автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальные исследования процессов, сопровождающих аварию "межконтурная неплотность парогенератора" и рекомендации к схемным и конструктивным решениям реакторной установки со свинцовым теплоносителем

На правах рукописи

Леонов Виктор Николаевич

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ АВАРИЮ «МЕЖКОНТУРНАЯ НЕПЛОТНОСТЬ ПАРОГЕНЕРАТОРА» И

РЕКОМЕНДАЦИИ К СХЕМНЫМ И КОНСТРУКТИВНЫМ РЕШЕНИЯМ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ СО СВИНЦОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Специальность 05.14.03 — Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З МАЙ Ш

Обнинск - 2012

005016007

005016007

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ).

Научный руководитель: Доктор технических наук

Калякин Сергей Георгиевич,

Государственный научный центр Российской федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского (ГНЦ РФ ФЭИ)

Официальные оппоненты: Доктор технических наук

Соловьев Сергей Леонидович,

Открытое акционерное общество Всероссийский научно-

исследовательский институт по эксплуатации атомных

электростанций (ОАО ВНИИАЭС)

Кандидат технических наук Дедуль Александр Владиславович, Открытое акционерное общество Опытное конструкторское бюро «Гидропресс» (ОКБ «Гидропресс»)

Ведущая организация:

Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН), г. Москва.

Защита состоится iи-л^О^Я. 2012 г. на заседании диссертационного совета Д.212.1 ЗОЛ 0 при Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» по адресу: 249040, Калужская область, г. Обнинск, Студгородок, 1, зал заседаний ученого совета ИАТЭ НИЯУ МИФИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Обнинского института атомной энергетики НИЯУ «МИФИ». Автореферат разослан 2. С? 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.130.10 доктор физико-математических наук, профессор

Шаблов Владимир Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При обосновании научно-технических решений реакторной установки со свинцовым теплоносителем, содержащего парогенераторы, необходимым условием являются исследования, анализ и проектные решения, обеспечивающие безопасность установки как в номинальных режимах эксплуатации, так и при реализации наиболее потенциально опасных аварийных ситуаций, прежде всего, аварии «межконтурная неплотность ПГ». Необходимо проведение комплекса исследований и проектных проработок, обосновывающих оптимальные схемно-компоновочные решения двухконтурной реакторной установки со свинцовым теплоносителем, выбор оптимальной конструктивной схемы парогенератора, параметров рабочего тела второго контура, разработка концепции системы аварийной защиты парогенератора и научно-обоснованных алгоритмов определения аварии «межконтурная неплотность ПГ» для реакторной установки. Решению указанных научно-технических задач посвящена настоящая диссертация.

Целью диссертационной работы является решение вопросов, обеспечивающих безопасность быстрого реактора со свинцовым теплоносителем при аварии «межконтурная неплотность» ПГ.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:

а) проведение аналитического обзора проблем и концептуальных решений парогенераторов в составе реакторных установок с жидкометаллическими теплоносителями;

б) определение и анализ процессов, возникающих в циркуляционном контуре и в газовом объеме ядерного реактора со свинцовым теплоносителем при межконтурной неплотности парогенератора в зависимости от размера и района межконтурной неплотности;

б) разработка концептуальных научно-технических решений РУ со свинцовым теплоносителем по конструктивным решениям тракта циркуляции теплоносителя; принципиальной схеме и характеристикам второго контура РУ; принципиальной схеме, составу оборудования и характеристикам газового контура; принципиальной схеме, составу оборудования и характеристикам систем локализации и защиты от превышения давления, а также по конструктивным решениям и характеристикам парогенератора двухконтурной РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО, учитывающих аварийные ситуации с течью ПГ.

в) проведение комплекса экспериментальных, теоретических и расчетных исследований процессов, сопровождающих аварию «межконтурная неплотность ПГ», для обоснования проектных решений;

г) разработать рекомендации к схемным и конструктивным решениям РУ, обеспечивающие ее безопасность при разгерметизации трубок ПГ, алгоритмам идентификации аварии «межконтурная неплотность ПГ» реакторной установки со свинцовым теплоносителем.

Научная новизна работы

1. Впервые проведен комплексный системный анализ процессов, возникающих в первом контуре быстрого реактора со свинцовым теплоносителем, содержащим ПГ, при межконтурной неплотности парогенератора.

2. Экспериментально определены характеристики «легкой» фазы в составе двухкомпонентного потока свинец — «легкая» фаза при подаче рабочего тела в объем свинца с имитатором трубной системы ПГ. Показано влияние конструкции участка парогенератора на характеристики процесса сепарации «легкой» фазы из свинца.

3. Экспериментально и расчетно определен коэффициент теплопередачи при контактном теплообмене свинцовый теплоноситель — рабочее тело. Показано качественное соответствие теоретической модели теплообмена реальным условиям.

4. Экспериментально-расчетным методом определены величины напряжений материала модельной трубы ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО при истечении рабочего тела в свинец при температуре 450°С.

3. Экспериментально показано, что при поступлении рабочего тела в свинцовый теплоноситель, скорость движения фронта раздела сред, существенно зависит от гидравлического сопротивления потока в этом режиме и от конкретной геометрии ячейки.

4. Получены экспериментальные данные по конденсации пара в модели конденсатора емкостного типа с толстостенными трубами в качестве заполнителя. Показана возможность применения кода ВСПЛЕСК для расчёта системы локализации течи парогенератора с конденсатором емкостного типа.

5. На основе анализа полученных результатов разработаны рекомендации к схемным и конструктивным решениям реакторной установки, обеспечивающие ее безопасность при разгерметизации трубок ПГ, алгоритмам идентификации аварии «межконтурная неплотность» ПГ реакторной установки со свинцовым теплоносителем.

Практическая значимость работы

Результаты экспериментальных, теоретических и расчетных исследований и конструкторских проработок, анализ возможных аварийных режимов работы при «межконтурной неплотности» ПГ использованы при разработке проекта БРЕСТ-ОД-ЗОО и внедрены в проектно-конструкторскую документацию.

