Змішувальний пристрій для системи охолодження активної зони ядерного реактора бульбашковою пароводяною сумішшю

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано в корпусных реакторах, охлаждаемых пароводяной смесью, а также прямоточных парогенераторов докритических параметров. Известен способ охлаждения ядерного реактора пароводяной смесью, получаемой смешением диспергированной воды (конденсата) и сухого насыщенного пара [1] и устройство для его осуществления. Смесительное устройство содержит полый цилиндрический стакан с радиальными в нем отверстиями, через которые проводится пар, отбираемый после реактора с помощью парового компрессора. Циркуляционная вода (конденсат) под давлением поступает внутрь стакана в осевом направлении, где происходит смешение диспергированной воды с паром и образование пароводяной смеси, поступающей в каналы ТВЭЛ, производя их охлаждение. Известно смесительное устройство для системы охлаждения ядерного реактора пароводяной смесью, выбранное в качестве прототипа [2], состоящее из насадка подачи воды, диффузора, составленного из последовательно соединенных концентрического конфузора, цилиндрического разгонного канала, камеры смешения и восстановительного диффузора. К недостаткам прототипа относятся: невозможность получения устойчивой от коагуляции (слипания капель воды) пароводяной смеси, что снижает равномерность и эффективность охлаждения оболочек ТВЭЛ; пароводяная смесь, полученная с искусственной диспергации воды повышает теплообмен только на нисходящих участках канала, он орошая всей поверхности оболочек [3], установка в каждой сборке ТВЭЛ пароводяных смесителей усложняет конструкцию системы охлаждения, не исключается различие в гидродинамике входа теплоносителя в технологические каналы, что дополнительно ухудшает равномерность охлаждения. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования системы охлаждения активной зоны ядерного реактора путем получения в смесительном устройстве пароводяной смеси, состоящей из пузырьков пара и воды пузырьковой пароводяной смеси неподверженной коагуляции, что повышает равномерность и эффективность теплообмена в технологических каналах [4]. Поставленная задача решается тем, что в смесительном устройстве для системы охлаждения активной зоны ядерного реактора пузырьковой пароводяной смесью, состоящем из насадка подачи воды, цилиндрического разгонного канала камеры смешения и восстановительного диффузора согласно изобретению, насадок подачи воды имеет конфузорную форму с синусоидальной образующей поверхностью и соединен с цилиндрическим разгонным каналом, в начале которого неподвижно установлен кавитатор в виде осевой крыльчатки суперкавитирующего профиля, а перед восстановительным диффузором установлена камера смешения, переходящая в сопло, соединенное с восстановительным диффузором. При прохождении потока воды через кавитатор образуются каверны, заполненные паром, к которым подсасывается пар после реактора, что способствуе т развитию глубокой и устойчивой кавитации. Разгонный канал сопряжен с камерой смешения, а цилиндрической части которой завершается смешение пара и воды и происходит выравнивание потока. Камера смешения соединена с соплом, в котором происходит уменьшение размеров паровых пузырей, что повышает структурную устойчивость смеси. Сопло камеры смешения сопряжено с диффузором, в котором происходит торможение смеси и восстановление давления ее до расчетного, обеспечивающего циркуляцию пароводяной смеси в контуре реактора. Турбулентный поток мелкодисперсной однородной пузырьковой смеси, устойчивой от коагуляции, повышает равномерность и эффективность охлаждения оболочек ТВЭЛ. Механизм повышения коэффициента теплоотдачи при охлаждении оболочек ТВЭЛ пузырьковой пароводяной смесью объясняется квазипузырьковым режимом теплообмена в охлаждающих каналах, при котором происходит интенсивный турбулентный перенос тепла от теплообменных поверхностей оболочек ТВЭЛ к теплоносителю, что подтверждается экспериментальными исследованиями теплообмена в вертикальных трубчаты х каналах, о хлаждаемый пузырьковой пароводяной смесью и в режимах пузырькового кипения водяного теплоносителя [1, 2]. Таким образом обеспечивается ожидаемый технический результат, а именно - повышение равномерности и эффективности теплообмена активной зоны реактора. На чертеже (фиг.) показан поперечный разрез смесительного устройства для системы охлаждения активной зоны ядерного реактора пузырьковой пароводяной смесью. Оно состоит из насадка подачи воды 1, кавитатора в виде осевой крыльчатки 2 с лопастями суперкавитирующего профиля 3, цилиндрического разгонного канала 4 с отверстиями 5 для подвода пара к кавитатору, отбираемого после реактора, камеры смешения 6, сопла 7 и восстановительного диффузора 8. Насадок подачи воды 1, имеющий конфузорную форму с синусоидальной образующей поверхностью, соединен с разгонным цилиндрическим каналом 4, в начале которого установлен кавитатор 2, выполненный в виде осевой крыльчатки суперкавитирующего профиля (клинообразной формы). Разгонный канал 4 сопряжен с камерой смешения 6, переходящей в сопло 7, связанное с восстановительным