Отдел ЭМ 4.1

Начиная с 1992 года, фактически после полного развала научной деятельности в учебных заведениях страны руководители и сотрудники, кафедры «Ядерные реакторы и установки» в рамках не потерявшей своего статуса ОЛАР и, созданного на кафедре в мае 1992 г. Учебно-научного центра «НУКЛОН», воссоздали научные связи с предприятиями атомной отрасли. В их числе были РНЦ им. И.В. Курчатова, ФГУП «НИКИЭТ», ПНИТИ, АО «МСЗ», НИКТБ Московского завода «Полиметаллов», ПО «Чемецкий МЗ».

Развивая научные связи, а в дальнейшем расширяя их за счет участия в НИОКР, выполняемых по грантам и договорам с Министерством науки и образования, ОАО «ТВЭЛ», «Росэнергоатом», ФГУП ВНИИНМ им. Бочвара, ФЭИ, МНТЦ, сложились следующие научные направления деятельности кафедры:

Комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по совершенствованию ядерного топлива для реакторов ВВЭР и РБМК и повышению его эксплуатационной надежности (Участие в программе Госкорпорации «ТВЭЛ» - «Эффективное топливоиспользование на АЭС на период 2002-2005 годы и на перспективу до 2020 года);
Научно-исследовательские работы по оптимизации гидродинамических характеристик потока теплоносителя во внутриреакторных трактах ВВЭР-1000, обеспечивающих эффективный подвод теплоносителя к активной зоне и улучшение условий охлаждения твэлов;
Экспериментальные и расчетные исследования турбулентных потоков применительно к интенсификации теплообмена в активных зонах реакторов ВВЭР нового поколения;
Экспериментальные и расчетные исследования гидродинамических и массообменных параметров потока теплоносителя в малостержневых моделях активных зон применительно к реактору БРЕСТ – ОД-300 и космической реакторной установки мегаватного класса;
Развитие, совершенствование и адаптация программного комплекса «Моделирование в технических устройствах» (ПК «МВТУ») применительно к исследованию динамических процессов и автоматизированному проектированию систем управления ЯЭУ различного назначения.

Лабораторное оборудование для проведения экспериментов

В объеме многолетних работ (1994-2011гг.), выполненных по первому направлению, можно выделить следующие:

Комплекс расчетно-экспериментальных исследований гидродинамического воздействия теплоносителя на конструктивные элементы ТВС ВВЭР-440;
Улучшение топливоиспользования, новые виды топлива. Определение влияния гидродинамики потока теплоносителя и колебаний ВКУ на вибрации ТВС в реакторах ВВЭР-440;
Исследование влияния конструктивных особенностей узлов кассеты ВВЭР-440 на её прочность;
Разработка и адаптация программного комплекса для анализа термомеханики активной зоны реактора ВВЭР, на основе нижепарных программ ТМ ТВС и ТМАЗ;
Расчетно-экспериментальные исследования ТВС второго поколения для реакторов ВВЭР-440 в условиях комбинированного гидродинамического нагружения;
Разработка предложений по конструкции антидебризных фильтров, исследование их характеристик на макете ТВС РБМК;
Исследование влияния дополнительного фильтра в конструкции ТВС РБМК-1000 на на гидродинамику потока теплоносителя и уровень вибрации пучка твэлов;
Влияние дроссельных шайб и антидебризных фильтров на гидродинамическое возбуждение вибрации рабочих кассет ВВЭР-440;
Исследование гидродинамической картины течения потока теплоносителя в пучке твэлов ТВС реактора ВВЭР-440 при различных конструктивных решениях входа в кассету и при использовании входного фильтрующего элемента (антидебризного фильтра);
Разработка методики и испытание макета измерительного зонда для исследований вибрационных характеристик РК ВВЭР-440;
Исследования гидродинамических и перемешивающих характеристик различных конструкций интенсифицирующей решетки ячеистого типа для ТВС реактора ВВЭР-1000;
Определение влияния конструкции отбойной сетки кассеты РК ВВЭР-440 на распределение гидродинамических характеристик потока в области термопары измерения температуры на выходе из ТВС;
Повышение безопасности и эксплуатационной надежности активной зоны ВВЭР-440, путем уменьшения диаметра твэла при сохранении конструкции ТВС в целом;
Исследование гидродинамики потока теплоносителя в хвостовике ТВС ВВЭР-440 второго поколения;
Статический анализ состояния твэлов и характеристики активной зоны реактора ВВЭР-440 в нормальных режимах работы;
Расчетно-экспериментальное обоснование конструкции отбойной сетки РК ВВЭР-440 для выравнивания поля температур в области установки внутренней термопары;
Разработка проекта и конструкторско-технологической документации установки для механических испытаний циркониевых оболочек в условиях взаимодействия топливо-оболочка;
Экспериментальные исследования по оптимизации гидравлического сопротивления и перемешивающих свойств отбойной сетки РК ВВЭР-440;
Проведение сравнительных гидравлических испытаний двух 19-ти ячеистых фрагментов дистанционирующей решетки реактора ВВЭР-1000.