1. Даны рекомендации к схемным и конструктивным решениям РУ, обеспечивающие ее безопасность при разгерметизации трубок ПГ.

2. Результаты экспериментов по определению напряжений материала модельной трубы ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО при истечении рабочего тела в свинец могут быть рекомендованы для пересчета нагрузок на натурную конструкцию.

3. Полученные значения и методика расчета коэффициента теплопередачи при контактном теплообмене свинцовый теплоноситель - рабочее тело рекомендуются при определении температуры в газовом объеме реактора.

4. Разработаны рекомендации к алгоритмам идентификации аварии «межконтурная неплотность» ПГ реакторной установки со свинцовым теплоносителем.

Реализация результатов

В конструкторской документации проекта БРЕСТ-ОД-ЗОО использованы:

1. Разработанные технические требования и предложение по схемно-компоновочному решению основного тракта циркуляции теплоносителя.

2. Разработанные технические требования и принципиальная схема газовой системы РУ.

3. Разработанные технические требования и принципиальная схема системы локализации и защиты от превышения давления РУ

На защиту выносятся следующие положения:

а) результаты комплексного анализа процессов, возникающих в контуре циркуляции и в газовом объеме ядерного реактора со свинцовым теплоносителем при межконтурной неплотности парогенератора в зависимости от размера и района межконтурной неплотности;

б) концептуальные научно-технические решения реакторной установки со свинцовым теплоносителем по конструктивным решениям тракта циркуляции теплоносителя; принципиальной схеме и характеристикам второго контура РУ; принципиальной схеме, составу оборудования и характеристикам газового контура, систем локализации и защиты от превышения давления, конструктивным решениям и характеристикам парогенератора двухконтурной РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО, учитывающие аварийные ситуации с течью ПГ;

в) результаты экспериментальных, теоретических и расчетных исследований процессов, сопровождающих поступление «легкой фазы» в ячейку ПГ, газовый объем, систему локализации и в основной контур циркуляции РУ типа БРЕСТ;

г) рекомендации к схемным и конструктивным решениям РУ, обеспечивающие ее безопасность при разгерметизации трубок ПГ, алгоритмам идентификации аварии «межконтурная неплотность» ПГ реакторной установки со свинцовым теплоносителем.

Достоверность основных научных положений и выводов диссертации Достоверность результатов экспериментальных исследований обусловлена корректностью сбора и обработки опытных данных, полученных с расчетом их погрешности. Достоверность теоретических представлений подтверждается их сходимостью с полученными экспериментальными данными. Достоверность научно-технических рекомендаций и проектно-конструкторских решений обосновывается проведенным комплексом экспериментальных, теоретических и расчетных исследований и учетом опыта создания и эксплуатации парогенераторов, РУ с жидкометаллическими теплоносителями.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное личное участие во всех работах, связанных с разработкой и экспериментальным обоснованием быстрого реактора со свинцовым теплоносителем, в том числе и в работах, представленных в настоящей диссертации, начиная с начала 90-х годов прошлого века и по настоящее время:

- в постановке задач исследований и подготовке программ проведения исследований;

- в экспериментальных исследованиях и анализе полученных результатов;

5

- в обсуждении результатов, разработке рекомендаций и во внедрении полученных результатов в проектную документацию установок со свинцовым теплоносителем.

Апробация работы

Работа прошла апробацию на межотраслевых и международных конференциях. Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектной документации РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 38 работ, включая 11 статей в реферируемых научных журналах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 93 наименований. Работа представлена на 217 листах и содержит 113 рисунков и 33 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, дается общая характеристика работы. Отмечается, что создание ЯЭ больших масштабов возможно лишь при радикальном повышении безопасности АЭС и сопряженных производств, сохранении экономической конкурентоспособности ЯЭ, а также при существенном увеличении эффективности использования урана с переходом к бридингу топлива. Только исключение тяжелых аварий может стать убедительным обоснованием права на существование будущей ЯЭ, ее социальной приемлемости.

Эти задачи могут быть решены в быстром реакторе БРЕСТ, охлаждаемым свинцовым теплоносителем. На первом этапе планируется создание АЭС с опытно-демонстрационным реактором, которая предназначена для проверки технических решений, отработки технологических процессов, обусловленных использованием свинца в качестве теплоносителя.

В первой главе проводится анализ комплекса проведенных ранее исследований, расчетно-теоретических и проектно-конструкторских работ, а также опыта эксплуатации парогенераторов энергоблоков реакторов с натриевым и свинцово-висмутовым теплоносителями, включая нормальные и аварийные режимы.

На современном этапе степень разработки и обоснования технологии реакторов с жидкометаллическими теплоносителями весьма различна. Если в области быстрых реакторов, охлаждаемых натрием, имеется большой опыт НИОКР, эксплуатации экспериментальных установок и промышленных АЭС, то этого нельзя сказать об установках с другими теплоносителями. Исключение составляет сплав свинец-висмут, который был использован при разработке и эксплуатации атомных подводных лодок. Однако и в этом случае параметры и ресурс эксплуатации существенно отличались от требуемых в стационарной ядерной энергетике.

В последнее время интенсивно развиваются исследования в обоснование использования свинца в качестве теплоносителя быстрого реактора. Работы

6

сконцентрированы в рамках проекта опытно-демонстрационной установки БРЕСТ-ОД-ЗОО.

Для аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора» применительно к реакторным установкам энергоблоков АЭС, охлаждаемых свинцовым теплоносителем, выполнена постановка задач исследований.

Во второй главе приводятся результаты анализа общих понятий, характеризующих аварийную ситуацию течь ПГ, анализ локальных процессов в районе истечения рабочего тела в свинец и общеконтурных процессов, сопровождающих аварию, а также последующие воздействия аварии на теплоноситель и оборудование реакторного контура РУ типа БРЕСТ.