диффузором 8 с углом раскрытия 3 - 5°. Кавитатор установлен в месте соединения насадка с разгонным каналом, в котором наблюдается наибольшее снижение статического давления в потоке воды, что облегчает развитие режимов суперкавитации на лопастях 3 крыльчатки кавитатора. Заявляемое устройство работает следующим образом. У реактора, охлаждаемого пузырьковой пароводяной смесью, часть пара ~30%, вырабатываемого реактором отбирается и поступает в камеру смешения 6. Циркуляционная воде (конденсат) подается в насадок подачи воды 1 в осевом направлении. Из насадка вода подводится к кавитатору 2, проходя через который в ней образуются суперкаверны, заполненные паром. При относительно большом давлении циркуляционной воды, подаваемой к кавитатору, для поддержания кавитации, перегретый пар после реактора подводится к кавитатору через отверстия 5 в цилиндрическом разгонном канале 4, что создает условия получения искусственной кавитации, обеспечивающие ее глубокое развитие и увеличение скорости потока смеси в разгонном канале, способствующее образованию мелкодисперсной структуры пузырьковой смеси. Эксперименты, проведенные на моделях, показывают, что относительная длина суперкаверны (отношение длины каверны к внутреннему диаметру кавитатора) образующейся за клиновидными лопастями 3 кавитатора 2, должна быть такой, чтобы в зоне замыкания суперкаверны ее хвост генерировал множество кавитационных пузырьков минимальных размеров. Диаметр образующихся п узырьков пропорционален частоте колебаний хвостовой части суперкаверны и скорости жидкости в этой зоне. Экспериментами установлено, что при относительной длине суперкаверны 2 - 2,5 внутреннего диаметра разгонного канала (или диаметра кавитатора) наблюдается максимальная частота колебаний хвоста суперкаверны, при которой образуются пузырьки пара размером 150 - 200мкм. Полученная пузырьковая пароводяная смесь, являющаяся рабочей смесью, поступает в камеру смешения 6, где происходит подсасывание пара после реактора, а окончательный процесс смешения пара с пузырьковой смесью и выравнивание параметров потока завершается в камере смешения 6, после, которой пузырьковая смесь, проходя через сопло 7, уменьшает размеры паровых пузырьков, что повышает стр уктурную устойчивость смеси, поступает затем в восстановительный диффузор 8, где происходит ее торможение и восстановление ее давления до расчетного. Пример конкретного выполнения основного элемента системы охлаждения реактора смесительного устройства с учетом параметров реактора-прототипа. Для ядерного реактора, охлаждаемого пароводяной смесью, оптимальное паросодержание смеси на входе в технологические каналы ТВЭЛ находятся в пределах x = 0,3 - 0,4. Паровая фаза образуется в циркуляционной воде при кавитации с температурой T = 596К, принятой на 22К ниже температуры насыщения при давлении P 160бар с целью устойчивой работы циркуляционного насоса. Отношением площади сечения шахты реактора Fр = 7м 2 к суммарной площади сечения технологических каналов ТВЭЛ Fс равно ~2. Тогда При скорости пароводяной смеси на входе в технологические каналы Wс = 2,5м/с, весовой расход смеси составит: где vсм = v'y + v"x = 0,00169 × 0,7 - 0.0096 × 0,3 = 0,00406м 3/кг удельный объем пароводяной смеси. Расход циркуляционной воды Gb = 0,7 × Gсм = 0,72160 = 1510кг/с, на одну петою реактора расход составит Скорость трубопроводе воды в циркуляционном где сечение трубопровода. Объемный расход пароводяной смеси на одну петлю реактора Входная площадь сечения сопла где W1 = 10м/с - принятая входная скорость воды в сопле. Диаметр входного сечения сопла подачи воды На основании опытных данных принимаем значение коэффициента кавитации x = 10 и коэффициента потерь в кавитаторе z = 0,1. Тогда скорость циркуляционной воды W2 при входе в кавитатор определяется по формуле где P = 160бар - статическое давление циркуляционной воды, Pк = 120бар - давление, соответствующее температуре насыщения T = 596К; r = 667кг/м 3 - плотность воды при T = 596К. Тогда Перепад давления соответствующей скорости на кавитаторе Площадь сечения разгонного канала Диаметр разгонного канала Скорость смеси в разгонном канале где vсм = v'y + v"x = 0,0015 0,925 + 0,0146 × 0,075 = 0,00249м 3/кг - удельный объем смеси в разгонном канале. Сечение камеры смешения F3 определяется из условия изменения количества движения паровой смеси в разгонном канале и эжектируемого пара (6) отсюда находим где Внутренний диаметр камеры смешения Длина камеры смешения принимается равной 5 - 8 ее диаметров. Скорость смеси в камере смешения Диаметр узкого сечения сопла после камеры смешения принимается равным диаметру разгонного канала. Угол раскрытия диффузора обычно принимается равным 3 - 5°. Длина суперкавитирующей крыльчатки принимается равной внешнему диаметру разгонного канала. Отбор пара после реактора уменьшают на величину парообразования от кавитации (~7,5%). Таким образом, данное техническое решение обеспечивает получение мелкодисперсной пузырьковой пароводяной смеси устойчивой от коагуляции, повышающей равномерность и эффективность охлаждения активной зоны реактора, что в целом повышает экономичность и надежность работы реактора.