Повышение эффективности некоторых средств обеспечения безопасности АЭС при разгерметизации реакторного контура

Современное интенсивное развитие атомной энергетики приводит к дальнейшему увеличению единичных мощностей новостроящихся атомных электростанций. Строительство атомных электрических станций (АЭС) производится на сравнительно близком расстоянии к населенным пунктам в районах с высокой плотностью населения, так как они обеспечивают не только производство электроэнергии, но и тепла для бытовых и технологических целей. Это все вызывает повышенное внимание к проблемам безопасности. На строительство современных энергетических установок, имеющих большую мощность и очень сложную конструкцию, вкладываются значительные капиталовложения. Часть этих средств идет на обеспечение безопасности. Чтобы сократить или оправдать эти капиталовложения нужно уметь прогнозировать последствия возможных аварийных ситуаций, так как от этого зависит в большей степени дальнейшее развитие атомной энергетики в целом. 1 В настоящее время в HP Болгарии применяются реакторы, в которых в качестве теплоносителя используется вода под давлением. С точки зрения проблемы повышения эффективности использования атомных электростанций и безопасности эксплуатации ядерных реакторов наиболее опасной является максимальная проектная авария с потерей теплоносителя при разрыве главного циркуляционного контура реакторной установки с реакторами типа ВВЭР. При этом возникают значительные реактивные усилия, создающие дополнительные нагрузки на реактор и оборудования. Эта аварияособенно опасно вследствие того, что в окружающую среду может поступить большое количество радиоактивных веществ, что приведет к облучению обслуживающего персонала и к загрязнению окружающей среды. С другой стороны она может привести к выходу из строя других элементов оборудования реакторного контура. Обеспечение безопасной работы атомных электрических станций тесно связано с решением задачи локализации последствий аварий.

Совершенно очевидно, что невозможно полностью ликвидировать все причины возникновения аварийных ситуаций, и поэтому всегда существует вероятность аварий с потерей теплоносителя. Это побуждает к созданию системы, которая обеспечила бы безопасность, не допустила бы разрушения оборудования и заражения радиоактивными веществами людей и окружающей среды. Одним из средств локализации и последствий аварий являются защитные оболочки, герметичные помещения и боксы для удержания возможного выброса активных веществ.

Для решения задач, связанных с безопасностью, необходимо знания основных физических процессов, протекающих в герметичных помещениях АЭС при истечении в них самоиспаряющейся жидкости. К этим процессам, прежде всего, относится изменение параметров втекающего теплоносителя, а именно изменение давления и температуры во времени. Степень повышения давления в защитной оболочке зависит в основном от расхода втекающего теплоносителя. Поэтому одним из самых актуальных вопросов в решении проблемы безопасности является вопрос ограничения расхода теплоносителя в условиях аварийной разгерметизации главного циркуляционного контура. В качестве одного из средств снижения величины аварийного расхода теплоносителя и, соответственно, реактивного усилия, в настоящее время используются ограничители течи типа сопла Лаваля, устанавливаемые непосредственно в самом реакторе или в подводящих или отводящих трубопроводах. Они не перекрывают, а лишь ограничивают аварийный расход теплоносителя. Эти ограничители перспективны с точки зрения надежное-. ти, так как в них отсутствуют подвижные элементы. Достоинство вставок-ограничителей расхода состоит в том, что они, не влияя на абсолютное количество выброшенного теплоносителя, уменьшают его расход. Это создает более благоприятные условия для уменьшения производительности средств аварийной заливки активной зоны. С другой стороны, уменьшение величины расхода из реакторного контура под защитную оболочку приведет к более медленному повышению давления в ней и меньшему максимальному его значению. Системы снижения давления под защитной оболочкой будут приведены в действие при меньшей величине давления. При этом появляется обоснованная возможность снизить величину расчетного проектного давления под оболочкой, т. е. уменьшить ее геометрические размеры или облегчить конструкцию и уменьшить материалоемкость. Вместе с тем, нужно всегда учитывать, что в номинальном режиме работы эти сопла яеляются «паразитными» сопротивлениями, поэтому при выборе геометрии проточной части сопла необходимо не только обеспечить достаточно эффективное ограничение расхода теплоносителя в аварийном режиме, но и гарантировать по возможности низкое гидравлическое сопротивление в условиях нормальной эксплуатации.