В зависимости от размера течи целесообразно с точки зрения, как анализа процессов, так и локализации аварии условно выделить следующие основные ситуации:

- «малая течь ПГ», при которой отсутствует заметное возрастание свободного уровня теплоносителя в соответствующем оборудовании контура или значения давления газа в системе защитного газа;

- «средняя течь ПГ», при которой происходит возрастание и последующая стабилизация в эксплуатационно-безопасных пределах давления в газовой системе контура за счет срабатывания системы локализации течи парогенератора (проектная авария, разрыв одной трубки ПГ полным сечением) без выхода активности за ее пределы;

- «большая течь ПГ», при которой происходит возрастание и последующая стабилизация в эксплуатационно-безопасных пределах давления в газовой системе контура за счет срабатывания системы защиты от превышения давления (запроектная авария, разрыв нескольких трубок ПГ полным сечением) с ограниченным выходом активности за пределы АЭС;

- гипотетическая авария с обрывом большого количества трубок одного, нескольких или всех парогенераторов с выходом активности за пределы АЭС.

С позиций критериев безопасности можно рекомендовать, что для первых трех случаев проектные решения должны обеспечить сохранение ресурсной работоспособности оборудования и контура в целом, а для последнего — соблюдение требований безопасности для аварии такого класса.

Возмущения локальных характеристик в районе контакта определяются, прежде всего, агрегатным состоянием поступающего рабочего тела, а также значениями мгновенного расхода рабочего тела и его производной по времени в месте истечения.

Удобно условно выделить три основных характерных режима истечения: пузырьковый; струйный («факельный»); «предельная» течь.

В случае пузырькового истечения поступление рабочего тела в ТЖМТ осуществляется отдельными пузырьками больших или меньших размеров, с тем или иным агрегатным состоянием, или сериями пузырьков. Возможно, достаточно корректное аналитическое и экспериментальное исследование процессов теплообмена, гидродинамики и структуры двухкомпонентного потока для

7

возможных состояний истекающего рабочего тела: вода, пароводяная смесь, насыщенный или перегретый пар.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что на пароперегревательном участке с условиями рассматриваемых контуров пузырьковое истечение будет реализовываться до определяющего размера отверстия порядка сотен микрон.

Струйное («факельное») истечение по результатам исследований, могут реализовываться с определяющими размерами истечения от сотен микрон до размера, эквивалентного внутреннему диаметру трубки ПГ.

Случай «предельной» течи с вытеснением рабочим телом объема свинца полностью или из большей части объема трубной системы парогенератора требует немедленного прекращения эксплуатации энергоустановки. Реализация такой аварии может привести к полному осушению корпуса аварийного ПГ от ТЖМТ с соответствующим подъемом свободного уровня в других элементах контура.

Влияние аварийного поступления рабочего тела на характеристики оборудования и реакторного контура в целом определяются размером и местом течи, мощностным режимом энергоустановки и др. В разделе приводятся результаты качественного анализа сопутствующих процессов, а именно: изменение поля давлений и пульсаций давления в контуре ТЖМТ, изменение гидравлических характеристик контура, возрастание и колебания свободного уровня ТЖМТ, изменение условий теплообмена в оборудовании, изменение нейтронно-физических характеристик активной зоны, влияние радйолиза молекул воды и химического взаимодействия в системе свинцовый теплоноситель +Н20+примеси+конструкционные материалы, влияние поступления рабочего тела в реакторный контур на другие характеристики оборудования.

В третьей главе представлены концептуальные научно-технические решения РУ со свинцовым теплоносителем по тракту циркуляции теплоносителя, схеме и оборудованию второго контура РУ, газовому контуру, системам локализации и защиты от превышения давления, а также по парогенератору РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО.

В качестве наиболее оптимальной, обоснована схема с баковой компоновкой активной зоны с расположением автономных групп парогенератор-насос в отдельных кессонах, связанных неотсекаемыми каналами с напорным и сливным коллекторами реактора. Напор, создаваемый главными циркуляционными насосами обеспечивает подачу теплоносителя от всаса насоса до свободного уровня напорного коллектора. Дальнейшее движение теплоносителя вдоль циркуляционного контура осуществляется за счет разницы статических высот свободных уровней теплоносителя в реакторе и в баках главных циркуляционных насосов.

Рассмотрена двухконтурная энергетическая РУ, возможность перехода к которой от трехконтурной схемы определяется свойствами свинцового теплоносителя такими как: высокая температура плавления и плотность, негорючесть, умеренные значения теплопроводности и объемной теплоемкости, химическая инертность при контакте с воздухом и водой.

8

Представлены требования к конструктивным элементам газового объема реакторного блока, связанные с наличием парогенератора в составе жидкометаллического реакторного контура с баковой компоновкой с учетом потенциально возможной аварии «межконтурная неплотность ПГ».

Рассмотрены две важные для безопасности системы, а именно: система локализации течи ПГ и система защиты реактора от превышения давления, основными задачами которых является удержание радиоактивности и предотвращение переопрессовки газового объёма реактора при разгерметизации труб парогенератора.

В четвертой главе, состоящей из пяти разделов, представлены результаты комплекса экспериментальных, теоретических и расчетных исследований

процессов, сопровождающих

аварию «межконтурная

неплотность парогенератора». В первом разделе представлены результаты экспериментальных исследований распределения

размеров пузырей «легкой» фазы, распределения скоростей

движения и частоты следования пузырей в составе

двухкомпонентного потока свинец — «легкая» фаза, его структуры при подаче газа и рабочего тела в «свободный» объем свинца, под систему змеевиков — имитаторов трубной системы ПГ и в объем свинца в имитаторе трубной системы ПГ.

Основной целью

экспериментов являлись

исследования различии в характеристиках двухкомпонентных потоков свинцовый теплоноситель - рабочее тело при подаче рабочего тела на барботаж в свободный объем свинца в емкости и при подачи рабочего тела в объем свинца ниже змеевика и между витками змеевика.

