Основы метода повышения эффективности управления тяжелыми авариями в корпусных реакторах для предотвращения парогазовых взрывов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы метода повышения эффективности управления тяжелыми авариями в корпусных реакторах для предотвращения парогазовых взрывов

Д.В. Билей, С.В. Васильченко, А.В. Шавлаков,

А.А. Ключников, В.И. Скалозубов

Уроки большой аварии на АЭС Fukushima-Daichi определяют необходимость совершенствования моделирования и анализа условий возникновения парогазовых взрывов в процессе развития тяжелых аварий для повышения эффективности их управления.

Основные ограничения методического обеспечения при детерминистском анализе безопасности отечественных энергоблоков в отношении условий возникновения парогазовых взрывов связаны со следующими положениями:

1) критерии дефлаграции/детонации водорода по диаграмме Шапиро-Монффетти не обоснованы для существенно динамических и неравновесных этапов развития тяжелых аварий;

2) отсутствует методическое обеспечение моделирования паровых «энергетических» взрывов, которые фактически исключены из рассмотрения как относительно маловероятные события.

В процессе тяжелых аварий (ТА) на ВВЭР наиболее вероятными в отношении условий возникновения и опасными по последствиям являются взрывы водородсодержащих смесей (ВПВС) и паровые (энергетические) взрывы.

Скорость пароциркониевой реакции (генерация массы газообразного водорода в единицу времени) определяется, в основном, температурой (удельной энтальпией) ТСМ и становится существенной при температурах, превышающих условия повреждения циркониево-содержащих оболочек твэлов. Поэтому обеспечение условий стабильного снижения температуры ТСМ является доминантным фактором снижения массы и концентрации генерируемого газообразного водорода, а, следовательно, и одним из консервативных термодинамических критериев взрывобезопасности ВПВС:

, (1)

где Т_ТСМ, i_ТСМ - температура и удельные энтальпии ТСМ соответственно; t - время.

Консервативность критерия определяется тем, что в случае невыполнения условия (1) произойдет взрыв ВПВС; т.е. полагается, что в этих условиях локальных концентраций водорода и кислорода будет достаточно для возникновения процессов дефлаграции/детонации вне зависимости от концентрации водяного пара, азота, инертных газов и других рекомбинаторов.

Также важными факторами, определяющими условия взрывобезопасности ВПВС, являются масса и концентрация водяного пара, являющегося по сути декатализатором взрыва ВПВС. Поэтому обеспечение условий стабильного поддержания массы водяного пара М_П, а соответственно, и концентрации в парогазовой смеси является вторым консервативным критерием взрывобезопасности ВПВС:

. (2)

Скорости изменения температуры ТСМ и массы водяного пара определяются интенсивностью процессов тепломассообмена и тепломассопереноса между ТСМ, теплоносителем и парогазовой смесью, а также условиями организации охлаждения в процессе развития ТА.

Для парового (энергетического) взрыва основным критерием его возникновения является превышение скорости роста давления в парогазовом объеме dP/dt соответствующих критических значений энергетической детонации парогазовой смеси:

. (3)

Значения определяются локальными физико-химическими свойствами парогазовой среды в условиях возможной детонации. Скорость роста давления в парогазовом объеме определяется интенсивностью процессов тепломассообмена и тепломассопереноса в условиях возможной детонации (в данном случае - в условиях многофазного теплогидродинамического взаимодействия ядерного топлива, конструкций, теплоносителя, источников охлаждения и парогазовой среды при развитии ТА в оборудовании/системах корпусных реакторов).

Теплогидродинамическое обоснование условий возникновения парогазовых взрывов для внутрикорпусной или внекорпусной стадии ТА проводится на модели приведенного объема, содержащего сосредоточенный парогазовый объем V_пг, бассейн теплоносителя объемом V_ж с массой расплава топлива М_р (рис. 3.10). Подача охлаждающей воды в приведенный объем от СБ моделируется источником с общим расходом G_жО и удельной энтальпией (температурой) i_т(Т_т). Удаление парогазовой среды в общем случае через организованные и неорганизованные неплотности приведенного объема моделируются суммарным расходом G_УТ. Основные источники водорода и тепла (в том числе в результате пароциркониевой реакции) моделируются сосредоточенными ТСМ в парогазовом объеме (с приведенной массой М_Т и удельной энтальпией i_Т(Т_Т)) и расплава ТСМ в бассейне теплоносителя (М_Р, i_Р). Консервативно полагается, что сосредоточенные ТСМ имеют максимальные температуры наиболее теплонапряженных элементов и соответствующие теплофизические свойства.

корпусной реактор парогазовый взрыв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Теплогидродинамическая модель условий парогазовых взрывов в процессе ТА.

С учетом принятых допущений теплогидродинамическая модель условий возникновения парогазовых взрывов имеет вид:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

, (13)

где G_Пж - расход парообразования в бассейне с жидкостью; G_КОН - массовый расход сконденсировавшегося пара; G_УТ - расход через неплотность объема; М_Р, G_Р - масса и расход расплава топлива в бассейне жидкости; i_Ж, i_П, i_т, i_Р - удельные энтальпии жидкости, пара, топливных конструкций в парогазовом объеме и расплава в бассейне жидкости соответственно; q_ЖР, q_ТП - плотность тепловых потоков между жидкостью/расплавом и топливом/паром соответственно; П_ЖР, П_ТП - площади поверхности контакта между жидкостью/ расплавом и топливными элементами/паром соответственно; Q_VT, Q_VP - удельные внутренние источники тепловой энергии топливных конструкций в парогазовом объеме и расплава; М_Т - масса топливных элементов в парогазовом объеме; М_ЖО, i_ЖО, G_жО - масса, удельная энтальпия и суммарный расход источника охлаждения; _Ж, _П - коэффициенты теплоотдачи между ТСМ с жидкостью и паром соответственно; q_КОН - плотность теплового потока при конденсации пара; П_КОН - контактная площадь конденсации; q_ЖОТ, П_ЖОТ - плотность теплового потока и контактная площадь теплообмена между ТСМ в парогазовом объеме и источником охлаждения.

