Интенсификация и моделирование теплообмена в энергодвигательных установках аппаратов для пилотируемой экспедиции на Марс, страница 15

V - -1/N_S(G_a+ G₂);

 Ns- молярнаяплотность карбида.

На рис.1 приведено изменение состава карбидов ZrC и NbC при их взаимодействии с водородом.

 C/Zn

C/Nb

Рис.1 Изменение состава карбидов циркония (а) и ниобия в водороде [1].

Программы расчета выхода продуктов деления позволяют учитывать диффузионный выход около 200 изотопов основных изобарных цепочек из твэлов, имеющих некоторые особенности структуры (защитные покрытия трещины, поры).

Пример результатов такого расчета приведен в таблице.

Таблица. Диффузионный выход (R/B) некоторых изотопов, Т=2500 К.

Одним из эффективных способов повынения работоспособности ТВС является выравнивание температурного поля твэлов по сечению ТВС, поскольку температура нагрева твэлов близка (до 90%) к температуре плавления материала, и даже сравнительно незначительная неравномерность может вызвать резкое ускорение термически активируемых процессов ( ползучести, взаимодействия с рабочим телом и т.п. ).

Неравномерность температуры вызывается в основном изменением плотности нейтронного потока по сечению ТВС, вызванного поглощением нейтронов в твэлах. Вследствие особенностей структуры нагревной секции (НС), состоящей из большого количества стержневых твэлов (более 150), удобно уменьшить температурные неравномерности изменением загрузки урана в твэлах (профилирования) в поперечном сечении ТВС. Таким способом, в принципе, можно подобрать такую загрузку в каждом твэле, что температурные неравномерности исчезнут вообще.

Однако потвэльное профилирование слишком усложняет технологию изготовления твэлов и поэтому неприемлемо. Допустимо, лишь небольшое количество концентрационных зон (не более 4). Выбор границ зон и концентрации топлива в них представляет собой задачу оптимизации. Критерием оптимизации может быть, кроме минимума перепада температур твэлов ΔТ по сечению ТВС также минимум перегрева твэлов по сравнению со среднемассовой температурой газа min(Temax-Tg) , максимум запаса по температуре плавления mах(Tmelt-Tgmax).

При проведении оптимизации принималось, что профиль нейтронного потока задан и не зависит от перераспределения концентраций урана по сечению НС.

Для решения поставленной задачи задается определенное число зон профилирования N, в каждой из которых загрузка урана в твэле постоянна, а также задается максимальное значение концентрации урана Сmах. Может задаваться либо некоторый стандартный набор концентраций Cl,либо полагается, что их значения являются искомыми величинами.

Система уравнений газодинамики для определения трехмерного поля скоростей и температур теплоносителя в объеме ТВС может быть записана в виде:

Fz, F, - составляющие вектора силы сопротивления в осевом и азимутном направлении.

Граничные условия:

Поля температур в ТВС определяются из численного решения уравнений гидродинамики и теплообмена при следующих допущениях:

а) ТВС рассматривается как единая тепловыделяющая проницаемая среда (гомогенная модель);

б) так как длина теплообменника значительно больше его радиуса, течение происходит в осевом направлении и перепад давления в поперечном направлении незначителен, полагается, что давление зависит только от осевой координаты Z (изобарная модель);

в) так как в рассматривавшихся режимах работы теплоперенос в сборке происходит, в основнсм, за счет крупномасштабного перемешивания газа в поперечном направлении сборки (Кп), радиационная и кондуктивная составляющие  теплопереноса не учитываются;

г) учитывается изменение пористости сборки твэлов в пристенной области.

Неооходимые для замыкания модели данные (коэффициент теплоотдачи твэлов (α), коэффициенты эффективного перемешивания газа (Кп) и т.п.) были получены экспериментально на крупномасштабных моделях сборки.

Оптимальные значения концентраций топлива и конфигурации зон профилирования сначала определялись аналитически, исходя из критерия минимума неравномерности тепловыделения в твэлах q(г,φ), затем полученные таким образом значения концентраций и конфигурации зон варьировались до достижения оптимальных значений по критерию максимума запаса по температуре плавления (с учетом того, что температура плавления материала зависит от концентрации урана в нем), поля температур в ТВС определялись при этом по вышеописанной модели.