автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обеспечение водородной пожаровзрывобезопасности ядерных энергетических установок

Для служебного пользования

Экз. I» ./'_

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА ЗНАК ПОЧЕТА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРОТИВОПОЖАРНО:! ОБОРОНЫ

На правах рукописи УДК 614.841.12

Цариченко Сергей Георгиевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОДОРОДНОЙ ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОЕОК

05.26.01 - Охрана труда и пожарная безопасность

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -

1994

Работа выполнена во Вссроссийском научно-исследовательском институте противсшокарной обороны МВД РФ.

Научный консультант:

Офищальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Шебеко Ю.Н.

доктор химических наук, профессор, академик ЛЕН РФ Азатян В.В.

.доктор технических наук, профессор Шатров Н. Ф. доктор технических наук, старший научный сотрудник Улыбин В.Б.

Ведущая организация: Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники (НИКИЭТ)

Защита диссертации состоится "23" декабря 1994 г. в {О. часов ка заседании диссертацонного совета ССД.052.06.01 во Всероссийском научнотисследовательском институте противопожарной обороны (143900, Московская обл., г.Балашиха-3)

Автореферат разослан "' " ноября 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

В.К.Титков

Актуальность. Широкое использование ядер::ых энергетических установок (ЯЭУ) в электроэнергетике, теплофикации, на морском транспорте выдвинуло проблему безопасности на перзый план. Особое место в решении этой проблемы занимает обеспечение погаровзрывобезопас-нссти технологического оборудования, помещений и.'отсеков ЯЗУ в связи с образованием и накоплением газообразного родорода, обусловленного спецификой работы ЯЭУ различного типа с водным теплоносителем. Имевшие место в практике эксплуатации атомных станций крупные аварии с горением водорода (Three Mlle Island, США, 1979г.: Чернобыльская АЭС, СССР, 1986.) свидетельствуют о чрезвычайной важности проблемы обеспечения водородной пожаровзрывобезопасности (ВПВБ) ЯЭУ, в частности, реакторных установок АЭС.

Основой для изучения процессов горения водорода и разработки различных способов обеспечения пожаровзрывобезопасности являются фундаментальные представления о закономерностях горения водородосо-держащих газовых смесей, в изучение которых огромный вклад внесли основоположники современной теории горения (Семенов H.H., Зельдович Я.5.. Франк - Каменецкий Д.А., Соколик A.C., Щелкин К.И, Хитрин Л.Н. Дубовицкик Ф.И.. Вильяме Ф.А., Сполдинг Д.В. и другие) а также современные ученые (Азатян В.В., Борисов A.A., Гельфанд Б.Е., Бабкин B.C., Когарко С.М., Баратов А.Н., Корсльченко А.Я., Макеев В.К., Болодьян И.А. и другие). На оснсзе фундаментальных работ этих ученых оказалось возможным разработать научно-обоснованный подход к оценке пожаровзрывобезопасности производств, реализованный в государственных стандартах и других нормативных документах (ГОСТ 12.1.004-91. ГОСТ 12.1.01С-76, ГОСТ 12.1.044-89, ОНТП 24-86 и т.д.). Этот подход может быть использован при решении некоторых вопросов обеспечения водородной пожаровзрывобезопасности объектов ядерной энергетики. Однако специфические услоеия эксплуатации ЯЗУ, характеризующиеся повышенным давлением и температурой зодородосо-держащей среды, присутствием в ней паров воды и других газов, а также наличие источников турбулентности и радиационного излученеия, могут оказывать существенное влияние на процессы образования горючей водородосодержащей смеси, предельные условил её горения и характер воздействия на строительные конструкции, технологическое оборудование и людей, что н? нашло в полном объеме отражение в упомянутых выше нормативных документах, а также в оригинальных исследованиях.

Учитывая тот факт, что до последнего времени в нашей стране не существовало нормативна требований, связанных с обеспечением водородной пожароЕзрывобе'зопзсности ЯЭУ и регламентирующих порядок проведения работ и технологических операций в штатных и аварийных ситуациях, представляется целесообразным провести необходимые теоретические и экспериментальные исследования, что позволит с учетом известных принципов и представлений о механизме горения водорода разработать научные основы обеспечения водородной пежароьзрывобезо-пасности ЯЭУ с учетом специфики их эксплуатации.

Диссертационная работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны (ВНИИПО) МВД РФ в рамках программы на 1986-1990гг. 0.74.07, утвержденной.Постановлением ГКНТ СССР. Госплана СССР и Минфина СССР от 30.10.85 N 555.

Цель работы - создание научных оснсв обеспечения водородной пожаровзрывобезопасности ядерных энергетических устанозок (ВПВБ ЯЭУ). Для ее достижения ставятся и решаются задачи по следующим трем основным направлениям:

1. Изучение процесса горения водорода с учетом параметров состояния среды (давления и температуры) и условий его протекания при различных режимах функционирования ЯЭУ. что включает в себя:

- предельные условия дефлаграционного горения водородосодержащих газовых смесей;

- составы водородосодержащих смесей на пределе диффузионного горения водорода:

- предельные условия возникновения и распространения детонационных волн;

- динамические нагрузки, вызываемые горением водородоссдераа-щих смесей;

- параметры процесса горения водородосодержащих смесей в условиях. близких к реализуемым в технологическом оборудовании и помещениях ЯЭУ.

2. Создание методов обеспечения ВПВБ технологического оборудования и помещений ЯЭУ, что включает в себя:

- контроль газового состава;

- нейтрализация горючих водородосодержащих газовых смесей;

- обеспечение взрывоус.тойчивости оборудования и помещений.

3. Разработка научных основ нормативно-технической базы, необходимой для обеспечения ВПВБ, что включает в себя:

- научные основы для единного государственного документа,регламентирующего требования БПВБ ЯЭУ;

- научно-технические решения для конкретных проектов РУ;

- программы расчета на ЭВМ предельных условий и нагрузок при

горении водородосодержащих смесей.

Выполненные в настоящей работе исследования позволили решить важную народно-хозяйственную проблему - повышение водородной пожа-ровзрывобезопасности ядерных энергетических установок различных типов.

Научная новизна работы.

1. Разработаны теоретические основы для усовершенствования существующих и создания новых инженерных методов расчета концентрационных пределов распространения пламени для предварительно перемешанных водородосодержащих парогазовых смесей и для диффузионного горения этих смесей при их истечении из аварийного оборудования в различные окислительные среды.

2. Разработан комплекс новых, более точных и универсальных инженерных методов расчета предельных условий дефлаграционного горения предварительно перемешанных водородосодержащих смесей при различных начальных параметрах среды (диапазон давлений 0.1+4.О МПа, температур 230+520 К) и составов водородосодержащих смесей на пределе существования диффузионного пламени в различных окислительных средах.

3. Получены новые экспериментальные данные по концентрационным пределам распространения пламени в водородосодераащих смесях в широком диапазоне давлений и температур при разбавлении инертными и химически активными соединениями.

4. Получены новые экспериментальные данные, свидетельсвующие об эффекте нетеплового влияния водяного пара на зависимость величины нормальней скорости горения водородосодержащих смесей при повышенных начальных давлениях и температурах.

5. Выявлен эффект изменения знака барического показателя нормальной скорости горения при повышенных давлениях и температурах с добавкой метана до 2 % (об.).

6. Созданы новые оригинальные экспериментальные стенды для изучения процессов горения водорода в условиях, моделирующих нормальные и аварийные режимы работы реакторных установок.

7. Впервые получены количественные зависимости , характеризую

щие степень турбулизации пламени распыленной водой, приводящей к интенсификации горения.

8. Впервые получены экспериментальные данные о существенной интенсификации процесса горения водородосодержащих смесей в вертикальном канале при наличии водяной пленки в диапазоне концентраций Н2 20+30 %(об.). в результате чего образуются ударные волны.

9. Определены новые закономерности процесса горения водородо-содержащих смесей в большом объеме при наличии многоточечного зажигания, препятствий и сбросных проемов.

10. Впервые обнаружена возможность возникновения гидроудара в каналах реакторной установки РБМК при горении в нем водородовоздуш-ных смесей. Выявлено, что реализующиеся от гидроудара давления существенно превышают максимальное давление взрыва Бодородовоздушных смесей.

13. Экспериментально доказана принципиальная возможность создания пассивных устройств контроля и нейтрализации водорода внутри реакторной установки и гермозоны.

Практическая ценность. Результаты работы использованы при разработке Руководства по обеспеченнию безопасности при использовании атомной энергии "Обеспечение водородной взрывозащиты и взрывопре-дупреждения на атомной станции". Практические рекомендации по.обеспечению ВПВБ были использованы при проектировании и эксплуатации РУ типа АСТ-500. ВПБЗР-600, РБМК-1000. РБМК-1500, ВВЭР-1000.

Разработаны инженерные методы расчета предельных условий деф-лаграционного горения реализованные в расчетных программах, работающих в диалоговом режиме, что позволяет широко использовать кх при проектировании и эксплуатации ЯЭУ.

Создана оптимальная конструкция высокоэффективного пассивного каталитического устройства нейтрализации водорсда при повышенных давлениях и температурах в присутствии водяного пара.

На защиту выносятся следующие положения:

- теоретические основы инженерных методов расчета концентрационных пределов распространения пламени для предварительно перемешанных водородосодержащих парогазовых смесей и предельных составов по отношению к диффузионному горению этих смесей в различных окислительных средах;

- новые, более точные и универсальные инженерные методы расчета предельных условий дефлаграционного горения предварительно пере-

мешанных водородосодержащих смесей при различных начальных параметрах среды (диапазон давлений 0.1+4.0 МПа. температур 2Э0---52С К) и диффузионного пламэни в различных парогазовых средах;

- новые оригинальные экспериментальные стенды для изучения процессов горения водорода в каналах быстрой аварийной защиты РУ РБМК (стенд "Фрагмент") и предельных условий диффузионного горения при струйном истечении водородосодержащих смесей (стенд "Авария");

- новые экспериментальные данные по концентрационным пределам распространения пламени в водородосодержащих скзсях при различных начальны:: давлениях и повышенных температурах при разбавлении инертными и химическими активнными соединениями, по зависимости величины нормальной скорости горения водородоссдержацдех смесей при повышенных начальных давлениях и температурах при разбавлении водяным паром, азотом, метаном;

- новые закономерности процесса горения водородосодержащих смесей в условиях, характерных для оборудования и помещений ЯЭУ (количественные зависимости, характеризующие степень турбулизации пламени распыленной водой, приводящую к интенсификации горения; значительное ускорение процесса горения при наличии водяной пленки в диапазоне концентраций Н2 20+30 ж(об.); интесификаиия процесса горения в больком объеме при наличии многоточечного источника за&и-гания; особенности горения локальных водородосодержащих смесей в большом объеме при одновременном наличии препятствий и сбросных проемов);

- новые экспериментальные данные, свидетельствующие о возможности возникновения гидроудара в каналах реакторной установки РБМК при горении в нем водородсвоздуаных смесей;

- оптимальная конструкция высокоэффективного пассивного каталитического устройства нейтрализации водорода при повышенных давлениях и температурах в присутствии водяного пара:

- исходные данные для Руководства по обеспеченнию безопасности при использовании атомной энергии "Обеспечение водородной взрызоза-щиты и взрывопредупреждения на атомной станции" и практических рекомендаций по обеспечению водородной понаровзрывобезопасности в проектных решениях реакторных установок РУ типа АСТ-500, ЕПБЭР-60С, РБМК-100С, РБМК-1300, ВВЭР-1000.