Получены результаты экспериментальных исследований характеристик двухкомпонентных потоков свинец - газ аргон, свинец — пар, - пароводяная смесь, - конденсат рабочего тела при подачах рабочего тела через отверстия истечения диаметром 0,6 мм и 1,0 мм с температурой 95 — 250°С при давлении до 24,0 МПа, расходе рабочего тела 0,3 - 30,0 г/с, на барботаж в свинец с температурой 400550°С при заглублении отверстия истечения 100 мм - 3000 мм под свободный уровень свинца. Исследования проводились при подаче газа и рабочего тела в «свободный» объем свинца, под систему змеевиков - имитаторов трубной системы ПГ высотой 600 мм и в объем свинца в имитаторе трубной системы ПГ.

Сопло истечения диаметром 0,6 мм, расположенное на боковой поверхности сопловой трубы, ориентировалось по направлению к центру змеевика (рис.1).

9

__

Направлепис ' ^_____ выхода из сопла ^^^^ ? Место -1 ; устаповки ; сопловой трубы

ЧШ^ / 1 1 /77/ , 1 у/

- —Фь- -©г,- -Фг -

4

Рисунок 1 - Направляющая решетка с номерами фиксированных точек установки измерительного зонда

Полученные результаты и их сравнительный анализ позволяют сделать следующие выводы:

а)

с)

Ь)

<1)

Рисунок 2- Примеры гистограмм распределения длин хорд рабочего тела при барботаже пароводяной смеси с установленным имитатором трубной системы ПГ: а) Серия 1 (Точка№1), б) Серия 2(Точка№1), с) Серия 3 (Точка№1), с!) Серия 4(Точка№3) экспериментальных исследований. Глубина установки зонда 100 мм

с)

Ьмиеич I

Ь) 6)

Рисунок 3 - Примеры гистограмм распределения скоростей всплытия пузырей рабочего тела при барботаже пароводяной смеси с установленным имитатором трубной системы ПГ: а) Серия 1 (Точка№ 1), б) Серия 2(Точка№1), с) Серия 3 (Точка№1), <1) Серия 4(Точка№3) экспериментальных исследований. Глубина установки зонда 100 мм

- Размеры пузырей в составе двухкомпонентного потока при подаче рабочего тела в свободный объем теплоносителя и в объем свинца с установленным имитатором трубной системы ПГ (рис.2) примерно одинаковы в аналогичных условиях. Формы гистограмм распределения длин хорд имеют схожую форму. Основная доля пузырей имеют хорды длиной 1,0 — 5,0 мм.

- С установленным змеевиком были зафиксированы меньшие скорости всплытия пузырей в сравнении с серией исследований, когда змеевик не устанавливался. Примеры гистограмм распределения скоростей всплытия пузырей рабочего тела при барботаже пароводяной смеси в объем свинца с установленным имитатором трубной системы ПГ представлены на рис.3.

- При установленном змеевике при подаче рабочего тела в свинец не зафиксировано заметного увеличения частоты следований пузырей в зависимости от глубины установки зонда. Также не происходило существенного увеличения частоты следования пузырей вблизи поверхности теплоносителя. Эта характеристика двухкомпонентного потока несколько отличается от аналогичной характеристики при подаче газа и рабочего тела в «свободный» объем свинца.

Установка змеевика имитатора трубной системы ПГ привела к изменению следующих характеристик по сравнению с ранее проведенными исследованиями:

- к уменьшению средних скоростей всплытия газовых пузырей;

- к уменьшению выбросов свинца с поверхности в газовый объем («успокоению» поверхности);

- к уменьшению частоты следования зафиксированных пузырей;

- к локализации присутствия газовой фазы в объеме теплоносителя, сосредоточенной вблизи места истечения рабочего тела в поток теплоносителя;

к увеличению неравномерности и неоднородности структуры двухкомпонентного потока, свинцовый теплоноситель - рабочее тело.

Второй раздел содержит расчетно-экспериментальные исследования характеристик контактного теплообмена в системе свинец — рабочее тело.

При поступлении в свинец конденсата и пароводяной смеси с температурой 355°С (температура питательной воды) и более, вследствие уменьшения давления с около 30,0 МПа (давление питательной воды) до 0,8 МПа и менее (давление в свинце в зависимости от величины заглубления места истечения под свободным уровнем свинца), часть воды из объема капли будет испаряться, образуя паровую прослойку вокруг капли конденсата, деформируя и частично разрушая ее.

Пример численного решение уравнения, описывающего испарение капли воды в свинце при определенных допущениях в центральном канале ПГ РУ типа

БРЕСТ (в центральном канале и теплоноситель, и рабочее тело имеют наименьшую температуру) представлен на рис. 4, 5.

2 1

2Рисунок 4. Численное решение уравнения

5для начального диаметра капли воды 10 мм (1),

0 11 мм (2) при заглублении отверстия истечения

под уровень свинца на 500 мм при его температуре около 500 °С.

°"01 0 100 200 300

и с 11

Теоретическое представление процесса испарения капли воды в свинце для начальных диаметров капли конденсата 1 мм (Кшч = 0,5 мм) и 10 мм (Я„ач = 5 мм) и глубины истечения 0,5 под уровнем свинца представлено на рисунке 4.

Рисунок 5. Зависимость суммарного теплового потока (/), конвективной составляющей (2) и составляющей излучения (3) от времени при испарении капли воды начальным радиусом 0,5 мм

На рисунке 6 представлена зависимость длительности испарения капли конденсата от начального диаметра капли.

Рисунок 6. Численное решение уравнения для начального диаметра капли воды 10 мм (1), 1 мм (2) при заглублении отверстия истечения под уровень свинца на 500 мм при его температуре около 500 °С

На рис. 6 видно, что длительность испарения капли максимальным радиусом 10 мм составляет — 10 мин, радиусом 0,1 мм ~ 1,5 с. Оценка продолжительности Як, мм жизни капли воды в объеме свинца и

дальность пути переноса с потоком теплоносителя может быть определена путем сравнения длительности испарения воды в пузыре со временем его нахождения в объеме свинца и продолжительностью движения в составе двухкомпонентного потока до момента сепарации на свободной поверхности свинца.

