Ядерные реакторы и установки

Начиная с 1992 года, фактически после полного развала научной деятельности в учебных заведениях страны руководители и сотрудники, кафедры «Ядерные реакторы и установки» в рамках не потерявшей своего статуса ОЛАР и, созданного на кафедре в мае 1992 г. Учебно-научного центра «НУКЛОН», воссоздали научные связи с предприятиями атомной отрасли.  В их числе были РНЦ им. И.В. Курчатова, ФГУП «НИКИЭТ», ПНИТИ, АО «МСЗ», НИКТБ Московского завода  «Полиметаллов», ПО «Чемецкий МЗ».

            Развивая научные связи, а в дальнейшем расширяя их за счет участия в НИОКР, выполняемых по  грантам и договорам с Министерством науки и образования, ОАО «ТВЭЛ», «Росэнергоатом», ФГУП ВНИИНМ им. Бочвара, ФЭИ, МНТЦ, сложились следующие научные направления деятельности кафедры:

• Комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по совершенствованию ядерного топлива для реакторов ВВЭР и РБМК и повышению его эксплуатационной надежности (Участие в программе Госкорпорации «ТВЭЛ» - «Эффективное топливоиспользование на АЭС на период 2002-2005 годы и на перспективу до 2020 года);
• Научно-исследовательские работы по оптимизации гидродинамических характеристик потока теплоносителя во внутриреакторных трактах ВВЭР-1000, обеспечивающих эффективный подвод теплоносителя к активной зоне  и улучшение условий охлаждения твэлов;
• Экспериментальные и расчетные исследования турбулентных потоков применительно к интенсификации теплообмена в активных зонах реакторов ВВЭР нового поколения;
• Экспериментальные и расчетные исследования гидродинамических и массообменных параметров потока теплоносителя в малостержневых моделях активных зон применительно к реактору БРЕСТ – ОД-300 и космической реакторной установки мегаватного класса;
• Развитие, совершенствование и адаптация программного комплекса «Моделирование в технических устройствах» (ПК «МВТУ») применительно к исследованию динамических процессов  и автоматизированному проектированию систем управления ЯЭУ различного назначения.

В объеме многолетних работ (1994-2011гг.), выполненных по первому направлению, можно выделить следующие:

• Комплекс расчетно-экспериментальных исследований гидродинамического воздействия теплоносителя на конструктивные элементы ТВС ВВЭР-440;
• Улучшение топливоиспользования, новые виды топлива. Определение влияния гидродинамики потока теплоносителя и колебаний ВКУ на вибрации ТВС в реакторах ВВЭР-440;
• Исследование влияния конструктивных особенностей узлов кассеты ВВЭР-440 на её прочность;
• Разработка и адаптация программного комплекса для анализа термомеханики активной зоны реактора ВВЭР, на основе нижепарных программ ТМ ТВС и ТМАЗ;
• Расчетно-экспериментальные исследования ТВС второго поколения для реакторов ВВЭР-440 в условиях комбинированного гидродинамического нагружения;
• Разработка предложений по конструкции антидебризных  фильтров, исследование их характеристик на макете ТВС РБМК;
• Исследование влияния дополнительного фильтра в конструкции ТВС РБМК-1000 на на гидродинамику потока теплоносителя и уровень вибрации пучка твэлов;
• Влияние дроссельных шайб и антидебризных фильтров на гидродинамическое возбуждение вибрации рабочих кассет ВВЭР-440;
• Исследование гидродинамической картины течения потока теплоносителя в пучке твэлов ТВС реактора ВВЭР-440 при различных конструктивных решениях входа в кассету и при использовании входного фильтрующего элемента (антидебризного фильтра);
• Разработка методики и испытание макета измерительного зонда для исследований вибрационных характеристик РК ВВЭР-440;
• Исследования гидродинамических и перемешивающих характеристик  различных конструкций интенсифицирующей решетки ячеистого типа для ТВС реактора ВВЭР-1000;
• Определение влияния конструкции отбойной сетки кассеты РК ВВЭР-440 на распределение гидродинамических характеристик потока в области термопары измерения температуры на выходе из ТВС;
• Повышение безопасности и эксплуатационной надежности активной зоны ВВЭР-440, путем уменьшения диаметра твэла при сохранении конструкции ТВС в целом;
• Исследование гидродинамики потока теплоносителя в хвостовике ТВС ВВЭР-440 второго поколения;
• Статический анализ состояния твэлов и характеристики активной зоны реактора ВВЭР-440 в нормальных режимах работы;
• Расчетно-экспериментальное обоснование конструкции отбойной сетки РК ВВЭР-440 для выравнивания поля температур в области установки внутренней термопары;
• Разработка проекта и конструкторско-технологической документации установки для механических испытаний циркониевых оболочек в условиях взаимодействия топливо-оболочка;
• Экспериментальные исследования по оптимизации гидравлического сопротивления и перемешивающих свойств отбойной сетки РК ВВЭР-440;
• Проведение сравнительных гидравлических испытаний двух 19-ти ячеистых фрагментов дистанционирующей решетки реактора ВВЭР-1000.

