Evaluation of Radiant Heat Transfer Influence on the Temperature Field of Fuel Element Microcell of Pressurized Water-Cooled Nuclear Reactor

Optimization of the core composition of the pressurized water reactors is associated with the calculation of the temperature fields of heat exchange microcells containing separate fuel elements. Taking into account the radiation-conductive heat transfer inside the fuel element is based on the statement that the helium gap between the column of fuel pellets and the wall of the fuel element has the properties of a black body. This is not true as helium is a monatomic gas, it neither absorbs nor emits, i.e. transparent to heat radiation. The article substantiates the physical and mathematical model of a microcell of a fuel element of a pressurized water-cooled nuclear reactor, taking into account radiation heat transfer. The model takes into account that helium is transparent to thermal radiation, and the fuel element is cooled by a flow-through system of the coolant. The implementation of the model is carried out analytically using the Karman-Pohlhausen integral relations method. The temperature fields of the column of fuel pellets and the coolant channel are calculated, the temperatures of the side surfaces of the cell are determined, and the effect of radiation heat transfer on the temperature distribution in the cell is estimated.

fuel element microcell, temperature field, Karman-Pohlhausen method, complex conductive-radiative heat transfer, temperature drop on the fuel element wall, coolant mass average temperature

1. Скляренко, В.А. О материалах для оболочек твэл реакторов с водным теплоносителем сверхкритического давления / В.А. Скляренко, А.Г. Зубков, В.М. Зорин, А.В. Аникеев // Новое в российской электроэнергетике. - 2019. - № 8. - С. 33-42.

2. Зорин, В.М. Энергетический баланс и показатели тепловой экономичности энергоблока атомной электрической станции / В.М. Зорин, И.В. Устюхина, А.В. Бесова // Вестник Московского энергетического института. - 2020. - № 2. - С. 34-41.

3. Карташов, К.В. Поканальный теплогидравлический расчет активной зоны реактора ВВЭР-СКД 30 МВт (тепл.) при номинальных режимах работы / К.В. Карташов // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. - 2016. - № 3. - С. 127-131.

4. Jian Li. Materials Selection for the Canadian Supercritical Water-Cooled Nuclear Reactor Concept // JOM. 2016. V. 68. № 2.

5. Ганев, И.Х. Физика и расчет реактора / И.Х. Ганев. - Москва : Энергоиздат, 1991. - 368 с.

6. Колпаков, Г.Н. Конструкции твэлов, каналов и активных зон энергетических реакторов / Г.Н. Колпаков, О.В. Селиваникова. - Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 118 с.

7. Кириллов, П.Л. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках / П.Л. Кириллов, Г.П. Богословская. - Москва : Энергоатомиздат, 2000. - 456 с.

8. Кириллов, П.Л. Справочник по теплогидравлическим процессам в ядерной энергетике, т. 2 / П.Л. Кириллов, В.П. Бобков, А.В. Жуков, В.С. Юрьев. - Москва : ИздАТ, 2010.

9. Семенов, В.К. Обоснование математической модели теплообмена для реактора с сосредоточенными параметрами / В.К. Семенов, М.А. Вольман // Глобальная ядерная безопасность. - № 4(17), 2015. - С. 35-42.

10. Горбунов, В.А. Оценка влияния радиационного теплообмена на параметры температурных полей твэлов различного конструктивного исполнения / В.А. Горбунов, С.Г. Андрианов, С.С. Коновальцева // Вестник ИГЭУ. - 2021. - Вып. 2. - С. 23-31.

11. Горбунов, В.А. Разработка модели по определению температурного поля твэла в двумерной постановке задачи / В.А. Горбунов, Н.Б. Иванова, Н.А. Лоншаков, Я.В. Белов // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - 2019. - № 2. - С. 174-184.

12. Дементьев, Б.А. Ядерные энергетические реакторы. - Москва : Энергоатомиздат, 1990.

13. Шлихтин,г Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихдинг. - Москва : Наука, 1974.