7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

17-20 мая 2011 г.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты слепых расчетов экспериментов Sp2 и Sp3 на установке OSU MASLWR

В последнее время все большую популярность завоевывают проекты АЭС с пассивными системами безопасности. Проект MASLWR [1] является водо-водяным реактором тепловой мощностью 150МВт с естественной циркуляцией однофазного теплоносителя в первом контуре. Для обоснования ряда проектных решений построена масштабная экспериментальная установка OSU MASLWR [2], предназначенная для исследования процессов естественной циркуляции. Установка оснащена системами пассивной безопасности, позволяющими осуществлять отвод остаточных тепловыделений к окружающей среде неограниченное время.

В настоящей работе приведены слепые расчеты экспериментов SP2 (проектная авария с потерей питательной воды) и SP3 (естественная циркуляция в первом контуре при разных уровнях мощности), выполненные с помощью кода СОКРАТ в декабре 2011 г. Для этих расчётов потребовалось провести квалификацию граничных условий и откорректировать их в пределах погрешностей системы измерения. Это было сделано на основе имеющихся данных других экспериментов на этой установке и опыта моделирования кодом СОКРАТ.

Показано, что слепые расчеты совпали с экспериментальными данными по всем важным параметрам в пределах возможностей одномерного кода. Проведенные OSU MASLWR эксперименты могут быть использованы для верификации теплогидравлических кодов.

Описание реактора MASLWR и экспериментальной установки OSU MASLWR

Проект ядерной энергетической установки MASLWR (Multi-application Small Light Water Reactor) - многоцелевого водо-водяного реактора малой мощности основан на следующих концептуальных принципах:

- Модульная концепция (каждый модуль - 35 МВт (эл.))

- Естественная циркуляция первого контура в стационарных и переходных режимах

- Пассивные системы безопасности

- Малые размеры модулей - мобильность

- Область применения - малые изолированные энергосистемы

- Альтернатива - промышленное производство пара

- Гибкость - число модулей в зависимости от потребности энергосистемы

В таблице 1 приведены основные параметры первого и второго контуров установки MASLWR. Отметим, что для первого контура кроме естественной циркуляции характерно отсутствие кипения теплоносителя, что способствует улучшению водно-химического режима. Для теплообмена со вторым контуром применен теплообменник с витыми трубами (первый контур в межтрубном пространстве). Это увеличивает компактность установки.

Общая схема энергетической установки MASLWR приведена на рисунке 1. На рисунке 2 показаны барьеры и системы безопасности установки, включая защитную оболочку высокого давления (до 2 МПа) и конечный поглотитель тепла - бассейн с водой.

Таблица 1. Основные параметры первого и второго контуров установки MASLWR.

Рисунок 1. Общая схема реакторной установки MASLWR

Рисунок 2. Принципиальная схема установки MASLWR с системами безопасности

реактор тепловой мощность однофазный

Экспериментальная установка OSU MASLWR построена в университете штата Орегон (Oregon State University) и предназначена для изучения устойчивости режимов естественной циркуляции первого контура прототипного реактора MASLWR. Экспериментальная установка масштабирована: по длине первого контура - 1:3, по объёму первого контура - 1:254, по времени циркуляции теплоносителя первого контура - 1:1. Проектные давление и температура первого контура составляют 11.4 MПa и 590 K соответственно. На рисунке 3 показан разрез корпуса реактора экспериментальной установки. Активная зона расположена в нижней части корпуса. Над ней расположен тяговый участок (горячая нитка), сужающийся в верхней части. После разворота теплоноситель попадает в межтрубное пространство теплообменника парогенератора, находящегося в зазоре между тяговым участком и корпусом. В нижней части корпуса (напорной камере) теплоноситель повторно разворачивается и поступает в активную зону через опорную плиту с отверстиями, которая обеспечивает равномерность расхода по сечению активной зоны. Компенсатор давления является встроенным в корпус. Для поддержания необходимого давления непосредственно под уровнем воды первого контура в верхней части корпуса расположены нагреватели, обеспечивающие нагрев воды до насыщения. Суммарная мощность нагревателей составляет 12 кВт.

Рисунок 3. Схема первого контура установки OSU MASLWR

На рисунке 4 показана система пассивного теплоотвода от первого контура, включающая защитную оболочку (High Pressure Containment), теплопередающую пластину (Condensation Plate), масштабно моделирующую теплообмен от защитной оболочки и обеспечивающую сток тепла к конечному поглотителю и внешний бассейн-поглотитель тепла, заполненный водой при 293К и атмосферном давлении (Exterior Cooling Pool). По паровой части силовой корпус реактора и защитная оболочка связаны двумя одинаковыми линиями вентиляции VL (Vent Lines), по водяной - двумя линиями возврата конденсата SRL (Sump Return Lines). Для нормального функционирования системы расхолаживания достаточно работы одной линии VL и одной линии SRL.