По второму направлению научной деятельности кафедры в 2002-2009гг. выполнены следующие исследования:

Разработка модели межпетлевого перемешивания теплоносителя в реакторах ВВЭР-440, ВВЭР-1000;
Разработка информационных систем, направленных на повышение надежной эксплуатации АЭС, в части разработки модели межпетлевого перемешивания теплоносителя в реакторах ВВЭР-1000;
Исследование влияния нарушений циркуляции в контурах охлаждения реактора ВВЭР-1000 на скорость и состав теплоносителя перед активной зоной;
Исследование гидродинамики потока в напорных трактах движения теплоносителя внутри корпуса реактора ВВЭР-1000 при различных режимах работы петель охлаждения и исследование влияния на гидродинамику потока конструкции и размеров каналов;

Исследование гидродинамической картины распределения теплоносителя на входе в ТВС активной зоны реактора ВВЭР-1000 и влияние на неё сопротивления перфораций опарных стояков ТВС;

Улучшение топливоиспользования, новые виды ядерного топлива. Определение влияния гидродинамики потока теплоносителя и колебаний ВКЦ на вибрацию ТВС в реакторах ВВЭР-440;

Оказание консультационных услуг по технической поддержке эксплуатации систем контроля и управления в части представления информации влиянии режима циркуляции теплоносителя в реакторе ВВЭР-1000 на распределение скорости на входе в активную зону;

Обоснование безопасности при эксплуатации. Исследование зависимости течения и расхода теплоносителя на входе в ТВС ВВЭР-1000 от условий формирования потока в камере с опорными стаканами;

Расчетно-параметрический анализ термомеханического состояния активной зоны реакторов ВВЭР-1000 и ВЭР-1500 в проект ной аварии с учетом сейсмического воздействия.

Макет ТВС ВВЭР-440

По третьему направлению научной деятельности, финансированному за счет бюджетных средств. Тематический план работ утверждался и финансировался Министерством науки и образования. Исследования проводились в период 2011-2013гг.

По четвертому направлению были выполнены следующие работы:

Исследование гидродинамических нагрузок, действующих на трубы парогенератора РУ БРЕСТ-ОД-300 и их вибронапряженного состояния;
Разработка программы экспериментов и конструкторской документации на модели малостержневого пучка твэлов для изучения процессов массопереноса при характерных условиях ТВС БРЕСТ-ОД-300;
Исследование процессов гидродинамики и массопереноса в моделях малостержневых пучков твэлов применительно к ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300;
Исследование влияния условий входа потока теплоносителя в модель ТВС с малостержневым пучком твэлов на гидродинамику и массоперенос для обоснования проектных решений РУ БРЕСТ – ОД-300;
Исследование процессов гидродинамики и массопереноса в моделях ТВС с малостержневым пучком твэлов для обоснования проектных решений РУ БРЕСТ-ОД-300;
Разработка моделей гидродинамического контура реакторной установки и проведение исследований гидродинамических характеристик;
Разработка моделей газодинамического контура РУ и проведение исследований гидродинамических характеристик;
Проведение исследований гидродинамических характеристик реакторной установки;
Разработка моделей газодинамического контура и фрагментов монозоны РУ, проведение исследований гидродинамических и турбулентных характеристик потока теплоносителя в трактах контура.

Управление экспериментальными процессами в LabVIEW

По пятому направлению выполнен комплекс работ по созданию программного обеспечения применительно к численному исследованию динамических процессов и автоматическому проектированию систем управления ЯЭУ с использованием программного комплекса «Моделирование в технических устройствах» (ПК МВТУ):

Разработка динамической модели АСУ ТП энергоблока АЭС с реактором ВВЭР нового поколения для представительного комплекса Минатома РФ в ЭНИЦ – ИНВЕСТ г. Электрогорск (2002 год);

Расчетное обоснование ядерной безопасности ядерных паропроизводящих установок (ЯППУ) для плавучих АЭС в штатных переходных режимах и в проектных аварийных ситуациях (2003 год);