Апробяттая работы. Основные результаты диссертации доложены на Всесоюзных. Всероссийских и Международных паучно-техпичсеких конфе-

ренциях и семинарах (III Всесоюзная научно-практическая конференция "Взрывобезопасность технологических процессов, пожаро- -и взрывоза-щита оборудования я зданий" (Северодонецк, 199С), X. XI и XII Всесоюзные (Всероссийские) научно-практические конференции (Балашиха, 1989, 1991, 199S), Симпозиум "Гидродинамика взрывных и ударных волн, детонационного и сверхзвукового горения" (Алма-Ата, 1991), IV Международный семинар по структуре пламени (Новосибирск. 1992), Научно-практическая конференция "Взрывобезопасность технологических процессов" (Северодонецк, 1992), IV Ежегодная Научно-Техническая конференция Ядерного Общества (Нижний Новгород, 1993). Рсссийс-ко-Японский семинар по горению (Черноголовка, 1993), II Международная азиатско-тихоокеанская конференция по горению и использованию энергии (Пекин, КНР. 1993). IX и X Симпозиумы по горению (Черноголовка. 1990, 1992), I Международный симпозиум по пожарной науке и технологии (Хефей, КНР, 1992), Российско-китайская конференция по пожарной безопасности в химической промышленности (Циндао, КНР, 1993). Международная Конференция-по горению, посвященная 80 летаю со дня рождения Я.Б.Зельдовича (Москва, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 работ в том числе 1 авторское свидетельство на изобретение.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложений. Она содержит 452 страницы машинописного текста, 143 рисунка, 40 таблиц, библиография - 285 наименований.

Состояние проблемы обеспечения водородной пожаровзрывобезопас-ности ядерных энергетических установок

Проблема обеспечения водородной пожаровзрывобезопасности ЯЭУ обусловлена наличием и возможностью образования в помещениях и оборудовании атомных станций газообразного водорода, что может быть причиной как диффузионного (при истечении его из неплотностей аварийного оборудования), так и дефлаграционного или детонационного горения водородосодержащих парогазовых смесей. Реальная опасность возникновения горения водорода в обьеме контаймента (защитной оболочки) была показана в результате аварии, имевшей место на АЭС Three Miles Island (TMI-2) в США, а также крупнейшей аварии на АЭС, происшедшей в СССР в 1983 году на Чернобыльской АЭС. Учитывая тот факт, что подобные аварии представляют серьезную угрозу для безо-

пасности объектов ядерной энергетики, целесообразно проведение исследований с целью изучения опасности, возникающей в результате горения водорода, а также разработки необходимых и достаточных защитных мероприятий.

Вопросам изучения процессов горения водорода посвященно доста-70ЧН0 много работ, в которых рассматривались как предельные условия горения, так и процессы интенсификации и ускорения процесса горения в различных условиях. Однако специфика эксплуатации ЯЭУ обусловлена повышенными давлениями и температурами водородосодержащих газовых смесей в присутствии водяного пара, что существенно изменяет параметры процесса горения в отличии от нормальных условий. В связи с этим необходимо исследование процессов горения водорода при параметрах среды, отличных от нормальных, в условиях, имитирующих условия эксплуатации реальных ЯЭУ. В первую очередь это относится к предельным условиям распространения пламени в предварительно перемешанных водородосодержащих смесях при повышенных давлениях и температурах, предельным условиям диффузионного горения многокомпонентных водородосодержащих смесей, характеристикам процесса горения, таким как, давление взрыва, скорость его нарастания и нормальная скорость горения. Особый интерес представляет изучение интенсификации процесса горения в результате воздействия на него факторов технологического процесса в оборудовании и помещениях ЯЭУ (распыленная сода, преграды, движение газовой среды, наличие многоточечного зажигания), а также предельных условий распространения детонации в водородосодержащих смесях и параметров детонационной волны. Руководствуясь требованиями, регламентирующими безопасную эксплуатацию ЯЭУ путем использования пассивных автономных систем защиты, представляется целесообразным научное обоснование возможности создания системы контроля и нейтрализации водорода в газовых средах на основе катализаторов разработанных в НйФХИ им.Карпова.

На основе анализа современного состояния проблемы обеспечения водородной пожаровзрывобезопасности ЯЭУ сформулированы задачи исследований.

Предельные условия деФлаграциэнного горения предварительно пе-. ремешанных водородосодержащих смесей

Одними из важнейших показателей, определяющих пожаровзрывоо-пасность водородосодержащих парогазовых смесей, являются концентрационные пределы эаспростракения пламени (нижний - НКПР, верхний -..ВКПР). Для обеспечения водородной пожаровзрывобезопасности в условиях эксплуатации ЯЭУ необходимо располагать данными о КПР многокомпонентных газовых смесей при значениях температуры и давления, отличных от атмосферного.

С этой целью были проведены экспериментальные исследования, в результате которых были получены значения концентрационных пределов распространения пламени водородокислородных смесей (рис.1-4) при их разбавлении инертными компонентами (азот, аргон, диоксид углерода, гелий, водяной пар) и в присутствии ккгябирующих добавок при различных начальных, давлениях (Ро=0.1+4.0 МПа) и температурах (Т0=290+520 К). Показано (рис. 4), что эффективность инертных разбавителей во многом определяется соотношением мольных теплоемкостей флегматизатора и окислителя, наиболее эффективным оказывается тот, чья теплоемкость выше (в данном случае С02), что хорошо согласуется с тепловой теорией горения. Следует отметить, что для всех рассматриваемых разбавителей (кроме гелия) точкам флегматизации соответствуют бедные смеси. Этот результат может быть объяснен представлениями о "пузырьковом" режиме сгорания бедных водородесодержагдах смесей с концентрацией Н2 до 8 % (об.).

Обращает на себя внимание нелинейный характер нижней ветви кривой флегматизации в случае разбавления водородо-кислородной смеси гелием в диапазоне его концентраций 0+20 % С о&.>. Данный эффект характерен не только для нормальных условий, но и для повышенных начальных давлений и температур. В случае, когда в горючей смеси присутствует гелий, за счет. более высокой температуры во фронте пламени существует градиент концентраций Не между фронтом и свежей смесью, за счет которого, с учетом высокого коэффициента диффузии Не, происходит его избирательная (по отношению к кислороду) диффузия во фронт пламени. Прй этом реализуется относительно более высокая ( по сравнению с-влиянием только мольной теплоемкости) Флегма-тизирующая способность гелия, что и находит отражение в нелинейном характере зависимости концентрации- водорода на нижнем пределе от

Д- Ро=0.1 МПа Э - Ро=0-6 МПа а - Р0 =2.О МПа О - Ро=3.0 МПа Р0=4.0 МПа

Рис. 1. КПР в смесях вида водород-кислород-водяной пар при различных начальных давлениях и температуре То=520К

О - Ро=0.6 МПа. То=290К

ф- Ро=0.6 МПа. Т„=420К

Э- Ро=0.6 МПа. Т0 =520К

А- Ро=3.0 МПа, Т0 =290К

□ - Р0-2.0 МПа, То=290К И- Р0=2. О МПа, Т0 =420К

□ - Р0=2.0 МПа, Т„=520К ф- Ро=4.0 МПа, Т0 =290К

Рис. 2. КПР в омйсях вида во.тароц-кксппрсд-азот при различных начальных давлениях Р0 и температурах Тэ

с„. х ^

О- Ро=0-6 МПа. То=290К

Ро=0. 6 МПа. Т0 =420К в

Ро=0.6 МПа. То=520К □ - Р0 =2. О МПа. То=290К

■ - Р0=2. О МПа. То=420К Ш- Р0=2. О МПа, То=520К

з

о го чо во 80 юо С*, '/•

Рис. 3. КПР в смесях вида водород-кислород-гелий при различных начальных давлениях Р0 и температурах Т0

Рис. 4. КПР в смесях водород-кислород-инертный разбавитель при Ро=0.1 МПа и То=520 К

концентрации разбавителя. Указанный эффект имеет место до определенной концентрации водорода: при температуре 20° С и давлении О,1МПа - 8 % (об.), при более высоких температурах эта концентрация ниже. При достижении указанной выше критической концентрации "пузырьковый" режим горения сменяется режимом со сплошным фронтом пламени. При этом флегматизирующая эффективность гелия определяется в основном ее мольной теплоемкостью, и нижняя ветвь кривой становится более пологой.

Для составных разбавителей, содержащих в своем составе Не, имеет место эффект синергизма, заключающийся во взаимном усилении флегматизирующей способности отдельных компонентов. Это наиболее ярко проявляется в смеси гелий-диоксид углерода, где имеет место достаточно высокая мольная теплоемкость С02 в сочетании с высоким коэффициентом диффузии Не (рис. 5).

Рис.5. Зависимость НКПР смеси Нг-02-(Не+С02) от соотношения компонентов составного флег-матизатора при Ро=0.1МПа и То=290К, концентрация составного флегматизатора 80%(об.)

г5

50

в

75

% {ой.)

100

■ Были определены- также кривые .флегматизации водородовоздушных смесей добавками С2Г4Вг2 и ингибитором разработанным в ИСМ РАН. Показана существенно более высокая флегматизирующая эффективность последнего по сравнению с С2Р4Вг2.

Из полученных данных следует, что в диапазоне начальных давлений 0,1 - 2,0 МПа при фиксированной температуре с ростом>чДавления

концентрационная область распространения пламени сужается, а с ростом температуры при фиксированном давлении - расширяется. Природу влияния температуры можно понять, проанализировав энергетический .баланс реакции горения смесей вида водород-кислород-разбавитель. Сужение концентрационной области распространения пламени с ростом давления обусловлено увеличением роли тримолекулярных реакций рекомбинации активных центров во-фронте-пламени. Увеличение давления в диапазоне 2,0 -4,0 МПа при фиксированных начальных температурах не приводит в пределах погрешности эксперимента к изменению концентрационной области распространения фронта пламени.

Применительно к вновь проектируемым реакторным установкам ВПБЭР-600, использующим в составе газовой среды аммиак, были проведены экспериментальные исследования-концентрационных пределов распространения пламени для смесей МН3 - 02, КН3 - Н2 - 0г, Ш3 - 02 -. Найдено, что величина нижнего концентрационного предела распространения пламени аммиака в кислороде заметно уменьшается с ростом давления и температуры, причем влияние температуры оказывается гораздо сильнее, чем для органических веществ. Показано, что правило Ле-Шателье для нижних пределов смесей Н2 - КН3 - 08 соблюдается с удовлетворительной точностью, в то время как для верхних пределов смесей Н2 - Ш, - 02 - 11г наблюдаются существенные нарушения этого правила.

