Теплообмен при продольном обтекании пучка стержневых твэлов

Как уже отмечалось в п.2 при работе ЯР нагрев АЗ обусловлен передачей кинетической энергии осколков деления окружающим атомам и молекулам среды, замедлением и радиационным захватом нейтронов во всех компонентах АЗ, поглощением мгновенного g-излучения, а также b- и g-излучения осколков деления и продуктов их распада. Одна из основных задач при конструировании ЯР это обеспечение надежного съема тепла, выделяющегося в АЗ. Это обусловлено, во-первых, тем, что в твэлах генерируется более 90 % всего тепла, во-вторых, тем, что под оболочкой твэлов накапливаются радиоактивные продукты деления. Ухудшение теплообмена может привести к разгерметизации твэлов и выходу радиоактивных продуктов в контур с теплоносителем. Надежное обеспечение теплоотвода от твэлов должно быть обеспечено не только при нормальных условиях эксплуатации, но также и при аварийных режимах.

Необходимость обеспечения теплоотвода в режимах нормальной и эксплуатации и в аварийных режимах предусматривает организацию теплоотвода восходящим движением теплоносителя в АЗ, что обеспечивает нормальный переход от принудительной циркуляции к естественной в случае выхода из строя циркуляционных насосов. Исключение составляют высокотемпературные и тяжеловодные ЯЭУ, функционирующие в настоящее время. Наряду с отводом тепла от твэлов необходимо отводить тепло и от других элементов АЗ и узлов реактора. Хотя количество этого тепла невелико, его отвод в ряде случаев не менее важен, чем отвод тепла от твэлов.

Тепловая энергия, это энергия хаотического движения молекул или атомов в жидкостях и газах и колебательного движения молекул или атомов в твердом теле. Чем выше скорость этого движения, тем большей тепловой энергией обладает тело. Процесс передачи энергии в результате обмена хаотическим движением молекул, атомов или микрочастиц называется теплообменом. Из житейского опыта известно, что тепловая энергия или тепло передается от более горячего тела к более холодному, и кажется вполне логичным принять за меру тепловой энергии температуру, однако это грубейшая ошибка. Температура тела является мерой способности к теплообмену с окружающими телами. Зная температуры двух тел мы можем сказать только о направлении теплообмена. Тело с большей температурой будет отдавать тепло и остывать, а тело с меньшей температурой принимать тепло и нагреваться, однако количество передаваемой энергии определить, исходя только из температуры, невозможно. Для нагрева на одинаковую температуры различных веществ необходимо различное количество тепловой энергии, каждое вещество обладает своей теплоемкостью. Удельной теплоемкостью вещества называется количество энергии необходимое для нагрева одного килограмма данного вещества на один градус.

(7.1)

где: Q – энергия; С – теплоемкость; m – масса; dT – подогрев;

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты в сплошной среде посредством хаотического движения микро частиц. Количество теплоты передаваемое за счет теплопроводности зависит от физических свойств среды в которой происходит теплообмен. Конвективный теплообмен - перенос теплоты при перемешивании более нагретых частиц среды с менее нагретыми. Если движения частиц среды вызвано разностью плотностей ее горячих и холодных областей, то такая конвекция называется естественной или свободной. Если движение вызвано работой насоса или вентилятора, то конвекция называется вынужденной. Конвективный теплообмен происходит в газах так же, как и в жидкостях. Во многих современных АЭС отвод теплоты из реактора происходит путем принудительной прокачки воды, газа или жидкого металла через активную зону. Вещество, которое нагреваясь забирает теплоту от источника называется теплоносителем. Теплообмен излучением - это передача тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. В современных АЭС при нормальной работе теплообмен излучением пренебрежимо мал по сравнению с конвективным.

Рассмотрев возможные способы теплообмена, вернемся к вопросу о передаче тепловой энергии в условиях АЭС или ТЭС. Как известно, на работающих станциях процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит непрерывно и в случае прекращения теплоотвода произойдет неизбежный перегрев установки. Следовательно на ряду с источником необходим потребитель тепловой энергии, который будет забирать тепло и либо преобразовывать его в другие формы энергии либо передавать его в другие системы. Передачу тепла от источника к потребителю осуществляется с помощью теплоносителя. Рассмотрим работу теплового контура для случая, когда теплоноситель не меняет своего фазового состояния (не испаряется).

Холодный теплоноситель поступает в устройство, являющиеся источником тепловой энергии для контура (АЗ реактора) в ней он нагревается, забирая тепловую энергию. Горячий теплоноситель подается в потребитель тепловой энергии, на выходе из которого, мы вновь имеем холодный теплоноситель. Расход теплоносителя G [кг/с], теплоемкость теплоносителя С (Дж/(кг×K)), температура на входе в источник T₁ [K] на выходе из источника T₂ [K] и мощность источника Q [Вт] связанны соотношением:

(7.2)

В некоторых случаях температура теплоносителя на входе в источник и выходе из источника может быть одинакова. Например, в случае если в источнике тепловой энергии происходит кипение теплоносителя, как известно температура кипящей воды остается постоянной. Теплота отводится за счет изменения фазового состояния теплоносителя. Удельной теплотой парообразования [Дж/кг] вещества называется количество теплоты необходимое для того, чтобы перевести один килограмм данного вещества из жидкого состояния в газообразное. Если r – удельная теплота парообразования теплоносителя то мощность источника Q [Вт] расход теплоносителя G [кг/сек] и паросодержание x на выходе из источника тепловой энергии связанны соотношением:

(7.3)

Рассмотрим более подробно источник тепловой энергии АЭС. Как уже говорилось, ядерная энергия высвобождается в результате деления ядер. Основным делящимся элементом, в большинстве современных энергетических реакторов, являются ядра урана, а именно изотопа с атомной массой 235 (²³⁵U). Обычно топливо применяется в виде таблеток UO₂ помещенных в металлическую трубку. Например, в реакторе РБМК трубка диаметром 13.5 мм выполнена из циркониевого сплава. Герметично заваренная заглушками трубка, с таблетками топлива называется тепловыделяющим элементом (твэл). Твэлы, в работающем реакторе, омываются потоком теплоносителя. В результате деления, тепловая энергия выделяется в таблетке, которая нагревается. За счет теплопроводности тепловая энергия предается на оболочку. Теплоноситель, омывая оболочку, снимает тепловую энергию и нагревается, в РБМК теплоноситель частично испаряется.

Рис. 7.1. Отвод тепла потоком теплоносителя от ядерного