По второму направлению научной деятельности кафедры в 2002-2009гг. выполнены следующие исследования:

• Разработка модели межпетлевого перемешивания теплоносителя в реакторах ВВЭР-440, ВВЭР-1000;
• Разработка информационных систем, направленных на повышение надежной эксплуатации АЭС, в части разработки модели межпетлевого перемешивания теплоносителя в реакторах ВВЭР-1000;
• Исследование влияния нарушений циркуляции в контурах охлаждения реактора ВВЭР-1000на скорость и состав теплоносителя перед активной зоной;
• Исследование гидродинамики потока в напорных трактах движения теплоносителя внутри корпуса реактора ВВЭР-1000 при различных режимах работы петель охлаждения и исследование влияния на гидродинамику потока конструкции и размеров каналов;
• Исследование гидродинамической картины распределения теплоносителя на входе в ТВС активной зоны реактора ВВЭР-1000 и влияние на неё сопротивления   перфораций опарных стояков ТВС;
• Улучшение топливоиспользования, новые виды ядерного топлива. Определение влияния гидродинамики потока теплоносителя и колебаний ВКЦ на вибрацию ТВС в реакторах ВВЭР-440;
• Оказание консультационных услуг по технической поддержке эксплуатации систем контроля и управления в части представления информации влиянии режима циркуляции теплоносителя в реакторе ВВЭР-1000 на распределение скорости на входе в активную зону;
• Обоснование безопасности при эксплуатации. Исследование зависимости течения и расхода теплоносителя на входе в ТВС ВВЭР-1000 от условий формирования потока в камере с опорными стаканами;
• Расчетно-параметрический анализ термомеханического состояния активной зоны реакторов ВВЭР-1000 и ВЭР-1500 в проект ной аварии с учетом сейсмического воздействия.

По третьему направлению научной деятельности, финансированному за счет бюджетных средств. Тематический план работ утверждался и финансировался  Министерством науки  и образования. Исследования проводились в период 2011-2013гг.

По четвертому направлению были выполнены следующие работы:

• Исследование гидродинамических нагрузок, действующих на трубы парогенератора РУ БРЕСТ-ОД-300 и их вибронапряженного состояния;
• Разработка программы экспериментов и конструкторской документации на модели малостержневого пучка твэлов для изучения процессов массопереноса при характерных условиях ТВС БРЕСТ-ОД-300;
• Исследование процессов гидродинамики и массопереноса в моделях малостержневых пучков твэлов применительно к ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300;
• Исследование процессов гидродинамики и массопереноса в моделях ТВС с малостержневым пучком твэлов для обоснования проектных решений РУ БРЕСТ-ОД-300;
• Исследование влияния условий входа потока теплоносителя в модель ТВС с малостержневым пучком твэлов на гидродинамику и массоперенос для обоснования проектных решений РУ БРЕСТ – ОД-300;
• Разработка моделей гидродинамического контура реакторной установки и проведение исследований гидродинамических характеристик;
• Разработка моделей газодинамического контура РУ и проведение исследований гидродинамических характеристик;
• Проведение исследований гидродинамических характеристик реакторной установки;
• Разработка моделей газодинамического контура и фрагментов монозоны РУ, проведение исследований гидродинамических и турбулентных характеристик потока теплоносителя в трактах контура.