На основе энергетического баланса реакции горения смесей вида (2Нг + 02) + разбавитель разработан расчетный метод построения кривой флегматизации с учётом постоянства адиабатической температуры горения Тад для различных всдородосодержащих предельных смесей. Эффект постоянства Тад на пределе обусловлен особенностями кинетики процесса их горения. Значение Тад взято из отдельных экспериментов и косвенным образом учитывает тепловые потери, при этом ей величина составляет 120С К. Используя эмпирическую величину показателя эффективности флегматизатора, учитывающую его термическую нестабильность и ингибирующие свойства различных добавок, получены выражения, позволяющие рассчитывать кривые флегматизации различных многокомпонентных Е.одородосодержащих смрбей при горении в окислительной среде с различным содержанием кис'лорода. Относительная средняя квадратичная погрешность расчетного метода составляет 13,5%.

Предельные условия диффузионного горения водородосодержащих парогазовых смесей

В целях недопущения возможности существования диффузионного горения водорода при его струйном истечении из аварийного оборудования ЯЭУ были исследованы предельные условия по составу газовой среды как в аварийном оборудовании до которого истекает водородо-содержащая смесь), так и в аварийном помещении (куда истекает водо-родосодержащая смесь). Руководствуясь тем, что при рассмотрении вопроса обеспечения безопасности необходимо учитывать наибо'лее опасные режимы, представляется целесообразным использование значений огнетушащих концентраций- инертного разбавителя, соответствующих режиму наиболее устойчивого диффузионного горения. Такой режим обеспечивается при величине градиента скорости потока (2-иист/Ю меньше 102, ниже которой зависимость огнетушащей концентрации от скорости истечения (^ст) становится слабой и ее величина достигает максимальных значений. Полученные расчетные зависимости предельных условий существования диффузионного горения водородосодержащих смесей при струйном истечении основываются на этом допущении и не учитывают зависимость от скорости истечения. Проверка адекватнссти полученных расчетных зависимостей экспериментальным результатам также проводилась при значениях 2-иист/11 < 10^.

При определении величин огнетушащих концентраций рассмотрены деэ типичных случая, которые могут лметь место в условиях реальной аварии:

а - флегматизатср подается в окислительную среду ( в нашем случае - воздух):

б - флегматизатор подается вместе с горючим, а диффузионный факел этой смеси реализуется в окислительной среде ( в нашем случае -в воздухе).

Для случая истечения водорода в смеси с инертным разбавителем в воздух разработан расчетный метод, основанный на известной закономерности, что на пределе диффузионного горения адиабатическая температура пламени является приблизительно постоянной для различных инертных разбавителей и составляет около 1000 К для рассматриваемого режима истечения. Указанная закономерность учитывает тепловые потери из фронта пламени на пределе распространения и была получена с учетом кинетических зависимостей и подтверждена зкспери-

ментальными данными.

Для случая истечения водорода в воздух, содержащий в своем составе произвольное количество инертного разбавителя, получены расчетные зависимости, основанные на принципе соответствия предельных условий существования диффузионного горения точке пересечения прямой стехисметрических смесей с нижней ветвью кривой флегматиза-ции на плоскости С'г-Сф' (С'ф - концентрация горючего, С'ф - концентрация разбавителя в предварительно перемешанной смеси горючее -разбавитель - окислительная среда).

Для определения предельного состава водородосодержащих смесей при наличии многокомпонентного разбавителя получена расчетная зависимость огнетушащей концентрации Сф от состава разбавителя:

100

1 + I 1 «1

(1)

100

с® -

где СФ1 - огнетушащая концентрация 1 -то разбавителя в его смеси с водородом; - мольная доля 1-го разбавителя в составном инерте.

Учитывая специфику технологических процессов, протекающих в оборудовании ЯЭУ,,представляет интерес определения предельных условий диффузионного горения водородссодержащих смесей при повышенных температурах. С этой целью получена расчетная зависимость огнетушащей концентрации инертного разбавителя при повышенных температурах:

г 100 - С% 1 Тг - Т, 1 Сф = С°ф | 1 + ---|. (2)

100 К тад Г т2 -1

где С°ф и Сф - значения огнетушащих концентраций инертного разбавителя при температурах Т! и Т2 соответственно.

Для проведения экспериментальных исследований диффузионного горения водородссодержащих смесей при различных сценариях аварии был создан стенд "Авария", который позволяет воспроизводить различные режимы истечения как холодных, так_и нагретых многокомпонентных газовых смесей. Результаты проверки адекватности метода расчета

предельных условий диффузионного горения водорода экспериментальным данным показали, что погрешность на превышает 10 %.

Исследование влияния начального давления, температуры к состава на характеристики горения водородосодержаших смесей в замкнутом сосуде

В целях обеспечения водородной покаровзрывобезопасности ЯЭУ и развития теоретических представлений о механизме горения водорода были изучены такие параметры горения Еодородосодержащих парогазовых смесей, как максимальное давление взрыва и скорость его нарастания (Рнакс и йРЛШ, нормальная скорость горения (Би), при повышенных начальных давлениях и температурах в присутствии различных разбавителей и ингибиторов.

В результате экспериментальных исследований получены значения Р»акс и ДРАН при разбавлении водородовоздушных смзсей как инертными компонентами (азот, водяной пар)-, так и при наличии органических добавок (С2Г4Вг2 и СН4). Показано, что при разбавлении водородовоздушных смесей инертными компонентами наблюдается практически линейное .уменьшение давления взрыва с увеличением содержания разбавителей. Сопоставление экспериментальных данных с результатами термодинамических расчетов свидетельствует о достаточно хорошем качественном и количественном согласии и доказывает возможность определения РМакс расчетными методами. Присутствие инертных разбавителей в водородовоздушных смесях вызывает существенное снижение скорости нарастания давления Езрыва с уве;шчением их содержания, что прослеживается во всем рассмотренном диапазоне начальных давлений (до 1.1 МПа) и температур (до 470К). Величина скорости нарастания давления взрыва растет с увеличением начальной температуры Т0. Ее зависимость от начального давление носит более сложный характер. Для смесей без водяного пара наблюдается рост (сЗР/сИ.) с увеличением Р0, при наличии пара (ар/си) нарастает значительно меньше, а в некоторых случаях наблюдается даже снижение. Эти зависимости обусловлены поведением температурного и барического показателей нормальной скорости горения.

Результаты исследований влияния повышенных давлений (в диапазоне 0.1 * 5.0 МПа) и температур) (б диапазоне 290 670 К) на величину Э,, стехиометрических водородо-воздушных смесей при разбавлении

их азотом и водяным паром указывают на качественное и количественное различие результатов для случаев разбавления стехиометрической водородо-воздушной смеси азотом и водяным паром. Во-первых, нормальная скорость горения Бц имеет существенно более высокие значения для случая разбавления азотом. Во-вторых, налицо качественные различия кривых,, отображающих зависимость 3„ от давления Р, для различных разбавителей. Так, при концентрациях разбавителя 10 и 20 % (об.) барический показатель нормальной скорости горения смесей с водяным паром отрицателен, а для смесей с добавочным азотом - положителен. Данные различия не могут быть объяснены только разницей в мольных теплоемкостях азота и водяного пара, а' могут быть обусловлены активным участием молекул воды в процессах трехчастичной рекомбинации активных центрсв. Действительно, константы скоростей реакций трехчастичной рекомбинации, играющие существенную роль во фронте пламени, существенно различаются. Так в работах В.В.Азатяна показано, что эффективности молекул Нг, 02 и Н20 соотносятся как 1:0, 4:6. При этом добавление в водородо&оздушную смесь водянного пара приводит не только к снижению температуры горения, но и к дополнительному уменьшению концентрации активных центров за счет более высокой эффективности молекул Н20 в реакциях рекомбинации. Совокупность указанных эффектов приводит к более существенным изменениям нормальной скорости горения при разбавлении горючей смеси водяным паром по сравнению с азотом.

Результаты расчета нормальной скорости горения вэдородовоздуш-ных смесей (СН£=10+50 %(о5.)) при повышенных давлениях (до 0.8 МПа) и температурах (до 375К) при налиички добавок СН4 и без, выполнены на основании экспериментальных исследований РМйКс к йР/а! этих смесей и предствавлены на рис.6. Интересно отметить, что зависимость Бц от Р практически для всех водородовоздушных смесей характеризуется наличием максимума , положение которого существенно зависит от температуры и относительно слабо от концентраци водорода. Наличие максимума в зависимости Бц .от Р обусловлено конкуренцией реакций Н+02 - 0Н+0 (I) и Н+02+М -» Н02 +М"{11), скорость одной из которых пропорцианальна Р2, а второй - Р3. Константа скорости первой реакции значительно сильнее зависит от температуры, чем константа скорости второй реакции"кг. Исходя из этого , можно ожидать, что изменение начальной температуры, изменяя соотношение констант скоростей реакций (I) и (II), будет смещать положение мак-

сн= Ш (об.)

Сн= 20% (об.)

¡И , К С

о.мат о.1 02 ом озовш

А МПа

Зи, М С <4/1—"

ОМОМ 0.1 02 ОМ 0.6081.0 Р. МПа

, не

сн=30% (об.)

'"т о.об о.! о.г оьавм Р, МПа

, ¿и, м с

Сн= 50% (об.)

■от ш о.1 о.2 а« абозт Р, мпа

Рис. 6. Зависимость от Р газовых смесей с различной Т0 для зодо-родо-воздушных смесей без метана (сплошная линия) и содержащих 2% (об.) метана (пунктир):

- Т=300К; Оф - Т=325К;Э ф - Т=350К; © ^ - Т-375К.

симума в зависимости S„ от F.

Исходя из предположения, что знак и величина барического показателя нормальной скорости горения определяется конкуренцией реакций (I) и (II). можно качественно понять, почему для концентраций водорода 10, 15 и 20 % (оо.) величина п растет с увеличением темпе-рагуры Т. Действительно, исходя из вышесказанного, следует ожидать, что чем выше относительная роль реакции Ц) по сравнению с реакцией (II), тем более высоким будет значение п, то есть чем выше температура, тем выше величина барического показателя. Это и наблюдается для бедных водородовоздушных смесей с концентрацией водорода 10. 15, и 20 % (об.). Однако для стехиометрических и богатых смесей (30 и 50 % (об.)) более высокие значения п реализуются при более низких температурах. Причиной этого, по-видимому, является существенная роль других реакций (помимо процессов (I) и (II)) во фронте пламени.