Влиянию геометрии вставок-ограничителей течи на реактивное усилие в месте разрыва и на расход истекающего теплоносителя, исследованию изменения параметров в защитной оболочке посвящена настоящая работа.

Цель работы. Цель работы состоит в постановке и проведении серий экспериментов по исследованию расходных характеристик и реактивных усилий, возникающих при проливке вставок различной геометрии, разработке методики расчета реактивных усилий и методики, при помощи которой можно рассчитывать каналы, работающие на сверхзвуковом потоке. Цель работы состоит также в разработке модели расчета последствий аварийной разгерметизации реакторного контура ядерной энергетической установки с точки зрения определения изменения параметров двухфазной смеси в защитной оболочке с учетом динамических свойств теплоносителя.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертации используются теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы исследования базируются на фундаментальных положениях механики сплошных сред, а допущения, положенные в основу выводов расчетных зависимостей, достаточно обоснованы. Использованные в работе экспериментальные методы исследования общепризнанны и обеспечивают приемлемую точность и воспроизводимость полученных результатов. Правильность разработанных методик, выводов и рекомендаций подтверждается совпадением расчетных значений, собственных экспериментальных данных и данных других авторов.

Научная новизна. Показано, что применение цилиндрических вставок с острой входной кромкой приводит к значительному уменьшению расхода и реактивных усилий по сравнению со значениями, которые реализуются в каналах геометрии, используемой в практике. Предложена методика, которая может быть использована для расчета каналов, работающих на сверхзвуковых потоках. При этом она может быть использована не только для истечения насыщенной и недогретой до насыщения воды, но и для однокомпонентной однородной двухфазной смеси.

Для определения параметров в защитной оболочке предложена методика, которая может быть использована для среды с любой степенью сжимаемости. Свойства сжимаемой среды определяются коэффициентом Грюнайзена, показателем изоэнтропы и скоростью звука.

Практическая ценность. Диссертационная работа содержит ряд идей, которые могут служить предметом дальнейших теоретических исследований в области истечения вскипающих теплоносителей и рабочих тел.

Полученные конечные формулы для определения скорости изменения давления и температуры двухфазной смеси могут применяться при проведении расчетных оценок значений параметров в защитной оболочке АЭС. Практическая реализация полученных результатов позволит повысить эффективность мер безопасности АЭС и их экономичность.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной юбилейной сессии Варненского института судостроения, г. Варна, HP Болгария (1982 г.), а также на научном семинаре кафедры «Атомные электрические станции» и на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и молодых исследователей Одесского политехнического института (1983 г.).

Автор защищает: результаты по определению реактивных усилий, полученные экспериментальным путем, при проливке вставок-ограничителей течи различной геометрии (в диапазонах изменения начальных давлений 1,0 — 2,1 МПа и различных недогревах воды до температуры насыщения) — экспериментально полученные расходные характеристики в указанных диапазонахметодику расчета вставок, ограничивающих реактивные усилия и расходметодику расчета реактивных усилий, возникающих в месте разрыва, которая позволяет определять относительную удельную тягу как функцию показателя изоэнтропыметодику расчета параметров (температура и давление) двухфазной смеси в защитной оболочке, которая позволяет рассчитывать скорость их изменения при любом фазовом состоянии водяной компоненты и может быть использована для среды с любой степенью сжимаемости, что возможно благодаря введению коэффициента Грюнайзена, показателя изоэнтропы смеси и термодинамически равновесной скорости звука.

Реализация результатов исследований. Результаты экспериментальных исследований расхода теплоносителя и реактивных усилий, содержащиеся в настоящей работе, внедрены и используются как исходные данные при разработке руководящего технического материала для инженерных расчетов (Всесоюзный теплотехнический институт им. Ф.Э.Дзержинского).

Экспериментальные результаты предполагается использовать в НИППИЭС «Энергопроект» — г. София с целью обоснования предложений генеральному проектировщику по реконструкции энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР-440. Указанные результаты могут быть также использованы генеральным проектировщиком — институтом Атомтеплоэлектро-проект при проектировании и строительстве АЭС в Народной Республике Болгарии и других странах — членах СЭВ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложенийсодержит 132 страницы машинописного текста, 32 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 81 названий и приложения на 24 страницах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Предложенная расчетная методика позволяет рассчитывать каналы, работающие на сверхзвуковом двухфазном потоке, при этом параметры в Iтом сечении расходящейся части сопла приводятся к параметрам в критическом сечении.