На рисунке 7 представлен результат расчета скорости всплытия рабочего тела, где под отрицательными значениями понимается движение рабочего тела из

места течи по направлению к выходному патрубку ПГ.

Рисунок 7 - Скорость всплытия рабочего тела

Из рисунка 7 следует, что пузыри с размером до 11,5 мм будут увлекаться потоком теплоносителя и выводиться из ПГ через выходной патрубок.

С целью экспериментальной оценки коэффициента теплопередачи

Диамсір киї їли. мм

при прямоконтактном испарении рабочего тела в свинце проведено измерение температуры свинца при длительном барботаже неизменяющегося (фиксированного) расхода конденсата рабочего тела. Сущность эксперимента заключалось в определении разницы в скоростях снижения температуры свинца в емкости без подачи рабочего тела на барботаж и с подачей конденсата рабочего тела на баботаж. Из этих данных вычислялось тепло, затраченное на испарение конденсата, величина которого сравнивалась с величиной тепла полного испарения барботируемого конденсата, и определялось количество конденсата, которое не испарилось и в виде конденсата выносилось с паром в объем выше свободного уровня свинца. Количеством тепла, переданного пару после испарения конденсата, в оценках пренебрегали. Барботаж осуществлялся при отключенном обогреве экспериментальной емкости, таким образом, отвод тепла от свинца осуществлялся за счет испарения (частичного или полного) рабочего тела и за счет тепловых потерь. Определенная величина тепловых потерь в аналогичных условиях составила 2,38 кВт.

На рисунках 8 и 9 представлены график снижения температуры свинцового

Рисунок 8 - Снижение температуры Рисунок 9 - Скорость снижения

свинца при барботаже рабочего тела температуры свинца при барботаже

рабочего тела

теплоносителя в емкости и скорости снижения температуры свинца при барботаже рабочего тела. За нулевой момент времени принят момент отключения

обогрева экспериментальной емкости. Барботаж рабочего тела был начат за несколько минут до отключения обогрева. С учетом измеренных мощности, отводимой при барботаже воды (4,29 кВт), средней скорости всплытия пузырей (0,3 м/с), расхода барботируемого рабочего

Рисунок 10. Расчетная зависимость коэффициента теплопередачи от радиуса капли воды

тела (30 кг/ч), заглубления отверстия 13

Як, мм

истечения (1 м) и распределения размера капель, представленного на ¡эис. ^10, экспериментальный коэффициент теплопередачи составил 145 Вт/(м С). Численное решение уравнения, описывающее испарение капли воды в свинце с

учетом распределения капель воды по размеру и изменению их массы приводит к

2 0

коэффициенту теплопередачи 156Вт/(м ■ С).

Проведенные расчетно-экспериментальные исследования характеристик контактного теплообмена в системе свинец - рабочее тело показали:

- при поступлении в свинец питательной воды вследствие уменьшения давления часть рабочего тела будет испаряться, образуя паровую прослойку вокруг капель, при этом температура конденсата в капле понижается до значения температуры насыщения;

- . экспериментально полученный и расчетно определенный коэффициент

2 0 2 0

теплопередачи составили 145 Вт/(м С) и 156 Вт/(м С). Близость коэффициента теплопередачи, определенного расчетно-экспериментально при диаметре капли немного больше 1 мм (рис. 10), свидетельствует о качественном соответствии теоретической модели теплообмена реальным условиям;

- длительность испарения капли максимальным радиусом 10 мм составляет ~ 10 мин, радиусом ОД мм ~ 1,5 с;

- Установлено, что в зависимости от условий экспериментов пульсации температуры перестают фиксироваться на подъемном участке потока начиная с высоты 0,4 — 0,5 м, что объясняется диспергированием капель до размера 0,5 мм и менее, при котором их перестают идентифицировать микротермопары термозонда.

При течи рабочего тела из теплообменных труб ПГ возможно опускное (вместе с теплоносителем) движение капель рабочего тела. Пузыри диаметром более 11,5 мм, испаряясь, всплывают, преодолевая опускное течение теплоносителя;

Третий раздел содержит экспериментальные данные по скорости распространения границы раздела сред в зависимости от геометрии ячейки парогенератора при поступлении рабочего тела (вода, пароводяная смесь, пар) в свинцовый теплоноситель.

Анализ результатов, полученных при движении границы раздела сред рабочее тело — ТЖМТ в «свободной» ячейке ПГ, показал, что рекомендации, основанные на консервативном подходе при пренебрежении гидравлическим сопротивлением ячейки, могут привести к значительному неоправданному усложнению конструкции элементов ПГ для обеспечения прочности при рассматриваемой аварии. Было принято решение изменить конструкцию экспериментального участка и ввести в зазор между чехловой трубой и трубкой подвода рабочего тела дроссель, имитирующий гидравлическое сопротивление ячейки парогенератора

При тех же условиях экспериментов средняя скорость движения границы раздела фаз составила 4-6 м/сек, что почти на порядок меньше, чем в предыдущих сериях (без дросселя). Существенно изменился характер процесса - не наблюдались имевшиеся ранее низкочастотные колебания емкости с ТЖМТ, резко снизился уровень шума, увеличилось количество мелкодисперсной фазы

14

свинца, выносимого с паром через сбросную трубу, отсутствовали случаи разрушения элементов конструкций.

Четвертый раздел содержит методику косвенного определения напряженно-деформированного состояния материала модельной трубы ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО при истечении рабочего тела в свинец при температуре 450°С, результаты экспериментально-расчетного исследования ее напряженно-деформированного состояния.

Исследование НДС элементов ПГ со свинцовым теплоносителем при течи ПГ встречает большие трудности для непосредственного измерения деформации труб. Это связано с высокой температурой теплоносителя и ограниченным пространством. Поэтому, для оценки НДС предлагается использовать косвенные экспериментально-теоретические методы.