Изучено влияние добавки метана (2 % (об.)) на характер зависимости нормальной скорости горения S„ от давления Р. Для СН2 = 10 % (об.) обращает на себя внимание вполне понятное возрастание нормальной скорости горения по сравнению со случаем отсутствия добавки метана, обусловленное повышением температуры горения. В то же вре-ых. несмотря на рост £3ц, происходит смена знака барического показателя п, который из положительного становится отрицательным. Изменение знака барического показателя наблюдается и в водородовоздушных смесях с концентрацией Н2 20 и 30 % (об.).

Одним из возможных факторов, обуславливающих смену знака барического показателя, является изменение с давлением и температурой относительной роли би- и тримолекулярных химических реакций во фронте пламени. С целью проверки достоверности этого предположения были выполнены следующие теоретические исследования взаимосвязи барического показателя нормальной скорости горения и кинетики реакции во фронте пламени. Эти исследования проводили путем численного моделирования распространения пламени по гомогенной газовой смеси с детальным учетом процесса переноса и химических реакций. Были изучены метановоздушная и водородовоздушная смеси стехиометрического состава. Влияние тримолекулярных процессов исследовали путем варьирования констант скоростей" реакции Н+Н+М-Н2+М, 0+0'-М-'Ог+М. H+02+M"H02+M. При этом указанные константы уменьшались в К раз (К = 0.1; 1; 10; 100; 1000), в то время как константы скоростей обратных

реакций оставаясь без изменения.

В результате проведенных расистов показано, что величина барического показателя нормальной скорости горения в значительной степени определяется кинетикой тримолекулярных реакций во фронте пламени. При этом, чем выше относительная роль реакции рекомбинации, тем ниже величина барического показателя. В связи с этим могут быть качественно объяснены результаты исследования влияния добавок паров воды в стехиометрическую водородовоздушную смесь на величину Бц. в результате которых найдено, что добавки паров воды в количестве 5-20 % (об.) при давлении Р * 1.0 МПа и темепературе Т = 473 К приводят к смене знака барического показателя. Действительно, молекулы воды обладают на порядок более высокой эффективностью в качестве третьей частицы в реакциях трехчастичной рекомбинации по сравнению с" молекулами Н2, 02. . То же самое относится и к молекулам метана. Вследствие этого, введение в водородовоздушную смесь водяного пара или метана может заметно увеличить константы скоростей реакций рекомбинации активных центров и тем самым привести к уменьшению барического показателя нормальной скорости горения вплоть до сиены его знака.

Экспериментальные исследования влияния ингибитора на Рма>с-с1Р/си и проводились с Бодорэдо-Боздушными смесями, разбавленными 1,2-диоромтэтрафторэтаном (С2Г4Вг2). концентрация водорода в которых варьировалась в диапазоне 10 + 50 % (об.), ингибитора - 1+8 % (об.). Начальное давление смеси составляло 0.1 МПа, начальная температура 290 К. Полученные результаты свидетельсвуют о том, что при введении в исходную смесь ингибитора происходит снижение нормальной скорости горения с соответствующим увеличением относительной роли теплопотерь вблизи стенок реакционного сосуда. В связи с этим реализуется существенное недогорание горючей смеси в пристеночной области реакционного сосуда.

Исследование процессов горения водорода в условиях, моделирую-

В целях повышения надежности и быстродействия систем аварийной защиты реакторов РБМК в каналах быстрой аварийной защиты (БАЗ) используется водяное пленочное охлаждение, что сопровождается образованием водородокислородных смесей в газовой полости канала в ре-

зультате радиолиза к представляет серьезную опасность для его целостности. В связи с этим были проведены исследования процессов горения водородосодержащих смесей различного состава.в канале БАЗ с различными режимами пролива воды и в присутствии макетов и натурных стержней защиты. Для проведения экспериментальных исследований был создан стенд "Фрагмент", представляющий вертикально расположенный реакционный сосуд в виде трубы длиной 3 м, диаметром 80 мм. что позволяло моделировать процесс горения водорода в канале БАЗ. Исследования образования гидроудара в гидравлических коммуникациях реакторной установки в результате горения водорода в газовой полости канала БАЗ были выполнены на полномасштабном гидродинамическом макете канала, расположенном в НИКИЭТ.

В результате выполненных исследований было установлено, что наличие пленочного охлаждения вызывает значительную интенсификацию процесса горения водородосодержащих смесей в диапазоне Си2 - 20+36 %(об.). сопровождающуюся образованием ударных волн, что объясняется турбулизацией газовой смеси движущейся пленкой воды с периодически чередующимися неоднодородностлми по толщине. Наблюдаемая в опытах даух-трех пиковая структура волны давления (рис.7) обусловлена вскипанием во взрывном режиме пленки воды в результате её перегрева за счет теплообмена с продуктами сгорания. При этом первый пик в волне давления обусловлен сгоранием водородовоздушнсй смеси, а второй и последующие пики - взрывным вскипанием водянсй пленки. В то же время, испарение воды из пленки приводит к снижению температуры продуктов сгорания с соответствующим уменьшением давления взрыва медленногорящих смесей (Сн2=15.% (об.)).

Рассмотрен случай горения водородосодержащих смесей в сухом канале стенда "Фрагмент". При этом было установлено, что максимальное давление взрыва за счет теплопотерь оказывается существенно ниже термодинамических величин для соответствующих смесей. Качественно данный эффект может быть объяснен тем обстоятельством, что после начального ускорения пламени за счет вытягивания его а виде "языка" фронт касается стенок, к в результате охлаждения продуктов сгорания и возрастания теплопотерь из фронта скоро.сть его уменьшается. Для определения эффективного, фактора турбулизации пламени для различных смесей выполнено численное моделирование распространения водородо-воздушного пламени в гладкой трубе с учетом его турбулизации и теплообмена со стенками с помощью упрощенной модели.

лР, МПа

1.0

Рис.7. Зависимость давления взрыва Р от времени I водо-родовоздушных смелей в канале стенда "Фрагмент": 1 - в сухом канале; 2-при наличии пленочного охлаждения.

7 ю1 и Л£

Анализ полученных экспериментальных и расчетных результатов свидетельствует о возможности использования з качестве расчетного метода определения взрывных нагрузок в сухом канале БАЗ предложенную расчетную модель, при этом в качестве расчетных параметров для различных составов водородовоздушных смесей следует принять следующие значения эффективного фактора турбулизации X: для Снг =ЗОЗК(об.) - Х=10; для С„г=20%(об.) - Х=15; для Сн2 =15%(об.) - Х=20.

Получено экспериментальное подтверждение возможности образования гидроудара в магистралях системы охлаждения при горении водорс-досодержащих смесей в газовой полости под стержнем системы БАЗ. Установлено. что инициированная ударная волна в жидкости при сгорании смеси с содержанием водорода 18 % (об.) имеет гораздо большую амплитуду давления, чем в случае газовой смеси с содержанием водорода 36 % (об.). Качественное объяснение этого явления может быть следующее. Величина импульса взрыва при сгорании медленногорящей смеси существенно выше, что было показано в диссертации, в этом случае импульс сообщаемый жидкости и генерирующий ударную волну в ней будет больше при сгорании более бедных (из рассматриваемых газовых составов). Инициируемая взрывом ударная волна в столбе жидкости с очень большой амплитудой может быть той причиной, которая приводит к повреждению отдельных частей канала СУЗ РБМК. То. что инициируе-

мая ударная волна является, по Физической сущности, гидроударом, говорит тот факт, что при взрыве газовой смеси происходит практическая остановка течения воды (расход близок к нулю).

Выполнены исследования последствий аварий, связанных с горением водорода в замкнутом пространстве контайнмента (защитной оболочки), страховочного корпуса, парогазового компенсатора давления и т.п. характеризуемые значительной турбулизацией газовой среды, что может интенсифицировать процесс гсрения и вызвать повышение взрывных нагрузок. Это обусловлено наличием препятствий в виде элементов технологического оборудования, образованиек потока распыленной воды в результате работы аварийных систем, а также возможностью появления источников многоточечного зажигания.

Установлено, что воздействие распыленной еоды на горение бедной водородовоздушной смеси оказывает неоднозначное влияние, в одном случае интенсифицируя процесс горения водорода, как результат увеличения поверхности горения в результате принудительного перемешивания смеси, в другом случае подавляя за счет охлаждения продуктов горения испаряющимися в них каплями.

Для детального анализа интенсификации процесса горения введено понятие эффективного фактора турбулизации смеси описываемого выражением £=Re-N, где Re - число Рейнольдса для одной капли; N - количество капель в единице объема.

В случае турбулизации бедных околопредельных горючих смесей крупные капли воды, незначительно испаряясь в тонком фронте пламени. проникают в горячие продукты сгорания, занимающие достаточно больиой объем. Испарение капель в этом объеме приводит к снижению температуры продуктов и'соответствующему уменьшению давления взрыва. Определяющим параметром для описания этого эффекта является величина площади удельной поверхности воды в единице объема реакционной камеры б » N-SK. где SK - площадь поверхности капли, м3.

С возрастанием фактора турбулизации 4 величина характерного времени trop падает, то.есть процесс сгорания ускоряется. Уменьшение t.rop наиболее существенно при относительно малых £ (до 10"7 м"3). и с дальнейшим увеличением фактора турбулизации время горения изменяется сравнительно слабо. Для величины максимального избыточного давления взрыва прослеживается более сложная взаимосвязь с параметрами, определяющими режим распыла воды (рис. 8). С ростом (, при фиксированной величине б, благодаря интенсификации горения и. как

следствие, уменьшению trop следует ожидать увеличение АР за счет снижения тепловых потерь. В то же время, рост величины б при фиксированной 4 приводит при одинаковых временах горения к уменьшению ДР за счет более эффективного охлаждения продуктов сгорания. Представленные результаты указывают на снижение величины ДР по мере роста £ и б для водородовоздушных смесей с концентрацией водорода 7.5, 10.О и 15.0 %(об.). Для ок'олопрздельной смеси (СН2=5.5 % (об. ) ) характерно увеличение величины ДР во всем диапазоне изменений £ и б, что обусловлено увеличением полноты сгорания зодорода вследствие турбу-лизации фронта пламени и снижения роли теплопотерь.

1 Р.МПа

1 - СН2=5. 5%(об. )

2 - СН2=7. 5%(об. )

3 - Сн,=Ю.О%(об.

4 - СН2 =15

o.f дг as а</ as а.б <f, лг'

Рис. 8. Зависимость ДР от б и-1 для фиксированной величины 6=0.075м"

В результате выполненных экспериментальных исследований процесса горения бедных водородовоздушных смесей (Снг=8+15 %(об.)) при многоточечном зажигании (число источников зажигания составляло 1+27) в большом объеме (реакционнная камера вместимостью 20 м3) показано существенное влияние естественной конвекции, ^а динамику сгорания и давление взрыва. ■ В случае оптимального расположения источников зажигания в объеме реакционной камеры величина йРЛП может

вырасти приблизительно вдвое, при этом, однако, не наблюдается образование ударных волн, и величина давления взрыва не превышает адиабатической величины.