Разработка математической модели динамики нейтронно-кинетических и теплогидравлических процессов в опытно-демонстрационной реакторной установке со свинцовым теплоносителем РУ БРЕСТ-ОД-300 применительно к задачам проектного обоснования технологических систем автоматического управления (2004 год);

Моделирование процессов в системах управления и защиты для расчетного обоснования алгоритмов комплексной системы контроля, управления и защиты (КСКУЗ) реакторов типа РБМК-1000 (2002 год);
Поставка и доработка программного комплекса САПР для процесса проектирования и отладки алгоритмов КСУ ТС «Сталь-М»;
Доработка программного комплекса разработки математических моделей и алгоритмов управления ГЭУ для проекта 945М;

Объем работ выполненных по вышеперечисленным направлениям и договорам составил ~ 179 млн. рублей (179343,0 тыс. рублей). По результатам проведенных экспериментальных и расчетных исследований были получены следующие новые результаты:

В части исследования роли гидродинамического возбуждения в вибрациях пучка твэлов ТВС ВВЭР-440 и РБМК- 1000:
Показана определяющая роль на ряду с величиной расхода теплоносителя геометрии тракта теплоносителя на входе в ТВС ВВЭР-440 (дроссельных шайб на входе в хвостовик, длины хвостовика, антидебризного фильтра, а также конструктивных решений опорной решетки, дистанционирующих решеток) на максимальные поперечные вибрации пучка твэлов, наблюдающиеся на первых 200…300 мм пучка твэлов, которые могут приводить к повреждению оболочки твэлов и хвостовика;
Показано наличие вертикальных колебаний пучка твэлов ТВС ВВЭР-440 в потоке теплоносителя, приводящих к изгибным колебаниям опорной решетки и возможности фретинг-износа хвостовиков твэлов в месте их закрепления в опорной решетке;
Показано, что двухкратное увеличение силы прижатия чехловой кассеты ВВЭР-440 блоком защитных труб обеспечивает снижение виброперемещений твэлов;
Сформулированы рекомендации по изменению размещения дистанционирующих решеток, усилению жесткости опорной решетки ,совершенствованию узла крепления хвостовика твэла, конструкции антидебризного филоьтра ТВС ВВЭР-440 с целью снижения уровня вибрации твэлов на начальном участке пучка твэлов (а пределах двух первых пролетов);
Показано, что использование фильтрующего элемента хвостовика «ТВС-НП РБМК-1000» не вносит неприемлемых изменений в условиях теплоотвода от пучка твэлов как при нормальной работе, так и при раскрытии фильтра, вызванного его предельным засорением;
Разработаны аналитические и численные модели расчета характеристики вибраций с использованием информации о пульсациях давления в потоке;
В части влияния режима циркуляции теплоносителя в реакторе ВВЭР-1000 на распределение скорости на входе в активную зону:
Показано влияние числа работающих петель (четыре, три, две любые или одна) на распределение расхода теплоносителя на выходе из стояков ТВС и установлены количественные значения неравномерности расхода в радиальном и тангенциальном направлениях;
Предложен и экспериментально реализован способ выравнивания расхода на выходе из стояков ТВС за счет изменения площади щелевой перфорации стояков (уменьшения площади перфорации стояков на периферии активной зоны);
Показано, что при профилированной площади перфорации стояков напорной камеры реакторов типа ВВЭР-1000 (ВВЭР-1200, ВВЭР-1500) неравномерность расхода на входе в отдельные ТВС может быть снижена с современных ~ 15% до единиц процентов, что повышает теплотехническую надежность активной зоны и уменьшает вибрационные нагрузки на начальном участке пучка твэлов, возникающие вследствие перетечки теплоносителя из одной ТВС в соседние.
В части исследования гидродинамических и перемешивающих характеристик сотовых перемешивающих (дистанционирующих) решеток для ТВС с геометрией пучка ВВЭР-1000:
Получена обобщающая зависимость коэффициента межячейкового обмена за сотовыми решетками и выполнено сравнение коэффициентов обмена за сотовыми решетками и пластинчатыми решетками;
Предложена и экспериментально исследована новая конструкция сотовой решетки, создающий направленный конвективный перенос, повышающий интенсивность межячетстого обмена за решеткой на порядок по сравнению с решетками, обеспечивающими лишь турбулизацию потока;
Предложены решения, позволяющие оптимизировать геометрию сотовых решеток с направленным конвективным обменом с целью снижения коэффициентов гидравлического сопротивления;
На основании серии аэродинамических и гидравлических экспериментов предложено конструктивное решение отбойной сетки рабочей кассеты реактора ВВЭР-440, обеспечивающей выравнивание поля температур теплоносителя на выходе из кассеты в сечении измерения температуры теплоносителя.