способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора
Классы МПК: | G21C17/00 Контроль; проверка G21C17/112 измерение температуры |
Автор(ы): | Гольба В.С., Иваненко И.Ю. |
Патентообладатель(и): | Обнинский институт атомной энергетики |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-06-05 публикация патента:
20.04.1999 |
Изобретение относится к исследованиям тепловых режимов активных зон ядерных реакторов. Способ может быть использован в атомной энергетике при расчете полей температур в тепловыделяющих сборках твэлов. Целью предлагаемого способа является повышение точности определения температур в сборках твэлов с сильной неравномерностью структуры или с сильной неравномерностью плотности энерговыделения. Сущность: на модели сборки датчик температуры перемещают от источника вниз по потоку теплоносителя до границы зоны чувствительности датчика, измеряют это расстояние и для определения температурных воздействий на интервале за пределами зоны чувствительности датчика измеряют на границе зоны чувствительности осевые и поперечные расходы теплоносителя в ячейках разбиения межтвэльного канала и разность температур площадок разбиения поверхности макетов твэлов и температуры теплоносителя на входе в сборку. Для слоев, начиная с первого слоя, за пределами зоны чувствительности (i = n + 1) определяют скорректированную разность температур площадок разбиения поверхности макетов твэлов и температуры теплоносителя на входе в сборку от действия источника, находящегося в слое i - n. Корректировка выполнена с использованием уравнения баланса, а поэтому скорректированные разности температур имеют точность, большую в сборках твэлов с сильной неравномерностью структуры или плотности энерговыделения. После чего решая соответствующие системы уравнений для слоев, начиная со слоя i = n + 1, находят искомые температуры твэлов. 5 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
Способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, включающий использование модели сборки, набранной из реальных твэлов без тепловыделения или их макетов, и сменного макета с источником тепла, замещение сменным макетом последовательно каждого твэла или его макета, а также измерение температурного поля сборки после каждого изменения тепловыделения, при этом сменный макет выполняют из материала с теплопроводностью, много меньшей теплопроводности теплоносителя, источник тепла выполняют точечным или линейным, устанавливают на поверхности сменного макета и перемещают его, затем заменяют сменный макет реальным твэлом и создают в тем тепловыделение, подробное реальному, изолируют его поверхность, кроме той ее части, где создают сток тепла, и изменяют положение этого стока, отличающийся тем, что на модели сборки датчик температуры перемещают от источника вниз по потоку теплоносителя до границы зоны чувствительности датчика, измеряют это расстояние и для определения температурных воздействия на интервале за пределами зоны чувствительности датчика измеряют на границе зоны чувствительности осевые и поперечные расходы теплоносителя в ячейках разбиения межтвэльного канала и разность температур площадокразбиения поверхности макетов твэлов и температуры теплоносителя на входу в сборку, для слоев, начина с 1 слоя, за пределами зоны чувствительности (i = n + 1) определяют скорректированную разность температур площадок разбиения поверхности макетов твэлов и температуры теплоносителя на входе в сборку от действия источника, находящегося в слое i - n по формуле
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-16t.gif)
после чего для нахождения искомых температур решают систему уравнений, подобную записанной для (n + 1)-го слоя
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-17t.gif)
при этом, что, начиная со слоя i = n + 2, составная часть температур (определяемая третьим членом правой части первого уравнения приведенной системы уравнений) будет складываться из двух составляющих: первой, обусловленной действием источников в слое i - n и определяемой аналогично как и для слоя i - 1, и второй, обусловленной действием источников в слое i - n - 1, для определения которой решается система уравнений межъячеечного обмена в сборке твэлов, в которой исходными значениями температур являются температуры
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к исследованиям тепловых режимов активных зон ядерных реакторов. Способ может быть использован в атомной энергетике при расчете полей температур в тепловыделяющих сборках твэлов. Известно изобретение "Способ экспериментального определения статических и динамических полей температур в узлах активной зоны реактора". В этом способе предполагается наличие нагревательного элемента большой мощности и протяженности при моделировании внутренней структуры твэла для того, чтобы можно было зафиксировать температуры на поверхности макетов твэлов модельной сборки [1]. Способ не работает при резком изменении энерговыделения по длине твэла, а также при наличии дефектов во внутренней структуре твэлов, что всегда имеет место в реальных сборках твэлов. Использование принципа суперпозиции температур без их корректировки по балансу тепла, что имеет место в данном способе, будет приводить к накоплению систематической ошибки при нахождении температурного поля ТВС. Ближайшим техническим решением является способ определения температуры твэла топливной сборки ядерного реактора, включающий использование модели сборки, набранной из реальных твэлов без тепловыделения или их макетов, и сменного макета с источником