Закономерности распространения пламени как в медленногорящих (бедных), так и быстрогорящих смесях в присутствии турбулизаторов и сбросных отверстий в реакционнной камере вместимостью 20 м3 изучены в серии экспериментальных исследований.

В первой серии в качестве турбулизирующих препятствий использовались проволочные сетки цилиндрической формы семи типоразмеров, одетые непосредственно на источник зажигания, что позволило рассмотреть четыре вида турбулизаторов. Полученные результаты свиде-тельсвуют о том, что наличие препятствий на пути распространения пламени вызывает турбулизацию его фронта, что приводит к росту полноты выгорания бедных водородовоздушных смесей с Снг < 9 % (об.). В то же время степень этой турбулизации невелика по сравнению со случаем свободного пространства или наличия негерметичности на пути распространения пламени, когда скорость движения продуктов сгорания и выталкиваемой ими свежей смеси существенно выше, чем в герметичном сосуде. Это приводит к относительно слабой зависимости АР/сМ от наличия турбулизатора при С112 >9.5 %' (об.), а в некоторых случаях из-за теплопотерь в металлическую сетку с малыми ячейками величины (ЗР/<П и Р оказываются даже более низкими.

Представляет интерес более детально выяснить причину слабого ускорения пламени препятствиями в результатах первой серии опытов. С этой целью во второй серии опытов „изучено влияние препятствий на распространение пламени с высокими нормальными скоростями горения в локальных водородовоздушных смесях в замкнутом сосуде. Локальные водородовозушные смеси (СН2=10+30 %(об.)) создавались в верхней части реакционной камеры, где был установлен источник зажигания с надетым на него турбулизирующим препятствием в виде вертикально расползхенной цилиндрической кассеты (диаметр 1 .ч, высота 1м) из металлических стержней (диаметр 19 мм). установленных равномерно на коаксиальных образующих. В качестве параметра, характеризующего степень загроможденности пространства, занятого препятствиями, использовали величину описываем;® соотношением = (пхг)/(ЯхК), где п - число стержней в турбулизаторе: г - радиус стержня; Е -внешний радиус турбулизатора. При проведении экспериментов велична »„ варьировалась в диапазоне 0+0.58. Установлено, что с увеличением

степени загроможденное™ пространства внутри турбулизатора £„ происходит увеличение скорости сгорания горючей смеси, характеризуемое величиной <ЗР/с!ь. При этом имеет место немонотонный характер зависимости скорости нарастания давления взрыва ст степени загроможденное™ пространства для концентрации водорода 10 % (об.), в то время как для водородовоздушных смесей с концентрацией 20 и 30 % (об.) наблюдается монотонное увеличение (ЗР/си (рис. 9).

МПо-с"

лР.хПа

о.г о.ч а£ оа *с ои о о.г ол Ш ~ЗЪ—7д

/- А

Рис. 9. Зависимость аР/<^ и ДР от показателя степени загроможденное™ пространства 1 - концентрация водорода Щой.): 2 - концентрация водорода 20%(об.); 3 - концентрация водорода 30%(об.).

Качественное объяснение полученных результатов заключается в том, что имеет место конкуренция двух процессов при распространении пламени в загроможденном пространстве: с одной стороны, увеличение поверхности фронта пламени с соответствующим возрастанием видимой скорости пламени и. с другой стороны, увеличение теплопотерь за счет увеличения теплопотерь из фронта пламени в турбулизирующие

преграды. Для медленногорящих смесей преобладает второй фактор, для быстрогорящих - первый. В то же время ожидаемого увеличения давления взрыва за счет ускорения процесса горения с ростом не наблюдается, что может быть качественно объясненно незначительным уменьшением теплопотерь в стенки реакционной камеры, что в результате не оказывает существенно влияния на снижение неадиабатичности процесса вцелом (рис.9). Также не наблюдалось образования ударных волн в не-посредствееной близости от поверхности турбулизатора. что указывает на то, что наличие локальных турбулизирующих препятствий (до 5% от общего объема) не вызывает образования ударных волн даже в стехио-метрических водородовоздушных смесях.

Изучено совместное влияние на интенсификацию процесса горения степени загромокденности пространства и негерметичности (в том числе при различном расположении сбросных отверстий). Для быстрогоря-щих смесей (концентрация водорода 30 % (об.)) при расположении сбросного отверстия в непосредственной близости от места зажигания наблюдается снижение как давления взрыва, так и скорости нарастания взрыва. В случае медленногорящих водородовоздушных смесей (концентрация водорода 10 % (об.)) значительного снижения ДР и с1Р/(Н удается добиться при удалении сбросного отверстия от места скопления водорода. С учетом полученных результатов для обеспечения взрывозащи-ты аварийного оборудования с локальным распределением горючего компонента можно рекомендовать следующее размещение сбросных отверстий:. для медленогорящих - в отдалении от места возможного скопления водорода, для быстрогорящих - в непосредственной близости. Сочетание турбулизирующих препятствий и турбулизавди смеси за счет ее истечения через сбросное отверстие не всегда, приводит к увеличению степени интенсификации горения.

Результаты исследований свидетельствуют о возможности при определенных условиях значительного ускорения горения водородосодер-жащих смесей, что не исключает возможности развития детонационных процессов в оборудовании и помещениях ЯЭУ, что представляет серьезную опасность для ее безопасности. В целях изучения возможности возникновения детонационных процессов при горении водородгсодержа-щих смесей в оборудовании ЯЭУ были проведены экспериментальные и теоретические исследования, ' для чего были использованы параметры каналов и коллекторов системы БАЗ РУ РБМК. а также элементов оборудования ЯЭУ, в которых в режиме нормального функционирования и при

аварии возможно образование и горение водородосодержащих газовых смесей.

Выполнены экспериментальные исследования условий возникновения детонации в каналах БАЗ реакторной установки РБМК. которые проводились на стенде "Фрагмент" со стехиометрической водородо-кислородной смесью разбавляемой азотом по схеме 0г + 2Н2 + Ый,. где Ь - число молей азота, приходящихся на один моль кислорода. Содержание азота менялось в диапазоне 0+56 % (об.), что соответствовало величине параметра Ь = 0.00+3.76. Начальное давление газовой смеси составляло 0.1 ± 0,01 МПа, начальная температура 297 ± 5 К. В качестве источника зажигания для инициирования горения била использована пережигаемая нихрсмовая проволочка с энергией зажигания -10 Дж (длительностью разряда -0,1 с). Как следует из полученных данных, переход горения в детонацию в сухом гладком канале происходит при Ь лежащем в пределах 2.5 - 2.75. При более высоком содержашш азота в исходной водородосодерлащей смеси наблюдалось только дефлаграционное горение.

Для определения предельных составов водородо-кислородных смесей, в которых возможно распространение детонационной волны (концентрационный предел детонации - КПД), был разработан метод расчета КПД смесей водород-кислород-инертный газ в трубах, где был использован фундаментальный параметр детонации - поперечный размер ячейки ■ X. Критическое условие распространения детонации в круглой трубе имеет вид X = х-д, где X - поперечный.размер ячейки детонации; Б -диаметр трубы. Величина X зависит от давления, температуры и состава. Зная указанные зависимости, можно определить КПД газовой смеси в заданной трубе для интересующих значений давления и температуры. Используя, данные, описывающие зависимость величины X для водородо-воздушных смесей различного состава при их разбавлении водяным паром, диоксидом углерица. азотом, гелием, аргоном, были получены зависимости, характеризующие концентрационные пределы детонации газовых смесей водород-воздух-инерт и предельые диаметры каналов, в которых может иметь место распространение детонационной волны.

В связи с опасностью возникновения детонации в локальном пристеночном газовом слое, были изучены предельные условия ее распространения. Исследования проводились методом численного моделирования двухмерного газодинамического процесса распространения детонационной волны в слое гремучего газа (2Н, + 02) с детальным учетом кине-

тике химической реакции при инициировании и распространении детонационной волны (ДВ) в газовом слое, граничащем с твердой нетеплопроводной стенкой.

Для моделирования распространения ДВ взяты двумерные уравнения газодинамики в лагранжевом описании для невязкого нетеплопроводного газа:

(1

— I р-М = 0 , (3) <Н у

а

— 5 р-и-йУ = ; р-п-ск . (4) си Б

а

— ; ри + дсш =; росшей . (5)

<п * 5 " '

где р - давление. Па; и --"скорость, м/с; е = р/(¥-1)р - внутренняя энергия. Дж; п - вектор нормали к поверхности, показатель адиабаты ^ выбран равным 1.4, интегрирование в левых частях уравнений идет по объему V, а в правых - по поверхности ячейки заданной массы 8. Гидродинамическая система решалась по схеме, где давление, плотность, внутренняя энергия относились к центрам четырехугольных ячеек, а скорость - к их узлам.

Кинетика энерговыделения описывается приближенным соотношением в аррениусовском виде:

¿с

— = - Аср ехр (-Е/КГ) , , (6)

<П

где с - относительная концентрация гремучей смеси (0 < с < 1); р -плотность газа, кг/м3; Т - температура.газа, К. Е - эффективная энергия активации, кДж/моль: А - предэкспоненвдальный фактор. см3/г-с.

Расчеты показали, что значение 6кр для смеси 2Нг+ и2 находится в диапазоне от 7,0 до 9,0 см (для газового слоя, граничащего с од-

ной стороны с твердой нетеплопроводной стенкой). Установлено, что величина критической толщины газового слоя довольно чувствительна к особенностям кинетики химических реакций, в частности, к константе скорости реакции разветвления Н+02-»0Н+0.

Очевидно, что для прямого инициирования детонационной волны в газовом слсе'эсновным параметром, характеризующим критические условия инициирования, является критическая энергия величина которой, определяется составом горючей смеси, её давлением и температурой. а также временными и пространственными характеристиками источника. Представляет интерес определения продольных размеров источника инициирования детонации применительно к полученной выше критической толщине газового слоя, по которому может распространяться детонация, численно равной 9 см.

V/„, А ж

Рис. 10. Зависимость №кр от безразмерной температуры Т/Т0 возбуждаемого газа

Исследования проводили путем численного моделирования газодинамических и химических процессов, протекающих при инициировании и распространении ДВ в газовом слое, граничащем с твердой нетеплопроводной стенкой. Методика расчета приведена выше. Инициирование ДВ описывали в виде мгновенного выделения энергии W в пространственной области, имеющей толщину б (по оси х), продольный размер d (по оси у) и бесконечную протяженность по оси z. При этсм варьировали температуру газа в возбуждаемой пространственной области Т и её пространственный размер <1. Начальную скорость движения газа принимали

равной нулю во всех точках пространства. Величина 6 была равна 9 см. В зависимости от значений параметров '1' и й наблюдали как выход ДВ на стационарный режим, так и ее затухание, что регистрировалось по временной зависимости скорости ДВ. Начальную температуру Тй и давление Р0 невозбужденного газа принимали равными 300 К и 100 кПа соответственно. Показатель адиабаты как непрореагировавшего газа, так и продуктов сгорания был равен 1.4. Сделанные приближения оп-раЕданы качественным характером поставленной задачи исследования -определить, как изменяется критическая энергия инициирования детонации в зависимости от параметров Т и <1. Результаты определения зависимости величины Ккр от температуры возбуждаемого газа Т представлены на рис. 10.