Рисунок 11. Расположение труб экспериментальной сборки стенда ФТ-31ТПГД по исследованию напряжённо деформированного состояния

1 - сопловая труба; 2 - труба с датчиками ускорения; 3, 4, 5, 6 - несущие трубы; 7 — зонд газосодержания; 8 — опора крепления модели трубной системы; 9 — 13 — отверстия во фланце; 14 — фланец; 15 — корпус модели трубной системы.

Экспериментально определяются

параметры, характеризующие НДС, а теоретически определяется

непосредственно НДС трубы.

Проведенный эксперимент

ограничивался моделированием соответствующих процессов на участке опускных труб, расположенных в центральной области парогенератора. В модели опускного участка центрального канала ПГ выбор диаметра и толщины стенки трубок был сделан исходя из «чувствительности» трубы к внешней нагрузке.

Модель трубной системы центрального канала ПГ собиралась из тонкостенных труб 028x1,5 из стали 08Х18Н10Т. Шаг треугольной решётки труб — 34 мм определялся необходимостью размещения зонда (010 мм) в треугольной ячейке модели. Модельные трубы размещались в опорных плитах из стали 3 толщиной 10 мм. Истечение рабочего тела осуществлялось через отверстие, равноудаленное от верхней и нижней плит. В плитах имелись отверстия для прохода теплоносителя и рабочего тела.

В модели трубной системы трубы №3 — №6 (рис. 11) являлись несущими стойками и были приварены к плитам. На отдельных этапах помимо приваренных труб №3 — №6 в модель устанавливалась труба №2, на которой размещались средства измерения. Незакрепленной трубой являлась сопловая труба №1 — труба с отверстием истечения 2 мм, которая могла перемещаться по высоте и

15

поворачиваться вокруг своей оси при повороте всей конструкции. Для моделирования затеснённого пространства в сборке на соответствующих этапах устанавливались остальные трубы.

Программа испытаний включала следующие основные этапы:

— статические испытания, направленные на установление взаимосвязи между перемещениями в сечении трубы в районе истечения рабочего тела и перемещениями свободного конца трубы;

— исследования напряженно-деформированного состояния труб в свинцовом теплоносителе при воздействии струи рабочего тела.

При исследовании действия струи рабочего тела на систему труб в свинцовом теплоносителе датчики ускорений размещались на конце трубы во взаимно перпендикулярных направлениях таким образом, чтобы направление измеряемого ускорения и направление струи совпадали. Один из датчиков размещался перпендикулярно направлению струи.

Из записей амплитуд ускорений в зависимости от частоты колебательного процесса при давлении в диапазоне 3,92-7,85 МПа, расходе от 0,6 до 0,85 м3/ч выделены высокочастотные колебания с отдельными всплесками до 78 м/с2 при частоте около 140 — 320 Гц. Эти колебания попадают в диапазон собственных частот III тона.

В результате проведенных исследований отработана методика косвенного определения напряженно-деформированного состояния материала модельной трубы ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО при истечении рабочего тела в свинец при температуре 450°С через отверстие 2,0 мм под перепадом давления до и после сопла истечения около 7,5 МПа и расходом 0,85 м3/ч.

Проведенные экспериментально-расчетные исследования напряженно-деформированного состояния модельной трубы центрального канала ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО показали достаточную прочность трубы, оказавшейся под действием струи рабочего тела (конденсат при ? к 50°С) под уровнем свинцового теплоносителя при давлении перед соплом истечения до 7,8 МПа и расходе до 0,85 м3/ч. Определенные экспериментально-расчетным способом величины напряжений материала модельной трубы не превысили предельно допустимых напряжений, определяемых нормами расчета на прочность оборудования и труб атомных энергетических установок.

Результаты экспериментов могут быть использованы для пересчета нагрузок на натурную конструкцию.

Пятый раздел содержит экспериментальные данные по конденсации пара в модели конденсатора емкостного типа с толстостенными трубами в качестве заполнителя и результаты расчета кодом ВСПЛЕСК эксперимента и параметров РУ в аварии с разрывом одной трубки парогенератора.

В РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО для ограничения в допустимых пределах выброса радиоактивности в окружающую среду и обеспечения защиты реактора от превышения допустимого давления предусмотрены две важные для безопасности системы, а именно: система локализации течи ПГ и система защиты реактора от превышения давления.

В составе оборудования системы локализации течи парогенератора (СЛТП) имеется теплоёмкостный конденсатор. Для обоснования работоспособности

16

системы в НИКИЭТ были проведены эксперименты с моделью конденсатора теплоёмкостного типа.

Исследования проводились в НИКИЭТ на теплофизическом стенде конденсации пара СКП.

Работы на стенде проводились в два этапа:

- эксперимент без рассекателя потока,

- эксперимент с рассекателем потока.

Оба этапа имели одинаковую последовательность: перед началом эксперимента производился прогрев бака-ресивера острым паром от котельной 350°С. При достижении температуры стенки бака-ресивера, близкой к температуре пара, прекращался расход пара, и ресивер продувался сжатым воздухом. После продувки в бак-ресивер подавался пар с расходом 2,8x10"3 кг/с. Из бака-ресивера паровоздушная смесь через электронагреватель, где происходит нагрев до температуры 450°С, поступала на вход в рабочий участок. Регистрация параметров проводилась с периодичностью 2 секунды.

По достижении температуры в сборной ёмкости 100°С прекращалась подача острого пара и производилось расхолаживание установки естественной конвекцией. Регистрация параметров при расхолаживании проводилась с периодичностью 1+2 минуты.

В процессе проведения экспериментов производилась запись распределения температур по трубному пучку и разность давлений между входным патрубком и сборной ёмкостью.

Помимо экспериментального обоснования работоспособности системы, проводилось расчётное обоснование безопасности РУ с помощью теплогидравлического кода - ВСПЛЕСК.

Для посттестового расчёта был выбран эксперимент с рассекателем, который наиболее близок к проекту системы локализации течи парогенератора

Сравнение результатов (рис. 12) показывает, что расчёты кодом ВСПЛЕСК

Рисунок 12. Отклонение расчётных Рисунок 13. Давления по расчётным значений давления по ВСПЛЕСК объёмам. ВСПЛЕСК от эксперимента

для конденсации пара на трубном пучке СЛТП должны быть ограничены по времени 900 секундами, т.е. временем в 1,5 раза превышающим длительность проектной течи парогенератора БРЕСТ.

