Файл: Динамика и управление ядерным ракетным двигателем [Текст] 1974. - 253 с.pdf

Установление номинального режима. В конце разгона параметры двигателя приближаются к номинальным. При этом важно сделать их на этом уровне стабильными. Этот ответственный процесс обычно осуществляется совместной работой пусковой системы управления и системы управле­ ния номинального режима. Рассмотрим этапы пуска под­ робнее.

Физический пуск реактора. Плотность нейтронов в реак­ торе перед началом физического пуска определяется источ­ ником нейтронов и величиной подкритичности [13] и равна

п = sl*/(Ak),

где п — плотность нейтронов, нейтрон!сма\ s — мощность источника, нейтрон!(см3 -сек); I* — среднее время жизни мгновенных нейтронов. На время физического пуска не накладывается никаких ограничений со стороны тепловых процессов. Поэтому увеличение плотности нейтронов про­ изводится в таком темпе, какой диктуется оператором либо системой управления. Обычное ограничение во время физи­ ческого пуска — ограничение на период реактора

Т = nj(dnldt) « (ß— Sk)!(k6k)

в том смысле, что период реактора не должен быть меньше некоторой величины Т мин. Эта величина определяется вре­ менем, необходимым для остановки реактора в случае пус­ ковой аварии [13].

Разгон двигателя. В этот период действуют следующие ограничения.

Ограничение на период реактора.

Ограничение на скорость нарастания температуры реактора. Это ограничение при разогреве определяется воз­ никающими в конструкции реактора механическими напря­ жениями. Причина их — температурные градиенты. Смысл данного ограничения состоит в том, чтобы напряжения не превысили опасных значений.

Ограничение на максимальную температуру. В процессе разгона температура реактора, твэлов, газовых трактов и других элементов двигателя не должна превышать пре­ дельных значений.

Ограничение на амплитуду и частоту колебаний в газо­ вых трактах двигателя. Колебания в газовых трактах, обя­ занные своим возникновением волновым явлениям, не долж­ ны достигать опасных значений, а частота их не должна ле­

144

жать в резонансных областях для элементов конструкции двигателя.

Ограничение на время разгона. Время разгона не должно быть слишком велико, так как это приводит к чрезмерному непродуктивному расходу рабочего тела.

Кроме этих существует еще ряд технических ограниче­ ний, ограничений по работе с активными материалами, огра­ ничений по технике безопасности и т. п.

В этом параграфе рассмотрены некоторые особенности периода разгона двигателя, связанные с распределенностью

Рис. 4.3. Распределение тепловыделения в твэле.

параметров. Во время разгона в реакторе, во-первых, про­ исходит интенсивное повышение температуры, определяе­ мое подъемом мощности и, во-вторых, перемещение макси­ мума температуры к выходному концу реактора. Остановим­ ся подробнее на последнем явлении. Максимум тепловыделе­ ния имеет место в центральной части реактора, как это пред­ ставлено на рис. 4.3. В том случае, когда разогрев реактора идет без подачи рабочего тела, профиль температур прибли­ зительно повторяет профиль тепловыделения. Отклонение профиля температур от профиля тепловыделения происходит вследствие теплопроводности по длине реактора, которая весьма мала. Поэтому, чем быстрее протекает разогрев реак­ тора, тем ближе профиль температур повторяет профиль тепловыделения. Если по достижении определенной темпе­ ратуры прогрева включить расход рабочего тела, то в пер­ вый момент профиль температур рабочего тела повторит (с естественными отклонениями) профиль температур тепло­ выделяющего элемента. Отклонения температур будут оп­ ределяться динамикой теплопередачи: в передней части твэла, где имеется нарастающий фронт температуры, темпера­

1 4 5

тура газа ниже температуры стенки, и из-за разницы темпе­ ратур происходит разогрев газа. В выходной части, где имеется падающий фронт температуры, температура газа вы-

Рис. 4.4. Перераспределение температур в твэле после пуска теплоносителя.

ше температуры стенки, и стенка твэла прогревается от газа. Постепенно передняя часть твэла охлаждается, хвостовая прогревается и максимум температуры смещается к выход­ ной части. Описанный процесс иллюстрируется рис. 4.4,

146

где изображено перераспределение температур твэла от начального состояния (t = 0) до того момента, когда мак­ симум температур переместится к выходному сечению (^макс) под действием потока рабочего тела. Расход рабочего тела возрастает линейно до своего рабочего значения и дальше остается постоянным. Расчет переходных процессов прове­ ден по программе, описанной в § 4 гл. 2. Поскольку в этом процессе осуществляется вынос тепла из реактора рабочим телом, равный <3ЕЬШ0С та CGTBbIX, перемещение максимума

Рис. 4.5. Изменение температуры на выходе твэла при пуске двигателя.