Граничные условия межфазного теплообмена:

G_кон(i_П - i_ЖО) = q_конП_кон (14)

q_ЖР = _Ж(Т_Р - Т_Ж) (15)

q_ПТ = _П(Т_Т - Т_П) (16)

q_ЖОТ = _ЖО(Т_Т - Т_ЖО) (17)

С учетом сжимаемости и термодинамической неравновесности пара

, (18)

где _П, а_П - плотность пара и скорость звука в паре соответственно; V_ПГ - «свободный» от конструкций парогазовый объем.

Таким образом, консервативные термодинамические критерии взрывобезопасности на внутри- и внекорпусной стадиях ТА:

G_ПЖ(t) G_УТ(t) + G_кон(t) (19)

Q_VT(i_T) < q_ПТП_ПТ + q_ЖОТП_ЖОТ (20)

Q_VР(i_Р) < q_ЖРП_ЖР - G_P(i_T - i_Р (21)

< 1 (22)

Оценка выполнения условий парогазовых взрывов в корпусе реактора или в контайнменте возможна на основе детерминистского расчетного моделирования аварийных процессов с применением обоснованных для условий ВВЭР зависимостей межфазного тепломассообмена и переноса.

Качественный анализ полученных критериев позволяет сделать следующие выводы.

1. Определяющими параметрами условий парогазовых взрывов являются источники экзотермических химических реакций QVT, QVP, процессы тепломассообмена и переноса между ТСМ и теплоносителем q_ЖРП_ЖР, q_ЖОТП_ЖОТ, условия организованных и неорганизованных протечек G_УТ и интенсивности процессов конденсации G_КОН, которые могут изменяться на разных стадиях ТА. Поэтому обоснованность условий парового взрыва напрямую связано с обоснованностью и применимостью расчетных зависимостей для оценки условий межфазного взаимодействия в условиях ТА на ВВЭР. Необходимо выполнять верификацию и валидацию не только детерминистских кодов, моделирующих в целом поведение аварийных процессов, но и расчетных зависимостей межфазного взаимодействия.

2. Основными управляющими параметрами (доступным регулированием которых можно влиять на выполнимость критериев взрывобезопасности в процессе ТА) являются расход охлаждающей жидкости от СБ GжО и расход организованного удаления парогазовой среды GУТ.

Анализ полученных критериев определяет неоднозначность влияния управляющих параметров на взрывобезопасность:

увеличение расхода организованного удаления парогазовой среды, с одной стороны, способствует снижению концентрации водорода в корпусе реактора или контайнменте (повышение водородной взрывобезопасности) и снижению скорости роста давления (повышение энергетической взрывобезопасности), а с другой стороны, уменьшает массу (концентрацию) водяного пара, который является декатализатором взрыва водорода (понижение водородной взрывобезопасности);

увеличение расхода охлаждающей жидкости, с одной стороны, интенсифицирует процессы межфазного тепломассообмена (в том числе конденсации) и способствуют снижению температуры ТСМ (повышение взрывобезопасности), а с другой стороны, быстрая интенсификация охлаждения ТСМ может привести к растрескиванию или фрагментации охрупченных и окисленных поверхностей под действием больших термических напряжений, срыву устойчивого пленочного кипения и формированию новых «оголенных» высокотемпературных поверхностей ТСМ, что способствует повышению окисления и плавления циркалоя с последующим перемещением, повторному быстрому росту температуры, давления и оборудования водорода (понижение взрывобезопасности). В частности, последний из приведенных эффектов является одним из актуальных вопросов известной проблемы взрывобезопасности по неопределенности целесообразности «повторного залива» поврежденных ТСМ [1]: до настоящего времени отсутствует однозначная определенность в отношении необходимости «повторного залива» (подача охлаждения на поврежденные ТСМ) для обеспечения взрывобезопасности.

Последние события на АЭС Фукусима-1 только обострили актуальность неопределенности влияния эффектов от управляющих параметров взрывобезопасности: все действия персонала были направлены на однозначное увеличение расхода охлаждающих сред на поврежденное топливо и превентивных сбросов парогазовой среды; но, вместе с тем, не удалось избежать процессов горения и детонации, приведших к разрушению ЗББ и катастрофическим выбросам радиоактивных продуктов в окружающую среду.

Условием оптимизации расходов охлаждающей среды G_жО и организованного удаления парогазовой среды G_УТ является положительность всех целевых функций:

(23)

(24)

(25)

(26)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диапазоны оптимальных расходов охлаждающей среды и удаления парогазовой среды определяют область эффективного регулирования теплогидродинамических параметров взрывобезопасности и управления ТА на внутри- и внекорпусных стадиях.

Список литературы

1. В.И. Скалозубов, А.А. Ключников, В.Н. Ващенко, С.С. Яровой «Анализ причин и последствий аварии на АЭС Fukushima как фактор предотвращения тяжелых аварий в корпусных реакторах // Монография - Чернобыль: Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, 2012. - 280 с.

Размещено на Allbest.ru