На начальном отрезке (рие.13) времени наблюдается всплеск давления характерный для переходного процесса при вытеснении воздуха паром. Затем следует падение до атмосферного давления, на этом отрезке времени парогазовая среда достигает трубного пучка, на котором начинается конденсация, что приводит к снижению давления. По мере прогрева металла труб снижается конденсация пара и начинается рост давления по расчётным объёмам. Расход парогазовой среды на выходе из трубного пучка возрастает.

За время «пробоя» трубного пучка, как и в эксперименте, принято достижение температуры в сборной ёмкости 100°С. Экспериментальная и расчётная кривые пересекаются на 100°С с погрешностью в несколько секунд.

Таким образом, показана возможность применения кода ВСПЛЕСК для расчёта системы локализации течи парогенератора с коэффициентом теплоотдачи на трубном пучке 150 Вт/(м2 ° С) и ограничением расчетного времени конденсации 900 секундами.

Выполненные расчеты для одиночного разрыва трубы ПГ с длительностью течи 600 секунд показали, что давление в газовых полостях реактора и парогенераторов не превышает 117 кПа (абс.). Выброс состоит из «чистого» аргона, вытесняемого из системы локализации, а пар конденсируется в теплоёмкостном конденсаторе. Таким образом, разработанная система локализации течи парогенератора справляется с данным исходным событием.

В пятой главе предложены рекомендации к контуру циркуляции свинцового теплоносителя, схемным решениям контура рабочего тела, конструкции парогенератора, газовой системе, системам локализации и защиты реактора от превышения давления, составу датчиков контроля, обеспечивающих безопасность РУ при разгерметизации трубок ПГ, а также к алгоритмам идентификации аварии «межконтурная неплотность» ПГ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Определены и проанализированы процессы, возникающие в циркуляционном контуре, в газовом объеме ядерного реактора в зависимости от размера и района межконтурной неплотности и установлены требования к схемно-компоновочным решениям реакторной установки со свинцовым теплоносителем, учитывающие межконтурную неплотность парогенератора.

2. Предложены основные конструктивные решения РУ со свинцовым теплоносителем по тракту циркуляции теплоносителя, схеме и оборудованию второго контура РУ, газовому контуру, системам локализации и защиты от превышения давления, а также по парогенератору двухконтурной РУ БРЕСТ-ОД-300, учитывающие аварийные ситуации с течью ПГ.

3. Проведен комплекс экспериментальных, теоретических и расчетных исследований процессов, сопровождающих аварию «межконтурная неплотность парогенератора» со следующими результатами:

Экспериментально определены распределения размеров пузырей «легкой» фазы, распределения скоростей движения и частоты следования пузырей в составе двухкомпонентного потока свинец — «легкая» фаза, его структура при подаче газа и рабочего тела в «свободный» объем свинца, под систему змеевиков — имитаторов трубной системы ПГ высотой 600 мм и в объем свинца в имитаторе

18

трубной системы ПГ. Показано влияние конструкции участка парогенератора на характеристики процесса сепарации «легкой» фазы из свинца.

Экспериментально и расчетно определен коэффициент теплопередачи при контактном теплообмене свинцовый теплоноситель — рабочее тело. Показано качественное соответствие теоретической модели теплообмена реальным условиям.

Экспериментально показано, что динамические усилия на конструктивные элементы парогенератора при аварии «большая» течь ПГ могут быть значительно (на порядки) снижены при уменьшении доли, занятой ТЖМТ в площади поперечного сечения ячейки ПГ, при закрутке потока в ячейке парогенератора, при установке дроссельных решеток в камерах ПГ.

Экспериментально-расчетным методом определены величины напряжений материала модельной трубы ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО при истечении рабочего тела в свинец при температуре 450°С через отверстие 2,0 мм под перепадом давления до и после сопла истечения около 7,5 МПа и расходом 0,85 м3/ч, которые не превысили предельно допустимых напряжений, определяемых нормами расчета на прочность оборудования и труб атомных энергетических установок. Результаты экспериментов могут быть использованы для пересчета нагрузок на натурную конструкцию.

Показана возможность применения кода ВСПЛЕСК для расчёта системы локализации течи парогенератора с коэффициентом теплоотдачи на трубном пучке конденсатора 150 Вт/(м2 °С) и ограничением расчетного времени конденсации 900 секундами.

4. Предложены рекомендации к схемным и конструктивным решениям РУ, обеспечивающих ее безопасность при разгерметизации трубок ПГ, а также к алгоритмам идентификации аварии «межконтурная неплотность» ПГ реакторной установки со свинцовым теплоносителем.

Основные публикации по теме диссертации

В рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. The next generation of fast reactors / E.O. Adamov, V.V. Orlov, V.N. Leonov [et al] // Nuclear Engineering and Design. 1997. Vol. 173, N 1-3. P. 143-150.

2. Особенности контура циркуляции свинцового теплоносителя реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО / В.Н. Леонов, А.А. Пикалов, А.Г. Сила-Новицкий [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспечение безопасности. АЭС. Ядерные технологии для энергетики будущего. 2004.Вып. 4. С. 73-79.

3. Газовый контур реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО и связанные с ним системы /А.И. Филин, В.Н. Леонов, З.И. Емельянцева [и др.] / Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспечение безопасности. АЭС. Ядерные технологии для энергетики будущего. 2004.Вып. 4. С. 100-105.

4. Системы локализации и защиты реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО от превышения допустимого давления в газовом объеме / А.И. Филин, В.Н. Леонов, М.А. Петрушин [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспечение безопасности. АЭС. Ядерные технологии для энергетики будущего. 2004.Вып. 4. С. 106-112.

5. Обоснование технологии свинцового теплоносителя для реакторов БРЕСТ / А.Д. Ефанов, Ю.И. Орлов, В.Н. Леонов [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспечение безопасности. АЭС. Ядерные технологии для энергетики будущего. 2004. Вып. 4. С.185-190.