Рисунок 4. Общий вид защитной оболочки и бассейна-охладителя OSU MASLWR

Установка достаточно хорошо инструментирована. Имеется возможность записывать показания 84 термопар, 7 датчиков давления, 6 уровнемеров, и 6 расходомеров разных типов. Также на 6-ти интервалах по длине первого контура регистрируется перепад давлений. Термопары, расположенные в активной зоне, находятся не в потоке, а внутри твэлов, что минимизирует их влияние на течение теплоносителя. 30 термопар смонтировано внутри и вблизи теплопередающей пластины на нескольких высотных отметках. Это позволяет регистрировать как температуру среды вблизи (~1-2 мм) стенки так и внутри нее, и, таким образом, рассчитывать тепловой поток и коэффициенты теплоотдачи.

Имеется возможность при помощи специальных нагревателей увеличить температуру стенки HPC, для исключения конденсации на немасштабных поверхностях.

Конфигурация экспериментальной установки MASLWR Орегонского университета похожа на конфигурацию АЭС с ВВЭР-640/В-407 при долговременном пассивном отводе тепла в авариях LOCA. Поэтому результаты экспериментов представляют и самостоятельную ценность с точки зрения дополнительной оценки пассивных систем, предусмотренных в проектах В-407, В-478 и В-498.

Описание расчетной схемы OSU MASLWR для РК СОКРАТ

Для расчета экспериментов по коду СОКРАТ построена расчетная схема, содержащая 220 гидравлических ячеек и 12 тепловых структур. На рисунке 5 приведена схема реактора, включающая первый и второй контур в пределах корпуса реактора и соединительные линии реактора с защитной оболочкой. Активная зона разделена на 2 группы нагреваемых стержней (core_int и core_ext), электрическая мощность которых являлась граничным условием при моделировании экспериментов. Модель защитной оболочки (HPC, High Pressure Containment) представлена на рисунке 6. Для слепых расчетов использовалась одномерная нодализация. Для открытых расчетов в целях улучшения моделирования перемешиваемости среды была разработана псевдо-двумерная модель. Для упрощения конечный поглотитель тепла (CPV, Coolant Pool Vessel) на расчетной схеме не показан. К особенностям схемы следует отнести возможность моделирования следующих процессов: ЕЦ первого контура, спиральный теплообменник парогенератора, критическое истечение через систему вентиляции ADS VL с соотношением длины к диаметру L/D~500, пристеночная конденсация в присутствии неконденсирующихся газов в защитной оболочке.

Рисунок 5. Расчетная схема реактора OSU MASLWR для расчетов по РК СОКРАТ

Кроме электрической мощности в качестве граничных условий задавались температура и расход питательной воды, давление пара, температура окружающей среды. Граничные экспериментальные данные предоставлены со скважностью 1 секунда. До проведения экспериментов SP-2 и SP-3 на установке проводился ряд тестов, на основании которых были оценены теплопотери установки, скорости течения теплоносителя первого контура, расходы через линии вентиляции и возврата конденсата. Соответствующие коэффициенты локальных сопротивлений добавлены в расчетную схему перед проведением слепых расчетов.

Рисунок 6. Расчетная схема защитной оболочки OSU MASLWR для РК СОКРАТ

Описание экспериментов на установке OSU MASLWR и их моделирования РК СОКРАТ

На экспериментальной установке в рамках международной стандартной задачи было проведено два эксперимента. Целевой функцией эксперимента SP-2 являлось изучение стабильности систем с естественной циркуляцией и связанного теплогидравлического поведения системы теплоносителя реактора, защитной оболочки и конечного поглотителя. Стабильность имеет решающее значение для успешного функционирования большинства пассивных систем безопасности, предназначенных для отвода остаточного тепла после срабатывания аварийной защиты реактора. Целевой функцией эксперимента SP-3 являлась проверка стабильности системы в режимах маневрирования мощностью. Спецификой маневрирования является существенное изменение температуры первого контура с изменением мощности активной зоны при сохранении параметров пара, поступающего на турбину.

Участниками стандартной задачи были следующие организации:

- AERB (Индия), BARС (Индия),

- OSU (США), USNRC (США),

- CIAE (Китай), SJTU (Китай), TU (Китай),

- ОКБ «ГИДРОПРЕСС» (Россия), ИБРАЭ РАН (Россия),

- KAERI (Ю. Корея), KINS (Ю. Корея),

- SERCO (Великобритания),

- UNIPA (Италия), UNIPI (Италия).

