Vysokotemperaturnykh Yadernykh Reaktorakh s Sharovymi TVEL. M.: Atomizdat, 1978. (in Russian).
3. Demenok S.L., Medvedev V.V., Sivukha S.M. Gidrodinamika i Teploobmen v Sharovykh Ukladkakh. SPb.: Strata, 2012. (in Russian).
4. Bua Shanshan e. a. CFD Investigations of Subcooled Flow Boiling in a Random Pebble Bed. Chem. Eng. Trans. 2017;61:1303—1308.
5. Li Hua e. a. Thermal Hydraulic Investigations with Different Fuel Diameters of Pebble Bed Water Cooled Reactor in CFD Simulation. Annals of Nuclear Energy. 2012;42:135—147.
6. Anoshkin Yu.I., Duntsev A.V. Teploobmennye Protsessy v YAEU. Nizhniy Novgorod: Izd-vo Nizhegorodskogo Gos. Tekhn. Un-ta im. R.E. Alekseeva, 2015. (in Russian).
7. Kirillov P.L., Yur'ev Yu.S., Bobkov V.P. Spravochnik po Teplogidravlicheskim Raschetam. M.: Energoatomizdat, 1990. (in Russian).
8. Smorchkova Yu.V., Avdonina E.A., Dedov A.V. Issledovanie Teplogidravlicheskikh i Neytronno-fizicheskikh Kharakteristik Perspektivnykh Teplovydelyayushchikh Sborok dlya Reaktornykh Ustanovok Maloy Moshchnosti. Izvestiya Vyssh. Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Problemy Energetiki». 2018;7—8:23—34. (in Russian).
9. Smorchkova Yu.V. Issledovanie Teplogidravlicheskikh Kharakteristik Sharovykh Zasypok pri Radial'nom Techenii Teplonositelya v Usloviyakh Ob′emnogo Teplovydeleniya: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: NIU «MEI», 2018. (in Russian).
10. Lozovetskiy V.V., Krymasov V.N. Gidromekhanicheskie i Teplovye Protsessy v Yadernykh Reaktorakh s Mikrotvel'nym Toplivom. M.: VINITI RAN, 2003. (in Russian).
11. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Osnovy Teploperedachi. M.: Energiya, 1977. (in Russian).
12. Klimova V.A., Pakhaluev V.M., Shcheklein S.E. Osobennosti Vikhreobrazovaniya pri Techenii Gazovogo Potoka v Sloe iz Sharovykh Elementov. Izvestiya Vyssh. Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Problemy Energetiki». 2010;7—8:14—19. (in Russian).
13. Gol'dshtik M.A. Protsessy Perenosa v Zernistom Sloe. Novosibirsk: Institut Teplofiziki SO AN SSSR, 1984. (in Russian).
14. Lozovetskiy V.V., Pelevin F.V., Ponomarev A.V. Soprotivlenie i Teploobmen v Sharovykh Zasypkakh pri Dvizhenii Odno-i Dvukhfaznykh Sred i Kipenii. Izvestiya Vyssh. Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Mashinostroenie».2006;7:32—41. (in Russian).
15. Filippov G.A. i dr. Eksperimental'noe Issledovanie Rabotosposobnosti Zashchitnykh Obolochek Mikrotvelov Primenitel'no k Usloviyam Tyazhelykh Avariy Legkovodnykh Reaktorov. Atomnaya Energiya. 2007;5(103):302—309. (in Russian).
16. Plakseev A.A, Fedoseev V.N., Kharitonov V.V. Vzaimosvyaz' Teplootdachi, Intensivnosti Peremeshivaniya Teplonositelya i Gidravlicheskogo Soprotivleniya v Poristykh Sredakh. Izvestiya AN SSSR. Seriya «Energetika i Transport». 1988;6:106—113. (in Russian).
17. Lelekov V.I. Osobennosti Teploobmena i Gazodinamiki v Teplovydelyayushchikh Sborkakh so Sfericheskimi Tvelami i Radial'noy Razdachey Teplonositelya. Teploenergetika. 2005;3:25—33. (in Russian).
---
For citation: Berezin A.A., Sataev A.A., Novikov D.I., Khvoinov O.V., Andreev V.V. Calculated Substantiation of the Fixed-Bed Nuclear Reactor Core Thermal Reliability. Bulletin of MPEI. 2021;5:44—50. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-44-50.