тепла, замещение сменным макетом последовательно каждого твэла или его макета, а также измерение температурного поля сборки после каждого изменения тепловыделения, при этом сменный макет выполняют из материала с теплопроводностью много меньшей теплопроводности теплоносителя, источник тепла выполняют точечным или линейным, устанавливают на поверхности сменного макета и перемещают его, затем заменяют сменный макет реальным твэлом и создают в нем тепловыделение, подобное реальному, изолируют его поверхность кроме той ее части, где создают сток тепла, и изменяют положение этого стока, а по полученным данным судят об искомой величине [2]. Недостатками известного способа являются необходимость создания источников тепла большой мощности, повышенная погрешность в определении температур в случае, когда внутренняя структура твэла имеет сильную неоднородность и в случае, когда резко меняется локальная плотность энерговыделения в твэле, что всегда имеет место в реальных сборках твэлов. Для определения температур в этом случае линейный размер участка, на котором располагается поверхностный элементарный источник тепла, должен быть сравнительно небольшим. По этой причине возрастает общее количество элементарных участков на поверхности твэла, влияющих на искомую температуру в фиксированной точке поверхности твэла. Если, например, количество элементарных источников, влияющих на температуру в фиксированной точке, равно 100, а систематическая погрешность при измерении температур равна 0,1oС, то суммарная систематическая погрешность, накопившаяся при определении локальной температуры фиксированной точки поверхности, составит 10oС. В определенных случаях, представляющих интерес для практики, такая погрешность уже является недопустимой. В большинстве случаев число элементарных источников, влияющих на температуру, в фиксированной точке поверхности достигает нескольких сотен. Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности определения температур в сборках твэлов с сильной неравномерностью структуры или с сильной неравномерностью плотности энерговыделения. Технический результат достигается тем, что по способу, включающему использование модели сборки, набранной из реальных твэлов без тепловыделения или их макетов, и сменного макета с источником тепла, замещение сменным макетом последовательно каждого твэла или его макета, а также измерение температурного поля сборки после каждого изменения тепловыделения, при этом сменный макет выполняют из материала с теплопроводностью много меньшей теплопроводности теплоносителя, источник тепла выполняют точечным или линейным, устанавливают на поверхности сменного макета и перемещают его, затем заменяют сменный макет реальным твэлом и создают в нем тепловыделение, подобное реальному, изолируют его поверхность кроме той ее части, где создают сток тепла, и изменяют положение этого стока, при этом с целью повышения точности определения температуры на модели сборки датчик температуры перемещают от источника вниз по потоку теплоносителя до границы зоны чувствительности датчика, измеряют это расстояние, и для определения температурных воздействий на интервале за пределами зоны чувствительности датчика измеряют на границе зоны чувствительности осевые и поперечные расходы теплоносителя в ячейках разбиения межтвэльного канала и разность температур площадок разбиения поверхности макетов твэлов и температуры теплоносителя на входе в сборку для слоев начиная с 1-го слоя за пределами зоны чувствительности (i=n+1) определяют скорректированную разность температур площадок разбиения поверхности макетов твэлов и температуры теплоносителя на входе в сборку от действия источника, находящегося в слое i-n по формуле![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-2t.gif)
после чего для нахождения искомых температур решают систему уравнений, подобную записанной для n+1 слоя
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-3t.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-4t.gif)
при том, что начиная со слоя i=n+2 составная часть температур (определяемая третьим членом правой части первого уравнения вышеприведенной системы уравнений) будет складываться из двух составляющих: первой, обусловленной действием источников в слое i-n и определяемой аналогично как и для слоя n-1, и второй, обусловленной действием источников в слое i-n-1, для определения которой решается система уравнений межячеечного обмена в сборке твэлов, в которой исходными значениями температур являются температуры
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
L = (n-1)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
При этом имеется в виду, что температуры поверхности в точках с индексами i=1,...,n измерены с приемлемой точностью и могут быть использованы при определении температур поверхности твэлов в реальных условиях по способу прототипа. А именно, для расчетного слоя с координатами i=1,..., n в осевом направлении, когда определены все тепловые потоки
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-5t.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-6t.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-7t.gif)
где tTB,[i,j] - температура твэла в реальных условиях эксплуатации;
* - индекс, означающий условия, когда реальный твэл находится вне реактора и сток тепла осуществляется с одной из площадок разбиения твэла в тангенциальном направлении и все остальные площадки затеплоизолированы;
k - число расчетных площадок разбиения поверхности твэла в тангенциальном направлении;