В качестве исходного события эксперимента SP-2 принимался отказ насоса питательной воды. После осушения парогенератора начинается рост давления первого контура, отключается нагреватель в КД и срабатывает аварийная защита. При дальнейшем росте давления открывается клапан PCS-106A на линии вентиляции VL, и пар начинает поступать в защитную оболочку. При повышении давления в ЗО до ~1,8 МПа клапан закрывается, при снижении до ~1,5 МПа открывается вновь. Циклическая работа клапана позволяет отводить запасенное тепло в первом контуре и остаточное тепловыделение в активной зоне в защитную оболочку и далее через теплопередающую пластину к конечному поглотителю. При снижении разности давлений между первым контуром и защитной оболочкой до 0,034 МПа открываются клапана на линиях слива конденсата и клапан на второй линии вентиляции. Уровень в корпусе реактора восстанавливается и начинается стадия длительного расхолаживания. Эксперимент заканчивается, когда давление в системе реактор - защитная оболочка опускается до 0,6 МПа. В таблице 2 приведены основные события эксперимента SP-2. Момент время первого открытия клапана PCS-106A задавался в качестве граничных условий, поскольку необходимое давление в первом контуре в расчете не было достигнуто.

Таблица 2. Основные события эксперимента SP-2 на OSU MASLWR, слепой расчет по РК СОКРАТ

В таблице 3 приведены данные о моментах открытия и закрытия клапана на линии вентиляции. Из таблицы следует, что интервал времени, при котором клапан находился открытым, в расчете приблизительно на 5-10% меньше во всем диапазоне давлений первого контура. Интервал времени, при котором клапан закрыт, в начале истечения в расчете меньше приблизительно на 20%, а в конце - практически совпадает. Это свидетельствует о переоценке РК СОКРАТ скорости конденсации пара в защитной оболочке в начальный момент времени.

В таблице 4 приведены данные о расчете стационара эксперимента SP-2. Все расчетные параметры укладываются в пределы точности измерений на установке, что свидетельствует о хорошей согласованности экспериментальных данных и способности РК СОКРАТ адекватно моделировать естественную циркуляцию первого контура и теплообмен со вторым контуром через витые трубки парогенератора.

Таблица 3. Работа клапана PCS-106A на линии VL в эксперименте SP-2 на OSU MASLWR, сопоставление экспериментальных данных и слепого расчета по РК СОКРАТ

Таблица 4. Параметры стационарного состояния для эксперимента SP-2 OSU MASLWR

На рисунках 7 и 8 показано сравнение экспериментальных данных по уровню в защитной оболочке и корпусе реактора со слепыми и открытыми расчетами по РК СОКРАТ. Как следует из рисунков, мощность теплоотдачи к конечному поглотителю тепла, определяемая динамикой изменения уровня в интервале 150-4000 с, рассчитана РК СОКРАТ верно.

Рисунок 7. Уровень теплоносителя в защитной оболочке в эксперименте SP-2 OSU MASLWR

Рисунок 8. Уровень теплоносителя в корпусе реактора в эксперименте SP-2 OSU MASLWR

После перехода в режим длительного расхолаживания при поступлении холодной воды в нижнюю часть корпуса реактора циркуляция теплоносителя кратковременно прекращается. На рисунке 9 приведен расход теплоносителя через тяговый участок. В интервале до 4000 с пики расхода связаны с открытием клапана PCS-106A, а после 6000 с - повторным вскипанием теплоносителя в активной зоне и увеличения среднеобъемного паросодержания в подъемном участке до 0,1. Расчет по РК СОКРАТ в силу одномерности теплогидравлической модели корпуса реактора недооценивает локальное снижение температуры теплоносителя на входе в активную зону (рисунок 10), в то время как средняя температура по напорной камере рассчитана адекватно.

При интенсивном истечении теплоносителя в защитную оболочку в течение первых 50 с наблюдалось явление интенсивного перемешивания пара со всем объемом воды в защитной оболочке, не предсказанное в слепых расчетах также в силу одномерности модели. В открытых расчетах путем задания множественных контуров циркуляции удалось частично воспроизвести явление. На рисунке 11 показано, что в открытых расчетах температура воды в защитной оболочке на глубине 1,3 м под уровнем теплоносителя предсказывается РК СОКРАТ лучше, но на глубине 2,8 м, откуда происходит забор конденсата, по-прежнему теплоноситель не нагревается.