2. Сами критические параметры определяются с помощью показате- • ля изоэнтропы однородной двухфазной смеси.

3. Предложенная методика может быть использована не только для истечения насыщенной и недогретой до насыщения воды, но и для одно-компонентной однородной двухфазной смеси.

4. Экспериментальные результаты истечения жидкости через каналы исследованной геометрии — профилированные сопла типа Лаваля с различным углом расширения диффузорной части и цилиндрическая вставка с острой входной кромкой, позволили получить расходные характеристики и реактивные усилия при давлениях на входе в рабочий участок Pj=I, 0 МПа и Pj=2,I МПа и недогревах до насыщения от 0 °C до Ю0°С.

5. Значения расхода и реактивных усилий при использовании каналов с острой входной кромкой в качестве ограничителей течи могут быть существенно меньше тех их значений, которые реализуются в каналах геометрии, используемой в практике, а именно: по расходам в 1,5 — В раза, а по реактивным усилиям в 2 — 3 раза.

6. Сопоставление существующих результатов ряда авторов с результатами по определению расходных характеристик показало, что методика проведения экспериментов построена правильно и экспериментальная установка дает результаты, согласующиеся с литературными данными.

7. Сопоставление расчетных значений реактивных усилий с экспериментальными при истечении насыщенной воды через каналы с острой входной кромкой свидетельствуют о работоспособности предложенной расчетной методики и о возможности ее практического использования.

8. Предложена расчетная модель изменения параметров в защитной оболочке, которая в большей степени отвечает реальным условиям протекания процессов в ней:

— предлагаемая методика позволяет рассчитывать скорость изменения параметров водовоздушной смеси в защитной оболочке реактора при любом фазовом состоянии водяной компоненты;

— в предлагаемой методике учитывается наличие двух компонентводяной и газовой;

— введение в расчетную модель формулы термодинамически равновесной скорости звука и коэффициента Грюнайзена позволило непосредственно определить такой важный для расчета прочности защитной оболочки параметр, как скорость изменения давления.

9. Предлагаемые расчетные формулы имеют ясную физическую структуру $ позволяющую производить не только количественную, но и качественную оценку направления процесса.

10. Предлагаемая методика может быть использована для определения параметров в защитной оболочке для среды с любой степенью сжимаемости. Особенности среды в различном агрегатном состоянии в предлагаемой расчетной модели учитываются показателем изоэнтропы, коэффициентом Грюнайзена и скоростью звука.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения настоящей работы решены задачи, связанные с экспериментальным исследованием реактивных усилий, разработкой и проверкой методики расчета реактивных усилий, разработкой расчетной модели для определения скорости изменения параметров в защитной оболочке реакторного помещения.

По отдельным главам основные результаты работы следующие:

1. Проведено экспериментальное исследование по определению реактивных усилий, возникающих при проливке вставок различной геометрии, ограничивающих реактивные усилия и расход теплоносителя.

2. Рекомендована расчетная модель, которая позволяет профилировать каналы, работающие на сверхзвуковом двухфазном потоке. Особенность профилирования состоит в том, что параметры в Lтом сечении расходящейся части приводятся к параметрам в критическом сечении.

3. Предложена методика для расчета реактивного усилия. При этом используется безразмерная формула для определения удельной относительной тяги в функции от показателя изоэнтропы в критическом сечении.

4. Предложена методика для определения скорости изменения параметров в защитной оболочке, которая может быть использована для среды с любой степенью сжимаемости (при любом фазовом состоянии водяной компоненты).

5. На основании полученных в диссертации результатов можно рекомендовать использовать в качестве ограничителей расхода и реактивных усилий цилиндрические каналы с острой входной кромкой с плавной расходящейся частью. При этом, с целью получения минималь ных гидравлических сопротивлений при нормальной эксплуатации и минимальных расходов и реактивных усилий в аварийном режиме, вставки должны быть расположены в непосредственной близости от реактора с направленной в его сторону острой входной кромкой и с плав ной частью, направленной в сторону циркуляционного насоса.