Кризисы теплообмена в активной зоне. Работа регуляторов.

Кризис теплоотдачи (теплообмена) — резкое ухудшение теплоотвода от теплоотдающей поверхности, сопровождающееся скачкообразным ростом ее температуры. По современным представлениям кризис связан с уменьшением количества жидкости, находящейся в контакте со стенкой, в результате чего стенка начинает перегреваться.

Тепловая нагрузка q_кр, при которой происходит это явление, называется критической.

Несмотря на то, что явление кризиса теплообмена при кипении известно давно, механизм развития этого процесса до настоящего времени не изучен в полном объеме из-за сложности и многообразия данного явления. Многие авторы высказываются за существование двух модификаций кризиса теплообмена.

Во-первых, при течении недогретой до температуры насыщения жидкости, когда с повышением плотности теплового потока у стенки начинается пузырьковое, а затем пленочное кипение. В этом случае пленка пара экранирует стенку от основного потока жидкости, что приводит к резкому ухудшению теплоотдачи. Такое явление называют кризисом теплообмена первого рода.

Наиболее распространенная гипотеза о механизме возникновения кризисных явлений первого рода заключается в том, что при увеличении удельной тепловой нагрузки до критических значений скорость генерации паровых пузырей становится больше скорости их удаления с теплоотдающей поверхности, в результате чего поверхность нагрева покрывается сплошной паровой пленкой. Из-за сравнительно низкой теплопроводности пара при этом резко уменьшается коэффициент теплоотдачи, что и влечет за собой перегрев теплоотдающей поверхности и как следствие нарушение герметичности твэла. Критический тепловой поток q_кр сложным образом зависит от скорости, давления и температуры теплоносителя, формы и размеров теплопередающей поверхности. Это весьма сложное теплофизическое явление пока не имеет общего аналитическрго решения, но для различных конкретных случаев получены эмпирические уравнения, позволяющие рассчитывать q_кр в определенной области температур. Например, для стержневых цилиндрических твэлов при давлении 14-20 МПа, недогреве до кипения ∆t=(10¸100)°С и скорости теплоносителя w=1,5¸7 м/с:

 , ккал/(м²´ч)

где ,  - удельные объемы пара и воды при температуре насыщения, м³/кг; ρ - плотность теплоносителя, кг/м³.

Чтобы не допустить пленочного кипения, необходимо так организовать теплосьем, чтобы в самом напряженном твэле существовал запас по критической тепловой нагрузке:

где q_ср - средний тепловой поток, ккал/(м²´ч); k_v - объемный коэффициент неравномерности тепловыделения.

Вторая модификация кризиса, называемая кризисом второго рода, трактуется как следствие испарения или срыва водяной микропленки с поверхности твэла. Считается, что кризис второго рода наступает только при больших паросодержаниях, превышающих некоторое граничное весовое паросодержание, которое определяется давлением и массовой скоростью теплоносителя. Рабочая гипотеза относительно механизма возникновения кризиса второго рода связывает развитие кризисных явлений с наступлением объемного кипения в теплогенерирующем канале. При большом паросодержании в потоке жидкости, нагретой до температуры насыщения, паровые пузырьки, объединяясь друг с другом, могут заполнить все проходное сечение канала. Следствием этого запаривания является уменьшение скорости циркуляции жидкости через канал, в результате чего создаются условия для испарения водяного пограничного слоя на теплоотдающей поверхности. Образующаяся паровая пленка обладает низкими теплопередающими свойствами, и температура поверхности нагрева увеличивается. Характерной особенностью кризиса второго рода является его независимость от тепловой нагрузки. Последняя определяет только скачок температуры стенки.

Сама природа кризисных явлений второго рода, казалось бы, подсказывает пути исключения подобных режимов, - увеличение недогрева теплоносителя до кипения, которое может быть достигнуто за счет снижения температуры теплоносителя или за счет повышения давления в первом контуре. Но уменьшение температуры теплоносителя нежелательно вследствие того, что при этом снижаются параметры пара и как следствие уменьшается экономичность энергоустановки. Что же касается увеличения давления телоносителя, то в диапазоне рабочих давлений 1-го контура это приводит к ухудшению условий срыва пузырьков пара от поверхности твэлов, что облегчает возникновение кризиса первого рода.

Режимы теплообмена в активной зоне ядерного реактора определяют теплотехническую надежность активной зоны - это ее способность сохранять в течении заданного времени (кампании ядерного топлива) нормальный теплоотвод от твэлов при работе реактора в стационарном режиме без превышения предусмотренных в проекте случайных отклонений конструкционных и эксплутационных параметров от их номинальных значений.

Допустимая тепловая мощность реактора зависит также от неравномерности энерговыделения в активной зоне. Чем больше значение коэффициентов неравномерности энерговыделения в активной зоне, тем меньше максимально допустимая тепловая мощность реактора.

Поэтому, если в процессе эксплуатации при работе на мощности по результатам контроля выявится, что коэффициент неравномерности по объему активной зоны k_v или неравномерность мощности ТВЭЛов, ТВС превысят допустимые (проектные) значения, то мощность реактора должна быть снижена.