Рисунок 9. Расход теплоносителя по первому контуру в эксперименте SP-2 OSU MASLWR

Рисунок 10. Температура теплоносителя на входе в активную зону в эксперименте SP-2 OSU MASLWR

Рисунок 11. Температура внутренней поверхности теплообменной пластины на уровне 1,57 м в эксперименте SP-2 OSU MASLWR

В паро-газовой области защитной оболочки (рисунок 12) расчетные различия в температуре стенки теплообменной пластины также существенны и вызваны переоценкой коэффициента теплоотдачи при конденсации из-за неучета пленки стекающего конденсата.

Рисунок 12. Температура внутренней поверхности теплообменной пластины на уровне 4,17 м в эксперименте SP-2 OSU MASLWR

При переходе к режиму длительного расхолаживания в интервале 4000-6000 с наблюдается более интенсивное расчетное снижение давления в системе защитная оболочка - реактор из-за поступления более холодной воды в корпус реактора из защитной оболочки (рисунок 13). На рисунке 14 показано давление первого контура. Очевидно, и по этим данным тепловой поток к конечному поглотителю несколько завышен.

Рисунок 13. Давление в защитной оболочке в эксперименте SP-2 OSU MASLWR

Рисунок 14. Давление первого контура в эксперименте SP-2 OSU MASLWR

При малой мощности температура стержней активной зоны несильно отличается от насыщения (рисунок 15). Добавление воздушного зазора в 0,02 мм между нагревателем и оболочкой в открытых расчетах позволило приблизить расчетную температуру нагревателя к измеренной величине.

Как отмечалось выше, базовые модели РК СОКРАТ переоценивают тепловой поток через теплопередающую пластину. Как следует из рисунка 16 локальный тепловой поток через теплопередающую пластину в интервале 50-4000 с превышен приблизительно в 1,4 раза из-за неучета теплового сопротивления стекающей пленки конденсата. При уменьшении коэффициента теплоотдачи к теплообменной пластине с внутренней стороны на 35% расчетные результаты начинают лучше коррелировать с экспериментальными. Это относится не только к среднему температурному напору на теплопередающей пластине (рисунок 17), но и интегральному потоку тепла из корпуса реактора, который можно оценить по повышению уровня конденсата (рисунок 18).

Рисунок 15. Температура поверхности твэл в эксперименте SP-2 OSU MASLWR

Рисунок 16. Температурный напор на теплопередающей пластине в эксперименте (слева) и слепом расчете по РК СОКРАТ (справа) для SP-2 OSU MASLWR

Рисунок 17. Температурный напор на теплопередающей пластине в открытом расчете по РК СОКРАТ при уменьшении коэффициента теплоотдачи для SP-2 OSU MASLWR

Отметим, что в целом РК СОКРАТ адекватно моделирует пассивные системы расхолаживания OSU MASLWR. Возможно дальнейшее улучшение качества моделирования процессов после добавления модели стекания пленки конденсата по протяженной вертикальной тепловой структуре.

Рисунок 18. Уровень в защитной оболочке в слепом и открытом (при уменьшении коэффициента теплоотдачи) расчетах по РК СОКРАТ для SP-2 OSU MASLWR

В эксперименте SP-3 на установке OSU MASLWR производилось одновременное увеличение мощности активной зоны и расхода питательной воды при поддержании стабильных параметров пара во втором контуре. При моделировании данного эксперимента наибольшую трудность вызвало моделирование стационарного состояния (таблица 5).

Таблица 5. Параметры стационарного состояния для эксперимента SP-3 OSU MASLWR

* стационар не достигнут, рост температуры теплоносителя первого контура со скоростью 0,004 К/с

При квалификации данных, полученных системой измерений, обнаружено, что тепловой поток от нагревателей имитаторов твэл активной зоны составлял ~42 кВт, а поток тепла в парогенератор, основанный на показаниях расходомера - 34 кВт.

При потерях с корпуса, оцениваемых по различным данным от 2,5 до 5 кВт, в слепом расчете не получено стационарного состояния. В открытом расчете, исходя из способа измерения расхода второго контура, а также показаний расходомеров при нулевом расходе в тесте SP-2 было сделано предположение о занижении расходомером показаний при расходах, близких к минимально регистрируемым. На рисунке 19 показано, что в слепых расчетах расход второго контура был точно равен измеренному (расход задавался в качестве граничного условия). В открытых расчетах расход был увеличен на 0,0015 кг/с на протяжении всего эксперимента. Это приблизительно 1% от диапазона измерений расходомера второго контура. На рисунке 20 приведена мощность активной зоны, также задаваемая в качестве граничных условий.