По пятому направлению выполнен комплекс работ по созданию программного обеспечения применительно к численному исследованию динамических процессов и автоматическому проектированию систем управления ЯЭУ с использованием программного комплекса «Моделирование  в технических устройствах» (ПК МВТУ):

• Разработка динамической модели АСУ ТП энергоблока АЭС с реактором ВВЭР  нового поколения для представительного комплекса Минатома РФ в ЭНИЦ – ИНВЕСТ г. Электрогорск (2002 год);
• Расчетное обоснование ядерной безопасности ядерных паропроизводящих установок (ЯППУ) для плавучих АЭС в штатных переходных режимах и в проектных аварийных ситуациях (2003 год);
• Разработка математической модели динамики нейтронно-кинетических и теплогидравлических процессов в опытно-демонстрационной реакторной установке со свинцовым теплоносителем РУ БРЕСТ-ОД-300 применительно к задачам проектного обоснования технологических систем автоматического управления (2004 год);
• Моделирование процессов в системах управления и защиты для расчетного обоснования алгоритмов комплексной системы контроля, управления и защиты (КСКУЗ) реакторов типа РБМК-1000 (2002 год);
• Поставка и доработка программного комплекса САПР для процесса проектирования и отладки алгоритмов КСУ ТС «Сталь-М»;
• Доработка программного комплекса разработки математических моделей и алгоритмов управления ГЭУ для проекта 945М;

Объем работ выполненных по вышеперечисленным направлениям  и договорам составил ~ 179 млн. рублей (179343,0 тыс. рублей).

По результатам проведенных экспериментальных  и расчетных исследований были получены следующие новые результаты:

• в части исследования роли гидродинамического возбуждения в вибрациях пучка твэлов ТВС ВВЭР-440 и РБМК- 1000:

• показана определяющая роль на ряду с величиной расхода теплоносителя геометрии тракта теплоносителя на входе в ТВС ВВЭР-440 (дроссельных шайб на входе в хвостовик, длины хвостовика, антидебризного фильтра, а также конструктивных решений опорной решетки, дистанционирующих решеток) на максимальные поперечные вибрации пучка твэлов, наблюдающиеся на первых 200…300 мм пучка твэлов, которые могут приводить к повреждению оболочки твэлов и хвостовика;
• показано наличие вертикальных колебаний пучка твэлов  ТВС ВВЭР-440 в потоке теплоносителя, приводящих к изгибным колебаниям опорной решетки и возможности фретинг-износа хвостовиков твэлов в месте их закрепления в опорной решетке;
• показано, что двухкратное увеличение силы прижатия чехловой кассеты ВВЭР-440 блоком защитных труб обеспечивает снижение виброперемещений твэлов;
• сформулированы рекомендации по изменению размещения дистанционирующих решеток, усилению жесткости  опорной решетки ,совершенствованию  узла крепления хвостовика твэла, конструкции антидебризного филоьтра ТВС ВВЭР-440 с целью снижения уровня вибрации твэлов на начальном участке пучка твэлов (а пределах  двух первых пролетов);
• показано, что использование фильтрующего элемента хвостовика «ТВС-НП РБМК-1000» не вносит неприемлемых изменений в условиях теплоотвода от пучка твэлов как при нормальной работе, так и при раскрытии фильтра, вызванного его предельным засорением;
• разработаны аналитические и  численные модели расчета характеристики вибраций с использованием информации о пульсациях давления в потоке;

• в части влияния режима циркуляции теплоносителя в реакторе ВВЭР-1000 на распределение скорости на входе в активную зону:

• показано влияние числа работающих петель (четыре, три, две любые или одна) на распределение расхода теплоносителя на выходе из стояков ТВС и установлены количественные значения  неравномерности расхода в радиальном и тангенциальном направлениях;
• предложен и экспериментально реализован способ выравнивания расхода на выходе из стояков ТВС за счет изменения площади щелевой перфорации стояков (уменьшения площади перфорации стояков на периферии активной зоны);
• показано, что при профилированной площади перфорации стояков напорной камеры реакторов типа ВВЭР-1000 (ВВЭР-1200, ВВЭР-1500) неравномерность расхода на входе в отдельные ТВС может быть снижена с современных ~ 15% до единиц процентов, что повышает теплотехническую надежность активной зоны и уменьшает вибрационные нагрузки на начальном участке пучка твэлов, возникающие вследствие перетечки теплоносителя из одной ТВС в соседние.