Разработка методов контроля и нейтрализации горючих водородо-ссдержаш'Х смесей

Руководствуясь требованием создания пассивной системы контроля и нейтрализации воцородосодержащих газовых смесей для использования в оборудовании и помещениях ЯЭУ. для этих целей были разработаны устройства на основе гидрофобизированных платиновых катализаторов (ГК). созданных е НИФХИ им. Карпова.

В ходе экспериментальных исследований было установлено, что константа производительности К стержней с ГК для концентраций водорода в воздухе выше НКПР (до 8 % (об.))остается практически постоянной и равной 0.96±0.04 дм3-час"1 • (%(об.) Г1. При этом в результате экзотермической реакции каталитического окисления водорода на поверхности катализатора наблюдается существенный разогрев стержня ГК. Для оценки пожаровзрывоопасности этого явления были проведены экспериментальные исследования пожаровзрывоопасности одиночного стержня с ГК для водородоЕоздушных смесей с концентрацией Н2 до 40 % (об.) при нормальном давлении и температуре. Рост температуры поверхности стержня с ГК наблюдался лишь до начальных концентраций водорода 14 % (об.), дальнейшее повышение начальной конценгтрации водорода практически не приводило к увеличению температуры поверхности, значение которой составляло » 600 К. Установлено, что с ростом давления одиночные стерши с ГК приобретают способность воспламенять водородовездушную смесь. При начальных давлениях 0.я-0.5 МПа стержни инициируют пламенное горение водородовоздушных смесей при

Снг = 10+12 % (об.), в то время как при атмосферном давлении стержни с ГК не зажигали водородозоздушные смеси вплоть до стехиометри-ческих составов. Б то же время, с повышением давления смеси интенсифицируется процесс поглощения молекул водорода стержнем с ГК. однако данная зависимость является нелинейной, и при давлениях выше 0.3 Ша величина коэффициента эффективности стабилизируется. Наличие в водородовоздушной смеси паров воды снижает интенсивность беспламенного сжигания водорода, в то же время повышая пожаровзры-вобезопасность стержней с ГК.

Выполнены исследования по оптимизации расположения стержней, в результате чего было определено,что оптимальный диаметр условного канала, приходящийся на один стержень, составляет 20 мм. Использование многоярусного расположения стержней (один над другим) снижает константу производительности К, однако при этом обеспечивается меньший разогрев стержней как в верхних, так и в нижних ярусах.

В целях предогврщенил возможности зажигания водород?, от нагретой поверхности катализатора было предложено использование огнепре-раждающих устройств, обеспечивающих необходимый доступ водорода к поверхности ГК и, в то же время, исключающих проскок пламени. Были рассмотрены сетчатые огнепреградители и огнегасящие корпуса для каждого стержня ГК. Из полученных экспериментальных данных следует, что эффективность сетчатых огнепреградителей существенно зависит от начальной температуры и давления парогазовой смеси, что необходимо учитывать при размещении сжигателя в конкретных технологических условиях. Безопасная эксплуатация огнепреградителя предусматривает два возможных режима: 1 - фронт пламени, достигая поверхости сетки., гасится; 2 - фронт пламени, достигая поверхности сетки, "садится" на неб, обеспечивая пламенное горение водорода и исключая проскок пламени наружу. Последний режим лежит в основе пламенного локализованного устройства сжигания водорода.

В качестве источника зажигания в этом устройстве могут быть использованы автономные электрические устройства инициирования горения или, что представляется более перспективным, каталитические источники зажигания. Возможность инициирования горения водорода на поверхности высокопористых ячеистых материалов была доказана нами экспериментально. Б ходе исследований было показано, что эффективность сжигателя с увеличением длины его корпуса в два раза возрастает примерно в 1.4 раза вследствие узеличения конвективных потоков

исходной смеси через корпус сжигателя. Такой же эффект, но в меньшей степени выраженный, наблюдается с увеличением размера ячейки сетки, что также может быть объяснено увеличением скорости прокачки смеси через смгатель вследствие уменьшения гидравлического сопротивления огнепреградителей. При этом, однако, надо учитывать, что размер ячейки должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к зг-непреградителям. Исходя из этого, представляется целесообразным рекомендовать размер ячейки сетки огнепреградителя для устройства пламенного сжигания водорода в рассмотренных выше условиях, равный 0.31+0.40 мм. В то же время, увеличение площади поперечного сечения до 300мм не приводит к увеличению эффективности сжигателя. Объясняется это тем, что стабилизация пламени происходит ке на всей поверхности сетки, а на её отдельных участках. Из анализа полученных данных следует, что экспериментальные значения производительности сзшгателей для различных диаметров корпусов и размеров ячеек сетки огнепреградителя оказываются сгруппированы около зкстраполяционной зависимости, качественно описызаемой выражением д =11.3 Бц, где д -приведенная производительность сжигателя, [дм3/час-(%(об.)-см2].

бМг

Без водяного пара 570 -

Р0=0.1 МПа, То=290К* 5?0 ■

♦ Р-„=0. 3 МПа, То=290К'

о- Ро"0. 5 МПа, Т0-290К ш

Ро=0.1 МПа. Т„=420К

з- Ро=0.3 Ша, Т0=42СК ко

о- Ро=0. 5 МПа, То=420К 370

120-

С водяным паром 1

А- Ро=0.5 МПа. То=420К

лТ, К

о /

=50 %(Об.)

у 5 6 7 е

Рис.11. Зависимость температуры поверхности стержня с ГК по отношению к температуре окружающей среды ДТ от начальной концентрации водорода СН2 в смеси при различных начальных условиях

Использование огнегасящих корпусов приводит к заметному уменьшению константы производительности одиночного стержня, но при атом достигается повышение (в 1.5 раза) предельного содержания водорода, при котором не наблюдается проскок пламени, что позволяет рассматривать его в качестве защитного устройства пассивного сигнализатора концентраций водорода, с чуствительным элементом в виде гидрофоби-зированного катализатора, способного работать в условиях повышенных давлений я температур, а также в присутствии водяного пара. Возможность создания такого сигннализатора была доказана экспериментально (рис. И) для диапазонов давлений (0.1+0.5 МПа), температур (290т420 К) и составов газовых сред (СН2о=0+50 % (об.)), где наблюдалась квазилинейная зависимость температуры от содержания водорода, принтом погрешность в показаниях не превышала 20 % (относ.).

Практическое использование результатов работы для обеспечения водородной пожаровзрывобезоласности ядерных энергетических установок

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования по изучению процессов горения водорода в услозиях эксплуатации ЯЭУ различного класса позволили,сформулировать теоретические основы для создания нормативно-технической базы, регламентирующей требозания водородной пожаровзрывобезспасности. В результате выполненных исследований стало возможным подготовить впервые б стране единый госу-дарственнй нормативный документ - Руководство по обеспечении«) безопасности при использовании атомной энергии "Обеспечение водородной взрыЕозащиты и взрывопредупреждения на атомной станции". Требования настоящего руководства распространяются на важные для безопасности системы и оборудование АЭС. в которых возможно образование водорода в режимах нормальной эксплуатации или его появления при авариях, а также на системы контроля концентрации водорода и системы аварийного подавления водорода. Сформулирована концепция обеспечения водородной пожаровзрывобезоласности, основанная на принципе предотвращения пожара (взрыва) и покаровзрывозащиты. В основе концепции лежат основные принципы построения систем безопасности в атомной энергетике, а именно: резервирование, независимость, разнообразие, эшелонирование, пассивность, низкая энергонапряженность, безвредность действия.

Предотвращение пожара (взрыва) обеспечивается за счет поддер-

знания концентрации водорода в смеси с водяным паром, азотом, кислородом и (иди) другими газами вне концентрационных пределов распространения пламени при заданных давлениях и температурах. Указанная цель достигается следующими путями:

- подавление образования водорода путем использования га-зо-водных режимов.• подавляющих процесс радиолиза или недопущения развития паро-металлических реакций;

- контроль концентрации водорода в технологическом оборудовании и помещениях с помощью сигнализаторов водорода, работающих на основе гидрофовизированных катализаторов;

- нейтрализация взрывоопасных водородосодержащих смесей в оборудовании и помещениях с помощью существующих штатных систем сдувок и дожигания водорода в каталитических печах, а также использование дополнительных систем безопасного сжигания водорода непосредственно в зоне локализации аварии;

- предварительная и послеаварийная флегматизация атмосферы аварийных помещений и оборудования с последующим удалением с помощью вентиляции.

Для реализации принципа предотвращения пожара (взрыва) для помещений и оборудования АС необходимо выполнение требований полной флегматизации парогазовых водородосодержащих смесей, в этом случае смесь считается покароварывобезопасной. Смесь, бедная (богатая) по концентрации горючего' принимается пожаровзрывобезопасной. если кон-. • Центрация горючего'(Окислителя) в ней не превышает 'предельно-допус-" тимую взрывобезопасяую концентрацию (ПДВК). Величина ПДВК для бедной (богатой) смеси может быть-вычислена по формулам:

С, < 0.9 (Сн - 0.7 К). (7)

С2 > 1.1 (Св + 0.7 И), (8)

где С^ -Сг - значения ПДВК для бедной и богатой смесей соответс-тйейно, '%' (об'.); С„. Св *-:"нижний и верхний концентрационные .пределы распрострщйния пламеий,-' значения которых получены в настоящей работе %. (об.); I? - воытроизводамость метода определения С„ и Св соответственно при доверительной вероятности 95 '%. Величина И составила в представленных экспериментальных исследованиях 0.3 % (об.) на нижнем пределе и 0.6 % (об.) на верхнем пределе.

С учетом основных принципов безопасности предлагается использовать, наряду с известными ранее способами нейтрализации водорода (сдувка и последующее сжигание в печах), или взамен их новые, апробированные нами, способы нейтрализации водорода, которые могут быть использованы по отдельности или в сочетании друг с другом:

- система каталитического сжигания водорода путем его рекомбинации с кислородом на катализаторе с образованием водяного пара без пламенного горения водородосодержащих смесей;

- пламенное сжигание водорода внутри корпуса сжигателя при инициировании горения пассивными и активными источниками зажигания;

- пламенное сжигание водорода в объеме аварийного оборудования и(или) помещения, в которых производится локализация аварии, при реализации дефлаграционного режима горения, обеспечивающего целостность соответствующего барьера безопасности;

- флегматизация объема герметичной зоны локализации аварии.