Рисунок 19. Расход второго контура через внешние трубки парогенератора в эксперименте SP-3 OSU MASLWR

Рисунок 20. Мощность активной зоны в эксперименте SP-3 OSU MASLWR

На рисунке 21 приведен уровень в компенсаторе давления, который зависит от средней плотности воды первого контура. Отметим, что отсутствие стационара в слепом расчете привело к дальнейшему росту средней температуры первого контура в течение эксперимента. В открытом расчете результаты согласуются гораздо лучше. В интервале времени 2800-3500 с из-за рассогласования мощностей активной зоны и парогенератора первый контур начал быстро остывать. Во избежание оголения нагревателей КД экспериментаторы добавили приблизительно 9 литров воды.

Рисунок 21. Уровень в компенсаторе давления в эксперименте SP-3 OSU MASLWR

Также в слепом расчете были недооценены теплопотери от КД к окружающей среде. Из анализа давления первого контура (рисунок 22) можно сделать вывод о недостаточной скорости конденсации пара в КД. В открытом расчете теплопотери от КД к окружающей среде увеличены на 1 кВт одновременно с ростом средней мощности нагревателей КД также на 1 кВт.

Рисунок 22. Давление первого контура в эксперименте SP-3 OSU MASLWR

На рисунках 23 и 24 показаны температуры теплоносителя на входе и выходе из активной зоны. Отметим хорошее согласование экспериментальных и расчетных данных в слепом расчете - отклонение от экспериментальных данных не превышает нескольких градусов и приблизительно в 4 раза меньше чем изменение самого параметра. Для открытых расчетов совпадение практически идеальное, не превышающее точность системы измерений. Этого удалось добиться корректировкой граничных условий для получения теплового баланса на установке.

Отметим, что температурный напор оболочка твэл - теплоноситель достигал 80 К, температура оболочки временами незначительно (на 1-2 К) превышала температуру насыщения, что могло вызвать поверхностное подкипание недогретого теплоносителя.

Рисунок 23. Температура теплоносителя на входе в активную зону в эксперименте SP-3 OSU MASLWR

реактор тепловой мощность однофазный

Рисунок 23. Температура теплоносителя на выходе из активной зоны в эксперименте SP-3 OSU MASLWR

Полученный опыт моделирования экспериментов SP-2 и SP-3

Одновременно с проведением расчетов экспериментов на установке OSU MASLWR производилась модернизация и верификация РК СОКРАТ. В частности, в РК СОКРАТ добавлена модель Жукаускаса по теплообмену с пучком труб при поперечном обтекании [3]. Получен опыт моделирования длительного расхолаживания системы реактор - защитная оболочка.

Дополнительно верифицированы следующие модели РК СОКРАТ:

- Расход в течь, включая критический

- Одно- и двухфазная естественная конвекция

- Конденсация на стенках

- Теплообмен в активной зоне

- Теплообмен в парогенераторе

По результатам моделирования пассивных систем безопасности были сделаны следующие выводы:

- Необходимо повышать точность корреляций и замыкающих соотношений в некоторых режимах

- Важно правильно учитывать в одномерном коде теплообмен со структурами с явно выраженной азимутальной асимметричностью

- В некоторых случаях необходима модель перемешивания среды во всем объеме (например, парогазовой смеси в защитной оболочке)

- Необходимо добавить в РК СОКРАТ модель стекающей пленки конденсата.

По РК СОКРАТ проведено слепое и открытое моделирование двух экспериментов на установке OSU MASLWR, предназначенной для исследования стабильности процессов естественной циркуляции однофазного и двухфазного теплоносителя.

Для всех определяющих параметров в слепых расчетах получено хорошее согласие с экспериментальными данными.

Открытые расчеты позволили незначительно улучшить результаты моделирования эксперимента SP-3. С использованием дополнительных параметров было проведено взаимное сопоставление экспериментальных данных и в открытых расчетах использованы наиболее достоверные из них.

Список литературы

1. S.M. Modro, J.E. Fisher, K.D. Weaver, J.N. Reyes, Jr., J.T. Groome, P. Babka, and T.M. Carlson. «Multi-Application Small LightWater Reactor Final Report». DOE Nuclear Energy Research Initiative Final Report, Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, December 2003.

2. OSU MASLWR Test Facility Modification Description Report IAEA Contract Number USA-13386.

3. Zukauskas, A. «Heat Transfer From Tubes in Crossflow,» Advances in Heat Transfer, 8:87-159. 1987

Размещено на Allbest.ru