• в части исследования гидродинамических и перемешивающих характеристик сотовых перемешивающих (дистанционирующих) решеток для ТВС с геометрией пучка ВВЭР-1000:

• получена обобщающая зависимость коэффициента межячейкового обмена за сотовыми решетками и выполнено сравнение коэффициентов обмена за сотовыми решетками и пластинчатыми решетками;
• предложена и экспериментально исследована новая конструкция сотовой решетки, создающий направленный конвективный перенос, повышающий  интенсивность межячетстого обмена за решеткой на порядок по сравнению с решетками, обеспечивающими лишь турбулизацию потока;
• предложены решения, позволяющие оптимизировать геометрию сотовых решеток с направленным конвективным обменом с целью снижения коэффициентов гидравлического сопротивления;
• на основании серии аэродинамических и гидравлических экспериментов предложено конструктивное решение отбойной сетки рабочей кассеты реактора ВВЭР-440, обеспечивающей выравнивание поля температур теплоносителя на выходе из кассеты в сечении измерения температуры теплоносителя.

За период с 1992 г. на кафедре размещены и функционируют экспериментальные стенды:

Гидродинамический стенд созданный в 1992-1994гг. при совместном участии специалистов кафедры и ОАО «МСЗ» г. Электросталь (стенд Э7-ЭЛЕМАШ).

            На стенде были выполнены и проводятся следующие исследования:

• гидродинамические испытания полномасштабных ТВС с имитаторами ядерного топлива водоохлаждаемых реакторов (ВВЭР-440) в условиях, моделирующих реакторные гидродинамические и механические нагрузки и возможные колебания,  действующие на ТВС по вибрации внутрикорпусных устройств. Исследования проводились с целью определения вибраций и фрейтингэффекта элементов конструкции ТВС при различных и конструктивных исполнениях, а также для создания методик и расчета и выработки предложений по конструктивным решениям элементов конструкции;
• исследования характеристик потока теплоносителя во внутрикорпусных трактах его движения и на входе в модель активной зоны реактора ВВЭР-1000 в условиях штатной работы контуров охлаждения, и при нарушениях циркуляции в контурах.

В результате испытаний были предложены возможные конструктивные решения, обеспечивающие выравнивание расхода по отдельным ТВС. Исследования проводились на модели реактора ВВЭР-1000 масштаб  модели 1:17. Модель реактора была разработана на кафедре и изготовлена на ОАО «МСЗ».

Аэродинамический стенд на котором были проведены и осуществляются в настоящее время следующие научные работы:

• исследование влияний конструктивных решений хвостовика, опорной, дистанционирующей, перемешивающих решеток, антидебризного фильтра  и отбойной сетки ТВС водоохлаждаемых реакторов на течение, тепломассообмен на пучках твэлов с целью выявления резервов повышения мощность ТВС, критического теплового потока;
• исследование гидродинамики потока теплоносителя и тепломассообменных процессов в малостержневых моделях ТВС с имитаторами твэлов различной конструкции и способами дистанционирования для обоснования решений по созданию активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300;
• исследование гидродинамики потока теплоносителя в трактах охлаждения корпуса и в монозоне  моделей реактора для космической ядерной энергетической установки мегаватного класса.

Разработаны уникальные автоматизированные методики получения данных о виброперемещениях, распределениях скорости, температуры, пульсации давления во фрагментах конструкции и элементах конструкции ТВС ВВЭР-440. Создана система обработки т отображения экспериментальных данных. Разработаны и разрабатываются теоретические модели для расчетныхисследований с использованием трехмерных кодов.

С 2012 года на кафедре используется, приобретённую ОАО «НИКИЭТ» и переданную МГТУ им. Н.Э. Баумана интегральную систему «Streamline Dantec» (термоанемометр), которая позволяет измерять мгновенные значения скорости потока и её  статические производные: среднюю скорость, интенсивность турбулентности в одной или нескольких точках пространства. Стоимость системы свыше 10 млн. рублей.

В 2013 году научных исследований, проводимых на кафедре, была приобретена, установлена и освоена работе оптико-лазерная система (на базе PIV- метода) фирмы DYNAMIC STUDIO (Дания). Используя эту аппаратуру можно осуществлять бесконтактные методы измерения параметров трехмерных полей скорости, содержащих крупномасштабные вихревые структуры. Стоимость комплекта аппаратуры ~ 12 млн. рублей.

Использование этих систем в исследовании потоков в каналах ядерных реакторов и теплотехнического оборудования позволит более детально и высококачественно осуществлять мониторинг параметров исследуемых течений.