Применение программного пакета «ЛОГОС» для расчета теплофизических параметров узлов реакторных установок

Цитирование: Кузнецов М. С. Применение программного пакета «ЛОГОС» для расчета теплофизических параметров узлов реакторных установок / М. С. Кузнецов, А. И. Чуприков, Е. А. Юрченко, Е. А. Суханов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2025, 18(5). С. 662–669. EDN: RUTWOM применение модулей гидравлического и теплового анализа для осуществления теплогидравлического расчета для узлов реакторной исследовательской установки ИРТ-Т.

Таким образом, целью данной работы является проведение моделирования элементов реакторной исследовательской установки ИРТ-Т в программном пакете «ЛОГОС» для проведения теплогидравлического расчета. Для решения цели поставлены следующие задачи:

• –    создание модели тепловыделяющих сборок (ТВС) типа ИРТ-3М и расчет теплогидравлических параметров в программном пакете «ЛОГОС»;

• –    сравнение полученных результатов с ранее верифицированной моделью ТВС.

Построение и настройка расчетной модели ТВС ИРТ

Построение расчетной модели тепловыделяющей сборки реактора ИРТ-Т можно разбить на три крупных шага. На первом шаге необходимо воспроизвести точную полнонатурную трехмерную модель ТВС реактора [1]. Встроенный в пакет программ модуль по созданию и редактированию геометрических форм позволяет выстроить 3D-модель топливной сборки с некоторыми допущениями. Результаты моделирования представлены на рис. 1. Важный момент, когда модель является симметричной, то пакет программ «ЛОГОС» позволяет на первом этапе упростить создание модели и построить только её часть, до оси симметрии. При дальнейшем создании геометрической сетевой топологии программное обеспечение отражает её, и создается её полноценная модель.

При проектировании и разработке геометрической и математической модели приняты следующие допущения:

• –    все скругленные поверхности заменены на прямые углы, так как функция скругления не предусмотрена в данном программном обеспечении.

• –    изменена конструкция вытеснителя, а именно отсутствуют вытесняющие элементы.

Однако стоит отметить, что данное изменение имеет минимальное влияние на точность моделирования, так как верификация модели осуществляется по скорости теплоносителя в межтрубном пространстве. Следовательно, отсутствие вытесняющих элементов и прямые углы не сказывается на скорости теплоносителя в межтрубном пространстве ТВС.

Вторым важным шагом является создание топологической сеточной модели, которая будет использована для проведения расчетов. Пакет программ «ЛОГОС» позволяет строить объемные или плоские сеточные модели как в автоматическом, так и в ручном режиме. Точность реализации сеточной модели влияет не только на результаты моделирования, но и на время расчета и нагрузку на вычислительные мощности ЭВМ. Так как автоматический генератор

Рис. 1. Геометрическая модель восьмитрубной ТВС в разрезе

Fig. 1. Geometric model of an eight-pipe fuel assembly in section объёмной сетки применяет одинаковое значение разбиения на ячейки для всей модели, необходимо увеличить точность для тепловыделяющих элементов, а для габаритных элементов, таких как концевик и вытеснитель, понизить точность, чтобы снизить ресурсные требования к ПЭВМ. После проведенных манипуляций с расчётной сеткой общее количество ячеек в модели составляет порядка семи миллионов. Как отмечено ранее, в ходе построения сетевой топологической модели происходит отображение по оси симметрий, что наблюдается на рис. 2.

В ходе последнего шага построения расчетной модели тепловыделяющей сборки реактора ИРТ-Т заданы следующие параметры моделирования: начальная температура, значения энерговыделения и давления теплоносителя, которые выбраны согласно [2–4] и на основании результатов расчетов, полученных в специализированном программном обеспечении (табл. 1).

Результаты моделирования

Для обработки результатов моделирования использован встроенный визуализационный модуль.

Форма температурного распределения в сборке имеет специфическую форму лепестков, появляющихся по диагонали в направлении от центра. Такая неравномерность нагрева может быть объяснена более толстым слоем теплоносителя, который находится между двумя углами разных топливных элементов. Благодаря постепенному нагреву теплоносителя при его движе-

Рис. 2. Расчетная сетка восьмитрубной ТВС

Fig. 2. Calculation grid of an eight-pipe fuel assembly

Таблица 1. Начальные параметры моделирования

Table 1. Initial simulation parameters

Параметры	Значение
Начальная температура	40 ℃
Энерговыделение восьмитрубной ТВС	342 кВт
Энерговыделение шеститрубной ТВС	293 кВт
Давление теплоносителя	134 кПа

a

b

c

Рис. 3. Температурное распределение восьмитрубной ИРТ-3М по высоте: а – первый слой (10 мм); b – второй слой (300 мм); c – третий слой (600 мм)