температуры к выходному концу твэла сопровождается об­ щим понижением температуры, как это показано на рис. 4.4. После окончания процесса перераспределения температур начинается подъем мощности реактора и вызванный им подъем температур, который заканчивается установлением номинального режима (окончательный разгон двигателя). График изменения температур, рассчитанный для линей­ ного во времени нарастания мощности реактора, приведен на рис. 4.5.

Небольшой перегрев перед выходом на рабочий режим объясняется процессом переноса тепла из внутренних частей твэла к выходному сечению в процессе установления окон­ чательного равновесия между выделяемым и выносимым из реактора теплом и установления стационарного распределе­ ния температур.

147

Два рассмотренных выше процесса — процесс перерас­ пределения температур после предварительного прогрева и процесс окончательного разгона двигателя — можно объединить. Такое объединение в единый процесс разгона должно повести к некоторой экономии рабочего тела и оп­ ределенному сокращению времени. Однако при этом подъем мощности реактора должен проводиться по определенной программе. Кроме того, коль скоро процесс разгона форми­ руется заранее определенным образом, можно потребовать,

Рис. 4.6. Оптимальное изменение мощности при пуске двигателя.

чтобы перегрева при выходе на номинальный режим не было. Процесс разгона в этом случае формируется следующим об­ разом [12]. Вначале реактор прогревается без охлаждения рабочим телом (G = 0). При этом профиль температур соот­ ветствует профилю тепловыделения. В тот момент, когда температура максимально нагретой точки твэла достигает номинального уровня в двигателе, устанавливается номи­ нальный расход рабочего тела, который затем поддерживает­ ся на этом уровне. Тепловая мощность реактора при этом должна соответствовать выносу тепла из него, т. е. QN = = Qbmhoc- По мере смещения максимума температуры к вы­ ходному концу реактора будет возрастать выходная темпера­ тура газа и вынос тепла из реактора. В соответствии с этим должна повышаться и его тепловая мощность. Графики из­ менения температур и мощности реактора приведены на рис. 4.6 и 4.7. Расчет описанного процесса разогрева двига­

148

теля может быть рассчитан по программе § 4 гл. 2, которая должна быть дополнена блоком подбора тепловой мощности реактора. Работа этого блока состоит в следующем. Уста­

Рис. 4.7. Изменение распределения температуры твэла при оптимальном пуске.

фиксируется и счет переходит к следующему моменту вре­ мени ti+2. Таким образом, программа расчета N по за­ данному Гмакс должна содержать следующие алгоритмы:

горитм определения приращения мощности AN.

Алгоритм определения Тт макс весьма прост. Нужно про­ верить температуры всех точек по х и выбрать максималь­ ную. Алгоритм сравнения максимальной температуры с за­ данной и определение направления изменения мощности

149

пояснений не требует. Работа алгоритма определения вели­

шаге было АуѴіг+1, т. е. N ti+l = Nfi + &Nti+1.

Если при этом и в предыдущем шаге tt Ттмаііс < Тмакс в, то следует еще раз прибавить величину АNti+1, т. е.

эти алгоритмы, приведена на рис. 4.8.

Режим останова. Как известно [13], в реакторе после перевода его в подкритическое состояние имеется остаточное тепловыделение, которое объясняется распадом радиоактив­ ных изотопов, накопившихся в реакторе за время работы. Поэтому остановленный, т. е. переведенный в подкритиче­ ское состояние, реактор требуется еще некоторое время ох­ лаждать потоком рабочего тела. Желательно подобрать такой режим охлаждения, при котором затрата рабочего тела бы­ ла бы минимальной.

Остаточное тепловыделение можно описать следующим выражением:

А /уѴп= 0,1 [ft 4- Ю )-°<2_(ѴМі + 10)-°.2],

где N — мощность остаточного тепловыделения; N0— но­ минальная мощность реактора; tx — время после останова реактора, сек\ t0 — время, в течение которого работал реак­ тор, сек. Охлаждение реактора после перевода его в подкри­ тическое состояние может быть снято, как видно из этого выражения, сравнительно маленьким расходом теплоноси­ теля, скажем G0XJI = О, Ш„. Этот расход должен поддержи­ ваться до тех пор, пока остаточное тепловыделение не снизится настолько, чтобы от всей его оставшейся доли реактор без охлаждения не нагрелся бы выше определенной

температуры,т. е.

ос

Т 0 = [ Q o /( C ,M T)] < 7 макс, оха и Qo = j N ( 0 d t >

tО

где Т0 — средняя температура реактора в момент прекра­ щения подачи теплоносителя.

150