В случае невозможности предотвращения горения водорода в проекте должны быть предусмотрены меры, направленные на пожаровзрыво-защиту помещений и оборудования. Учитывая специфику ЯЭУ, не допускающую сброс газов из оборудования непосредственно в атмосферу, а также недопустимость несанкционированного вскрытия защитных устройств в результате их ложного срабатывания, могут быть рассмотрены в качестве приемлемых следующие защитные мероприятия:

- нейтрализация (флегматизация, каталитическое сжигание) горючей газовой смеси до концентраций Н2, при которых давление взрыва не достигает предельно допустимых значений;

- в случае невозможности обеспечения безопасного состава газовой среды необходимо использовать технологическое оборудование и строительные конструкции, способные выдерживать давление взрыва, реализуемое при заданных давлениях, температуре и с учетом турбули-зующих факторов.

Применительно к оборудованию и помещениям ЯЭУ было принято условие' недопущения развития детонационного горения как источника нерасчетных взрывных нагрузок, приводящих к повреждению систем безопасности. Требование недопущения развития детонации в элементах технологического оборудования и помещениях может быть записано в виде:

ДОП1 ДОП

Сн2 < (НКГЩ - 0.7 Р. ' ) - 0.3,

до ai

где СН2 - предельнодопустимая концентрация водорода с точки зрения возникновения детонации, % (об.); Raon - воспроизводимость метода определения НКПД, полученная из анализа извести данных при доверительной вероятности 0.95, числзнно равна 1%(об.).

При условии реализации дефлаграционного горения принцип обеспечения ВПВБ с помощью взрывсзащиты может быть реализован при одновременном выполнении двух условий:

ЛОК ДОП1

СН2 < Снг (10)

ср ДОП2

СН2 ч min (СН2 , Сст) , (11)

лох

где СН2 - наиболычая локальная концентрация водорода г оборудовании и гермообъемах ЯЭУ. % (об.); СорН2 - средняя по объему концентрация водорода. % (об.); Сдоп2Нг ~ допустимая концентрация водорода для режима дефлаграционного горения, Сст - стехиометрическая концентрация водорода в воздухе, равная 29.2 % (об.);

Наряду с разработкой основополагающих принципов ВПВБ, реализованных в Руководстве по обеспеченнию безопасности при.использовании атомной энергии "Обеспечение водородной взрывозащиты и взрывопре-дупреждения на атомной станции", были разработаны практические рекомендации по обеспечению ВПВБ для конретных проектов атомных станций с реакторными установками различного типа, такими как: АСТ-500, ВПЕЭР-600, РБМК—1000(15С0), ВВЭР-1000, которые нашли свое применение в проектных решениях, в выборе безопасных режимов эксплуатации и предельных параметров систем при различных авариях. Выполненные исследования позволили научно обосновать предельный газовый состав в системе охлажения быстрой аварийной защиты реакторных установок типа РБМК. На основании пбложительныннх результатов по нейтрализации водорода с помощью каталитических устройств непосредственно в защищаемом объекте было предложено рассмотреть вопрос об их использовании в качестве основных систем удаления водорода на вновь соз-давемом реакторе ВПБЗР-600 и находящемся в эксплуатации реакторе РБМК-1000(1500).

Положительные результаты исследований по использованию пассивных систем каталитического беспламенного сжигания водорода позволили рассмотреть возможность создания автономного пассивного устройства для нейтрализации взрывоопасных водородосодержащих смесей в условиях повышенных температур и давлений . а также в присутствии во-дянногс пара, то есть для характерных условий эксплуатации ЯЭУ. При этом минимальная 'пороговая) концентрация, при которой начинается рекомбинация водорода, составляет не более 1 % (об.) водорода, что соответствует требованиям, предъявляемым к данным системам.

Для оперативного управления системами взрывопредупреждения и взрывозащиты помещений и оборудования в условиях нормального функционирования и аварийных ситуациях на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований нами были разработаны две' программы расчета предельных условий дефлаграционного горения водородосодержащих смесей, работающие в диалоговом режиме, что позволяет использовать их не только при разработке и проектировании новых энергоустановок, но применять оперативным персоналом АС для поддержания взрывобезопасных режмов рабе ты ЯЭУ.

В первом случае расчет базируется на предпосылках, определяющих предельные условия распространения пламени на основе энергетического баланса реакции горения смесей вида Н2 + 02 + разбавитель с учётом постоянства адиабатической температуры горения Тад для различных водородосодержащих предельных смесей, что обусловлено кинетикой процесса их горения. Предложенный инженерный метод расчета позволяет не только определять кривые флегматизации различных многокомпонентных газовых смесей (включая органические соединения) при повышенных температурах, но и определять необходимое количество флегматизирущих добавок, обеспечивающее нераспространение пламени по исследуемой газовой смеси. Проверка достоверности предложенного алгоритма расчета была проведена применительно к БКПР с помощью массива экспериментальных данных для 20 многокомпонентных смесей. Относительная средняя квадратичная погрешность по предложенному методу расчета относительно известных экспериментальных данных составляет 9 %.

Во втором случае Использован эмпирический интерполяционный метод, основывающийся на экспериментально полученных нами реальных значениях КПР, что позволяет с достаточной степенью точности производить расчеты предельных условий распространения пламени в водоро-

досодержащих смесях в изученном диапазоне давлений и температур. Область применения метода ограничена количеством данных., и в настоящее время с достаточной степенью точности позволяет определять КПР водородо-кислородных смесей с инертными разбавителями типа гелий, азот, водяной пар, диоксид углерода в диапазоне давлений 0,1 + 2,0 Ш1а и температур 300 + 520 К. Проверка адекватности расчетов эксперименту показала, что интерполяционный метод позволяет производить расчет с более высокой степенью точности (относительная погрешность 4.2 %). но с меньшей областью применимости

Выводы

1. Разработаны теоретические предпосылки для усовершенствования существующих и создания новых инженерных методов расчета концентрационных пределов распространения пламени для предварительно перемешанных водородосодержащих парогазовых смесей и для диффузионного горения этих смесей в различных окислительных средах.

2. Разработан комплекс новых, более точных и универсальных инженерных методов расчета предельных условий дефлаграциокного горения предварительно перемешанных водородосодержащих смесей при различных начальных параметрах среды (диапазон давлений 0.1+4.О МПа, температур 293+523 К) и диффузионного пламени в различных парогазовых средах.

3. Получены новые экспериментальные данные по концентрационным пределам распространения пламени в водородосодержащих смесях при нормальном и повышенных начальных давлениях и температурах при разбавлении инертными и химическими актизнными ссединонирми.

4. Получены новые экспериментальные данные по зависимости величины нормальной скорости горения водородосодержащих смесей при повышенных начальных давлениях и температурах при разбавлении водяным паром, азотом, метаном, которые свидетельствуют пб изменении знака барического показателя при наличии в качестве добавки небольших количеств водяного пара и метана. Представлена теоретическая интерпритация полученных результатов, основанная на представлениях об активней роли молекул воды в реакциях трехчастичной рекомбинации активных центров во фронте пламени.

5. Созданы новые оригинальные экспериментальные стенды для изучения процессов горения водорода в условиях, моделирующих нор-

мальные и аварийные режимы работы реакторных установок (для изучения процесса горения водородосодержащих смесей в каналах быстрой аварийной защиты РУ РБМК создан стенд "Фрагмент", для исследования предельных условий диффузионного горения при струйном истечении во-дородосодержащих смесей создан стенд "Авария";.

6. Изучены закономерности процесса горения водородосодержащих смесей в условиях, моделирующих реализуемые в оборудовании и помещениях ЯЭУ. Показано, что воздействие распыленной водой на водоро-досодержащуа смесь вызывает интенсификацию процесса ее горения. Получены количественные зависимости , характеризующие степень турбу-лизации пламени распыленной водой, приводящий к интенсификации горения. Исследована динамика процесса горения всдородовоздушных смесей в гладком вертикальном канале и при наличии в нем водяной пленки. Разработана приближенная теоретическая модель для описания процесса горения в гладкой трубе. Полученные результаты свидетельствуют о значительном ускорении процесса горения при наличии водяной плепки в диапазоне концентраций Н2 20+30 Моб.). Исследованы возможности интесификации процесса горения з больном объеме при наличии многоточечного источника зажигания. Изучены процессы горения локальных водородосодержащих смесей в большом объеме при наличии препятствий и сбросных проемов.

7. Впервые обнаружен и качественно объяснен эффект возникновения гидроудара в каналах реакторной установки РБМК при горении в нем водородовоздушных смесей. Выявлено; что реализующиеся от гидроудара давления существенно презышают максимальное давление взрыва водородовоздушных смесей.

8. Выполнен комплекс зкспериментальннх и теоретических исследований по изучению предельных условий возникновения и распространения детонации в водородокяслсродных смесях, разбавленных инертными добавками в объеме различных технологических аппаратов. Показана возможность (при определенных условиях) перехода горения в детонацию. Выполнень расчеты параметров детонационной волны в водородо-кислородной среде, разбавленной химически инертными газами.

9. Показана принципиальная возможнооть'создания пассивных устройств контроля и нейтрализации водорода внутри реакторной установки и гермозоны. Нейтрализация водорода может производиться как с помощью каталитических систем беспламенного окисления водорода на поверхности катализатора, так и в результате организации безопасно-

го процесса пламенного сжигания в локальном объеме. Разработана оптимальная конструкция высокоэффективного пассивного каталитического устройства нейтрализации водорода при повышенных давлениях и температурах в присутствии водяного пара. Предложен принцип создания устройства для измерения содержания водорода в парогазовой среде.

10. Результаты работы использованы при разработке Руководства по обеспеченнив безопасности при использовании атомной энергии "Обеспечение водородной взрывозащиты и взрывопредупреждения на атомной станции". Практические рекомендации по обеспечению ВПВБ нашли применение при проектировании и эксплуатации РУ типа АСТ-500. ВПБЭР-600, РБМК-1000, РБМК-1500, ВВЭР-1000.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Корольченко А.Я., Шебеко D.K.. Цариченко С.Г. Исследование флегматизации водородовоздуишых смесей водяным паром при повышенных давлениях и температурах. - Вопросы атомной науки и техники. Серия: Атомпо-водородная энергетика и технология. 1988. ВЫП. 3. с. 87-89.

2. Шебеко Ю. Н.. Корольченко Л. Я., Цариченко С. Г.. Навценя В.Ю., Малкин В.Л. Влияние начального давления и температуры на характеристики горения водородсодержащих смесей. - Физика горения и взрыва, 1989, т. 25. К 3, с. 32-36.

3. Корольченко А.Я.. ШебекоЮ.Н.. Цариченко С.Г., Шульга А.Н. Расчетная оценка горючести парогазовых смесей в различных окислительных средах. - В кн.: Пожаровзрывоопасность веществ, материалов, изделий и технологических процессов.- М. :ВНИИП0 1990, с. 124-133.

4. Корольченко А.Я., Цариченко С.Г., Шебеко Ю.Н.. Еременко О.Я. Исследование влияния повышенных давлений к температур на горение парогазовых смесей. - Химическая физика. 1Э90, т. 9. N 12, с. 1593-1595.