Fig. 3. Temperature distribution of eight-pipe IRT-3M along the height: a – first layer (10 mm); b – second layer (300 mm); c – third layer (600 mm)

a                               b                               c

Рис. 4. Температурное распределение шеститрубной ИРТ-3М по высоте: а – первый слой (10 мм); b – второй слой (300 мм); c – третий слой (600 мм)

Fig. 4. Temperature distribution of six-pipe IRT-3M along the height: a – first layer (10 mm); b – second layer (300 mm); c – third layer (600 mm)

нии через сердечник сверху вниз, нагрев топлива и оболочки ТВС происходит параллельно. Этот эффект обуславливает смещение тепловых нагрузок в сторону нижней части топливных элементов.

В ходе сравнения аксиальных распределений максимальных температур в топливе и в теплоносителе, полученных в ходе данной работы и из ранее верифицированной модели ТВС [5] (рис. 5), выявлена хорошая сходимость в рамках погрешности.

Рис. 5. Аксиальные температурные распределения: а – в топливе шеститрубной ТВС; b – в теплоносителе шеститрубной ТВС; c – в топливе восьмитрубной ТВС; d – в теплоносителе восьмитрубной ТВС

Fig. 5. Axial temperature distributions: a – in the fuel of a six-pipe FA; b – in the coolant of a six-pipe FA; c – in the fuel of an eight-pipe FA; d – in the coolant of an eight-pipe FA

Для шеститрубной ТВС получены следующие результаты: средняя температура нагрева теплоносителя составила 5,25 ± 0,32 ℃, а максимальная температура теплоносителя равна 57,71 ±0,34 ℃. Для восьмитрубной ТВС: средняя температура нагрева теплоносителя равна 6,06 ± 0,08 ℃, а максимальная температура теплоносителя равна 60,83 ± 0,05 ℃.

Расхождение результатов можно объяснить тем, что в ранее верифицированных расчетах использовано уравнение Навье-Стокса для моделирования направления потока (жидкости или

Рис. 6. Сравнение ранее верифицированных скоростей теплоносителя в межтрубном пространстве с результатами моделирования ПП «ЛОГОС» для восьмитрубной ТВС

Fig. 6. Comparison of previously verified coolant velocities in the annulus with the results of modeling the LOGOS software for an eight-pipe fuel assembly

Рис. 7. Сравнение ранее верифицированных скоростей теплоносителя в межтрубном пространстве с результатами моделирования ПП «ЛОГОС» для шеститрубной ТВС

Fig. 7. Comparison of previously verified coolant velocities in the annulus with the results of modeling the LOGOS software for a six-pipe fuel assembly газа) и теплообмена [5], а в ПП «ЛОГОС» математическая модель основана на решении системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Форма аксиальных температурных распределений для самых энергонапряженных ТВС может быть объяснена стандартной формой потока нейтронов в ядерном реакторе.

В результате анализа полученных результатов выявлено, что модели шести- и восьмитрубной ТВС типа ИРТ-3М являются адекватными, поскольку полученные значения скоростей теплоносителя в межтрубном пространстве находятся в пределах погрешности. Набольшее отклонение скорости теплоносителя наблюдается в восьмом зазоре восьмитрубной ТВС и равно 3 %, а также для шестого зазора шеститрубной ТВС – 1,2 %. Данное явление объясняется тем, что площадь сечения шестого и восьмого зазора является наибольшей, следовательно, на них приходится меньше расчетных ячеек, что и сказывается на точности.

Заключение

В ходе выполнения теплогидравлических расчетов для шести- и восьмитрубных ТВС типа ИРТ-3М получены следующие результаты: средняя температура нагрева теплоносителя шести-рубной ТВС составила 5,25 ± 0,32 ℃, а максимальная температура теплоносителя шеститрубной ТВС равна 57,71 ±0,34 ℃, средняя температура нагрева теплоносителя восьмитрубной ТВС равна 6,06 ± 0,08 ℃, а максимальная температура теплоносителя восьмитрубной ТВС равна 60,83 ± 0,05 ℃. Наибольшие отклонения скоростей теплоносителя отмечаются для восьмого зазора восьмитрубной ТВС (3 %) и для шестого зазаора шеститрубной ТВС (1,2 %).

По результатам моделирования в расчетных модулях «ЛОГОС Аэро-Гидро» и «ЛОГОС Тепло» выявлена хорошая сходимость с ранее верифицированной моделью в пределах отклонения, в связи с чем можно говорить о перспективности применения отечественного ПП «ЛОГОС» для описания нестационарных явлений.