exp - индекс, означающий условия, когда макет твэла находится в реакторе, в сборке твэлов, омывается теплоносителем и сток тепла осуществляется с одной из площадок разбиения поверхности;
m - половина числа элементарных площадок в тангенциальном направлении, на которые оказывает температурное влияние локальный источник макета твэла в реакторных условиях;
i, j - координаты площадок в осевом и тангенциальном направлениях, соответственно;
t[i,j][
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129264/951.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129283/950.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129264/951.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129283/950.gif)
tfвх - температура на входе в сборку твэлов;
q[i,
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129283/950.gif)
S[i,j[ - площадь соответствующей площадки разбиения твэла;
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-8t.gif)
i - объем топливной композиции в i-м сечении. При этом для 1-го слоя с координатой i=1 второй член правой части уравнения (1) равен нулю, соответственно. Для всех же последующих точек, т.е. для точек с индексами i=n+1 и выше, которые находятся за пределами зоны чувствительности датчика, равной L, точность измерения температурного воздействия от источника, расположенного в начальном сечении сборки, является недостаточной, поэтому для определения температурных воздействий необходимо применить те операции, которые составляют существо изобретения. На границе зоны чувствительности измеряют осевые и поперечные расходы теплоносителя в ячейках разбиения межтвэльного канала, а также разности температур площадок разбиения поверхности макетов твэлов и температуры теплоносителя на входе в сборку. Обозначим эту разность температур
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129264/951.gif)
Разность температур теплоносителя в ячейках разбиения межтвэльного канала, примыкающих к площадкам разбиения макетов твэлов, и температуры теплоносителя на входе в сборку обозначим через
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
Вышеперечисленные разности температур связаны соотношением
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
где X - коэффициент пропорциональности. Расходы жидкости в осевом направлении сборки в ячейках поперечного сечения межтвэльного канала теплоносителя, примыкающих к площадкам разбиения поверхности твэла, начиная со слоя i=n+1 обозначим через G[i,
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129283/950.gif)
Поскольку расходы около каждой точки разбиения поверхности известны, то можно записать уравнение баланса тепла от действия локального источника. Например, для слоя i=n+1 это уравнение имеет вид
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-9t.gif)
Заменив в этом уравнении разности температур
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-10t.gif)
С помощью этого соотношения
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-11t.gif)
Температура поверхности в точке [n+1, j] под действием источника q[1, j] и температура жидкости около этой же точки под действием того же источника близки и отличаются между собой незначительно, так как эта точка [n+1, j] находится далеко от источника. Поэтому в качестве температуры поверхности возьмем температуру жидкости, определяемую формулой (6). Эта операция равносильна тому, что мы фактически измеренную разность температуры стенки и температуры теплоносителя на входе в сборку
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129283/950.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129283/950.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-12t.gif)
Определив значения
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-13t.gif)
Аналогичные значения составных частей температур расчетных участков могут быть получены для всех к расчетных участков всех слоев начиная со слоя i=n+1. Используя полученные выражения для составных частей температуры, можем записать систему уравнений для определения температур поверхности твэлов в слое i=n+1
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-14t.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129312/2129312-15t.gif)
Из решения системы уравнений (11), (12) определяют поле температур для слоя i=n+1 твэла. Расчет температур в последующем расчетном слое проводится с помощью системы уравнений (11), (12) с учетом того, что в отличие от системы уравнений для слоя i=n+1 система уравнений для слоя i=n+2 содержит две составные части температур. Первая составная часть температур определяется аналогично как и для слоя i= n+1, но уже от действия источников во втором расчетном слое. Вторая составная часть температур в слое i=n+2 обусловлена действием источников в 1-м слое. Для ее определения необходимо решить известную систему уравнений межячеечного обмена в сборке твэлов [3], в которой исходными значениями температур являются температуры
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129018/916.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129255/957.gif)
![способ определения температур твэлов топливной сборки ядерного реактора, патент № 2129312](/images/patents/342/2129015/183.gif)
1. Авторское свидетельство СССР N 1356852 G 21 C 17/10, 1985. 2. Авторское свидетельство СССР N 650429 G 01 N 25/00, 1976. 3. Жуков А.В. и др. Теплогидравлический расчет ТВС быстрых реакторов с жидкометаллическим охлаждением. - М.: Энергоиздат, 1985, с. 66 и 67.
Класс G21C17/00 Контроль; проверка
Класс G21C17/112 измерение температуры