5. Шебеко Ю.К., Цариченко С.Г., Еременко О.Я., Келлер В.Д., Тру-нев A.B. Горение бедных ведороднб-воздушных смесей в потоке распыленной воды. '- Физика горения и взрыва, 1990, Т.26. N4, с.58-61.

6. Цариченко С.Г., Шебеко Ю.Н.. Корольченко А.Я.. Еременко О.Я.. Келлер В.Д. Влияние турбулизаторов на горение бедных Еодородо-

воздушных смесей в замкнутом сосуде большого объема. - Физика горении и взрыва. 1990. т. 26. N5, с. 76-79.

7. Шебеко D.H., Корольченко A.fi.. Цариченко С.Г. Метод расчета верхних концентрационных пределов распространения пламени в смесях горючих газов и паров с негорючими. - Химическая промышленность, 1Р90, Н 12, с. 714-715.

8. Цариченко С. Г., Шебеко В.Н., Трунёв A.B., Серкин М.А., Каплин А.В. Определение концентрационных пределов распространения пламени в водородсодерзгащих смесях с флегматизаторами. - Химическая промышленность. 1991. N 10 с. 14-16.

9. Ермилин И.Ф., Каплин А.Ю., Кулаков И. Н., Шебеко Ю.Н., Цариченко С. Г. Установка для исследований самовоспламенения и условий возникновения диффузионного горения парогазовых сред.- В кн.: Современные методом определения пожаровзрыЕоопасности веществ и материалов. - М.:ВНИИП0, 1991, с.30-36.

10. Трунев A.B., Цариченко С.Г.. Шебеко D.H.. Николаев Л.А., Беляев В. В. Влияние распыла воды на горение бедных околопредельных водородовоздулнкх смесей в большом объеме. - В кн.: Пожарная безопасность промышленных обьектов: С5. научн. тр. - М.: ВНИИ-Ш, 1991. с. 92-101.

11. Шебеко Ю.Н., Корольченко А.Я.. Цариченко С.Г. О критических условиях инициирования детонации в газовом слое гремучей смеси с неоднородным распределением температур. - В кн: "Газодинамика взрывных и ударных вол;, детонационного и сверхзвукового горения" Алма-Ата, 1991. с.128.

12. Шебеко D.h.. Корольченко А.Я.. Шамонин В.Г., Цариченко С.Г. О взаимосвязи барического показателя нормальной скорости горения газовоздушных смесей и кинетики тримолекулярных реакций во фронте пламени. - Физика горения и взрыва. 1991, т.27. N2, с. 46-49.

13. Шебеко Ю.Н.. Цариченко С. Г.Корольченко А. Я.. Ерофеев А.Н. Характеристики горения смесей водород-лгетан-воздух в замкнутом сосуде. - Физика горения и взрыва, 1991. т.27. N6. с.52-56.

14. Цариченко С. Г.. Трунёв А. В.. Шебеко Ю. Н.. Николаев Л. А., Беляев В.В. Интенсификация процессов горения водородно-воздушных смесей в потоке распыленной воды. - Еопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерная техкика и технология. Выпуск 1. 1991, с. 48-50.

15. Трунёв А.В.. Цариченко С.Г.. Шебеко Ю.К.. Келлер В.Д. Обеспечение потаро и взрывобезопасности путем применения сжигателя водорода на основе гидрофобизированных катализаторов. - Химическая промышленность. 1392 N 1 с. 53-55.

16. Цариченко С.Г.. Трунёв А.В., Шебеко Ю.Н.. Абросимов А.А., Шахов М.И. Влияние многоточечного зажигания водородовоздушных смесей на развитие взрыва в замкнутом сосуде. - Физика горения и взрыва. 1992. N 1 с. 18-21.

'17. Korolchenko A.Ya., Tsarichenko S.G.. Shebeko Yu. N.. Trunev A.V. Experimental study of the characteristics of premlxed hydrogen-containing flames at elevated pressures and temperatures. IV International seminar on flame structure. Novosibirsk, 1992 p.26-27.

18. Shebeko Yu.N., Korolchenko A.Ya., EaratovA.N., Tsarichenko S.G., Shamonin V.G. Numerical modeling of the Influence of transport and chemical processes on premlxed flame structure and burning rate. IV International seminar on flame structure. Novosibirsk. 1992 p.28-29.

19. Шебеко Ю.H., Корольченко А.Я., Цариченко С.Г., Каплин А.Ю. Расчет концентрационных пределов детонации в трубах для смесей вида водород-воздух-инертный газ. - Химическая промышленность. 1992. N3. с. 166-168.

20. Корольченко А.Я., Цариченкс С.Г., Шебеко Ю.Н., Трунёв А.В., Зайцев А.А. Флегматизация водородосодеркащих парогазовых смесей при повышенных температурах и давлениях. - Пожаровзрывобе-зопасность. 1992. N 1 с. 12-16.

21. Трунёв А.В., Цариченко С.Г.. Шебеко Ю.Н. Исследование пожа-ровзрывоспасности газогенераторов электролизно-водных установок. - Пожаровзрквобезопасность, 1992, N2, с 45-49.

22. Шебеко Ю.Н.. Цариченко С.Г., Бобков А.С.. Трунёв А.В. Характеристики горения водородсодержащих парогазовых смесей при повышенных давлениях и температурах. - В кн: Взрывобезопасность технологических процессов. Тезисы докладов науччо-тсхнической конференции.- СевероДонецк 1992. с.20-21.

23. Шебеко D.H., Трунёв А.В.. Цариченко С.Г.. Шепелин В.А. Нейтрализация водородсодержащих парогазовых смесей при повышенных давлениях и температурах. - Р. кн: Взрывобезопасность технологических процессов. Тезисы докладов научно-технической конфе-

ренции,- Северодонецк 1992. с.48-49.

24\ Трунев A.B., Цариченко С.Г., Шебеко D.H., Келлер В.Д. Оптимизация конструкции сжигателя водорода на основе гидрофобизиро-ванного катализатора. - В кн: Проблемы предотвращения и тушения пожаров на объектах народного хозяйства. Материалы XI научно-практической конференции. - М.: ВНИИПО, 1992. с.76-77.

25. Корольченко А.Я.. Шебеко D.H., Цариченко С.Г., Трунев А. Е. Влияние распыленной воды на горение бедных зодородовоздушных смесей в замкнутом объеме. - Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. - ВИНИТИ, 1992, й 4, с. 76-86.

26. Шебеко В.Н., Корольченко А.Я.. Цариченко С.Г., Каплин А.Ю., Ермилин И.Ф. Расчет концентрационных пределов детонации в трубах для смесей водород-воздух-инерт. - В кй: Проблемы предотвращения и тушения пожаров на объектах народного хозяйства. Материалы XI научно-практической конференции. - М.: ВНИИПО. 1992. с. 79-80.

27. Шебеко Ю.Н., Корольченко А.Я., Цариченко>С.Г. Численное моделирование распространения детонационной ёолды в газовом слое с детальным учетом химической кинетики. - Физика." горения и взрыва, 1992, Т.28. N5, С. 128-130.

28. Шебеко Ю.Н., Ксрольченко А.Я.. Цариченко С. Г.. Каплин А. Ю. Численное моделирование инициирования■детонации в газовом слое стехиометрической водородо-кислородной смеси. - Физика горения и взрыва, 1992, т. 28, N5, с. 90-92..

29. Shebeko Yu.N., Korolchenko A.Ya., Tsarlchenko S.G., Trunev

A.V.. 1. Pressure and Velocity of Gaseous Mixtures. 2. The dependence oi Pressure Index of Burning Velocity of Gaseous Mixtures on-Chemical Kinetics in the Flame Front. - Fire Science and Technology. Proceedings of the First Asian conference. He-fei. China. October 9-13, 1992. p. 475-479.

30. Цариченко С.Г.. ШебекоЮ.Н., Корольченко А.Я., Трунев А.В. Концентрационные пределы распространения пламени в парооогазо-вых смесях при давлениях и.температурах, отличных от нормальных. - Тезисы X Симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение. Черноголовка, 1992 с.41-42.

31. Трунев A.B... Шебеко Ю.Н., Цариченко С.Г., Зайцев A.A., Келлер

B. л. Обеспечение погарссзрызобезопаскости термокаталитического

сжигания водорода путем применения огнепреградителей. - Химическая промышленность. 1993, N 6. с. 45-48.

32. Корольченко А.Я., Шебеко Ю.Н.. Цариченко С.Г., Трунёв A.B., Ермилин И.Ф., Кулаков И.Н.. Каплин А.Ю. Вопросы водородной по-жаровзрывобезопасности оборудования и помещения атомных станций. - В кн. Рефераты конференции. 4-ая Ежегодная Научно-техническая Конференция Ядерного Общества. Ядерная энергия и безопасность человека NE-93. Июнь 28 - Июль 2, 1993. Нижний Новгород, с. 705-707.

33. Korolchenko A.Ya., Shebeko Yu.N., Tsarichenko S.3., Trunev A. V. Intensification of Combustion of Leap. Hydrogen-Air Mixtures in the Water Sprays. - Proceedings of the Second Asian-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization. Beijing, October 15-18. 1993. p.107-110.

34. Шебеко ю.Н.. Цариченко с.г., Корольченко а.Я.. Трунёв a.b.. Навценя В.Ю., Папков с.н., Зайцев a.a. Характеристики горения парогазовых смесей при повышенных давлениях и температурах -Покаровзрывобезопасность. 1993. т. 2. N 4. с. 3-13.

35. Цариченко С.Г., Трунёв А.Е.. Шебеко D.H. Горение беднак водо-родовоздушных смесей при многоточечном инициировании горения в большом объеме. - Ножаровзрывобезопасность. 1993. т.2, N 4, с. 14-17.

36. Цариченко С.Г.. Шебеко В.Н., Трунёв A.B., Зайцев-А.А.. Каплин А.Ю. Исследование распространения пламени в водородзвоздушных смесях в трубе - Физика горения и взрыва/ 1993, " т.29, N6, с. 14-19.

37. Трунёв A.B., Шебеко Ю.Н., Цариченко С.Г. Обеспечение водородной "пожаровзрывобезопаснссти производственных помещений путем применения пламенного сжигателя водорода - Пожаровзрывобезопасность, 1994, т. 3, N1. с. 35-41

38. Шебеко Ю.Н., Цариченко С.Г., Трунёв A.B., Каплин А.Ю., Зайцев A.A. Исследование характеристик горения водородосодержащих парогазовых смесей при повышенных давлениях и температурах - Физика горения и взрыва. 1994, т. 30. Ы1, с. 16-19.

39. Шебеко Ю.Н., Цариченко С.Г.. Корольченко А.П.. Каплин А.Ю.. Попков Г.А. Расчет . предельных условий диффузионного горения водородосодержащих газовых смесей - Физика горения и взрыва, 1994. т. 30, N2. с. 42-4S.