Математичне моделювання та дослідження залежності величини температурного поля циліндричного твела реактора ВВЕР-1000 від його геометричних розмірів та тепловиділення

Abstract

Ковальський Я.О., Семерак М.М. (керівник). Математичне моделювання та дослідження залежності величини температурного поля циліндричного твела реактора ВВЕР-1000 від його геометричних розмірів та тепловиділення. Бакалаврська кваліфікаційна робота. Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2025. АНОТАЦІЯ Математичне моделювання теплових процесів у тепловиділяючих елементах (ТВЕЛах) є важливим для забезпечення безпеки та ефективності ядерних реакторів. ТВЕЛи, виготовлені з цирконієвих сплавів, містять ядерне паливо у вигляді таблеток діоксиду урану (UO?) та передають тепло до теплоносія [1]. Бакалаврська кваліфікаційна робота присвячена дослідженню температурного поля циліндричного ТВЕЛа реактора ВВЕР-1000 з урахуванням впливу геометричних розмірів і тепловиділення. Об’єкт дослідження – процес теплообміну в циліндричному ТВЕЛі в активній зоні реактора ВВЕР-1000. Предмет дослідження – залежність розподілу температур у ТВЕЛі від геометричних параметрів і тепловиділення. Мета дослідження – визначення впливу геометричних розмірів і об’ємного тепловиділення на температурне поле ТВЕЛа. У роботі детально проаналізовано конструкцію реактора ВВЕР-1000 [2]. Особливу увагу приділено конструкції ТВЗ, зокрема ТВЗ-А з безчехловим каркасом і RWFA, розробленої Westinghouse, яка використовує сплав ZIRLO® для оболонок і Inconel 718 для дистанційних решіток, що підвищує механічну міцність [3]. Виконано математичне моделювання температурного поля ТВЕЛів за рівнянням теплопровідності для циліндричної геометрії. Для ТВЗ-А враховано наявність осьового отвору в паливній таблетці, що сприяє зниженню температурних градієнтів, тоді як RWFA змодельовано як суцільний циліндр. Розрахунки проводилися для різних значень температури поверхні (600°C і 900°C) та об’ємного тепловиділення (80 МВт/м? і 120 МВт/м?), що дозволило встановити параболічний характер розподілу температур з максимумом у центрі ТВЕЛа [3]. В економічній частині обґрунтовано доцільність переходу на RWFA порівняно з ТВС-А, оцінено собівартість відпущеної електроенергії та рентабельність енергоблоку ВВЕР-1000, що підтверджує економічні переваги використання RWFA. У розділі з охорони праці розглянуто вимоги стандарту ISO 45001:2018, принцип ALARA для мінімізації радіаційних ризиків і заходи безпеки на АЕС [4].температурне поле, ТВС, RWFA.Kovalskyi Y.O., Semerak M.M. (supervisor). Mathematical Modeling and study of the dependence of the temperature field of the cylinrical fuel rod of the VVER-1000 reactor on its geometric dimensions and heat release. Bachelor's thesis. Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2025. SUMMARY Mathematical modeling of thermal processes in fuel elements (FEs) is crucial for ensuring the safety and efficiency of nuclear reactors. FEs, made of zirconium alloys, contain nuclear fuel in the form of uranium dioxide (UO?) pellets and transfer heat to the coolant [1]. This bachelor’s thesis is dedicated to studying the temperature field of a cylindrical fuel element in a VVER-1000 reactor, considering the influence of geometric dimensions and heat generation. Object of study - the heat transfer process in a cylindrical fuel element within the active core of a VVER-1000 reactor. Subject of study - the dependence of temperature distribution in the fuel element on geometric parameters and heat generation. Aim of the study - to determine the impact of geometric dimensions and volumetric heat generation on the temperature field of the fuel element. The work provides a detailed analysis of the VVER-1000 reactor design [2]. Particular attention is given to the design of fuel assemblies (FAs), specifically the TVSA with a skeletonless frame and the RWFA developed by Westinghouse, which uses ZIRLO® alloy for cladding and Inconel 718 for spacer grids, enhancing mechanical strength [3]. Mathematical modeling of the temperature field of fuel elements was performed using the heat conduction equation for cylindrical geometry. For TVS-A, the presence of an axial hole in the fuel pellet was considered, which helps reduce temperature gradients, while the RWFA was modeled as a solid cylinder. Calculations were conducted for different surface temperatures (600°C and 900°C) and volumetric heat generation rates (80 MW/m? and 120 MW/m?), revealing a parabolic temperature distribution with a maximum at the center of the fuel element [3]. In the economic section, the feasibility of transitioning to RWFA compared to TVSA is justified, with an assessment of the cost of electricity produced and the profitability of a VVER-1000 power unit, confirming the economic advantages of RWFA. In the occupational safety section, the requirements of the ISO 45001:2018 standard, the ALARA principle for minimizing radiation risks, and safety measures at nuclear power plants are addressed [4].