6. Коррозионные и механические свойства конструкционных материалов реактора / В.Я. Абрамов, С.Н. Бозин, В.Н. Леонов [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспечение безопасности. АЭС. Ядерные технологии для энергетики будущего. 2004. Вып. 4. С. 219-223.

7. Детерминистическая безопасность реакторов БРЕСТ / В.В. Орлов, B.C. Смирнов, В.Н. Леонов [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспечение безопасности. АЭС. Ядерные технологии для энергетики будущего. 2004. Вып. 4. С. 80-90.

8. Конструктивные и компоновочные решения основных узлов и оборудования реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО / В.Н. Леонов, A.A. Пикапов, A.A. Сила-Новицкий [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспечение безопасности. АЭС. Ядерные технологии для энергетики будущего. 2004. Вып. 4. С.65-72.

9. Коррозионно-механическая прочность конструкционных материалов в контакте с жидким свинцом / А.Д. Каштанов, B.C. Лаврухин, В.Н. Леонов [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Обеспечение безопасности. АЭС. Ядерные технологии для энергетики будущего. 2004. Вып. 4. С. 224-231.

10. Реактор БРЕСТ и пристанционный ядерный топливный цикл / А.Г. Глазов, В.Н.Леонов, В.В. Орлов [и др.] // Атомная энергия. 2007. Том 103, вып.1. С. 15-21.

11. Каштанов А,Д., Марков В.Г., Леонов В.Н. Кинетика роста трещин при циклическом нагружении в контакте с жидким свинцом при температуре 360-420 0 С // Вопросы материаловедения. 2007. N 3 (51). С. 308-319.

В других изданиях:

12. Задачи и требования к конструкции опытно-демонстрационного реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО / В.В. Орлов, B.C. Смирнов, В.Н. Леонов [и др.] // Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях: материалы науч. конф., Обнинск, 3-9 окт. 1998г. Обнинск, ГНЦ РФ ФЭИ, 1998. С. 450-457.

13. Экспериментальное исследование процессов, сопровождающих аварийную ситуацию «межконтурная неплотность парогенератора» в контурах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителем / A.B. Безносов, В.Н. Леонов, В.И. Рачков [и др.] // Ядерные реакторы на быстрых нейтронах: материалы науч. конф., Обнинск, 8-12 дек. 2003. 1 электрон, опт. диск (CD - ROM).

14. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния элементов трубной системы ПГ РУ БРЕСТ при аварии «течь ПГ» / Т. А. Бокова, А. В. Безносов, В. Н. Леонов [и др.] // Теплогидравлические аспекты безопасности ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах: материалы науч. конф., Обнинск, 16-18 нояб. 2005. 1 электрон, опт. диск (CD - ROM).

Усл.п. л. - 1.0 Заказ №08581 Тираж: ЮОэкз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 wvvw.chertez.ru

61 12-5/3626

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»

На правах рукописи

к

Леонов Виктор Николаевич

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ АВАРИЮ «МЕЖКОНТУРНАЯ НЕПЛОТНОСТЬ ПАРОГЕНЕРАТОРА» И РЕКОМЕНДАЦИИ К СХЕМНЫМ И КОНСТРУКТИВНЫМ РЕШЕНИЯМ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ СО СВИНЦОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук Калякин С.Г.

Нижний Новгород - 2012

Оглавление Стр.

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОБЛЕМ И 19

КОНЦЕПТУАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ В

СОСТАВЕ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК С

ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ.

1.1 Проблемы парогенераторов в реакторных установках с натриевым 19 теплоносителем.

1.2 Проблемы парогенераторов реакторных установок со свинцово- 24 висмутовым теплоносителем.

1.3 Постановка задач исследований применительно к реакторным 29 установкам энергоблоков АЭС, охлаждаемых свинцовым теплоносителем.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ 31 ПОСТУПЛЕНИЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА В РЕАКТОРНЫЙ КОНТУР БАКОВОЙ КОМПОНОВКИ СО СВИНЦОВЫМ

ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ.

2.1 Общие понятия. 31

2.1.1 Характеристики процессов в зависимости от размера и района 31 межконтурной неплотности парогенератора.

2.1.2 Локальные процессы в контуре ТЖМТ в районе течи ПГ. 34

2.1.3 Изменение характеристик контура циркуляции и в газовом объеме 40 РУ

2.1.3.1 Изменение поля давлений и пульсаций давления в контуре 40 ТЖМТ.

2.1.3.2 Изменение гидравлических характеристик контура и 42 вибрационных характеристик оборудования.

2.1.3.3 Возрастание и колебания свободного уровня ТЖМТ. 44

2.1.3.4 Изменение условий теплообмена в оборудовании. 45

2.1.3.5 Изменение нейтронно-физических характеристик активной зоны. 46

2.1.3.6 Влияние радиолиза молекул воды и химического взаимодействия 47 в системе свинцовый теплоноситель +Н20+примеси+конструкционные материалы.

2.1.3.7 Влияние поступления рабочего тела в реакторный контур на 48 другие характеристики оборудования.

Выводы по главе 2. 49

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ И 50 ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ СО СВИНЦОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ БРЕСТ-ОД-ЗОО,

УЧИТЫВАЮЩИЕ «МЕЖКОНТУРНУЮ НЕПЛОТНОСТЬ ПАРОГЕНЕРАТОРА».

3.1 Схемно-компоновочные решения основного тракта циркуляции 50 теплоносителя.

3.2 Требования к параметрам рабочего тела. Схема и оборудование 52 второго контура РУ.

3.3 .Парогенератор установки БРЕСТ - ОД - 300. 55

3.4 Требования к газовому объему и системам РУ. 58

3.5 Конструктивные решения по системам РУ. 61 Выводы по главе 3. 65 ГЛАВА 4. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 67 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ АВАРИЮ «МЕЖКОНТУРНАЯ НЕПЛОТНОСТЬ ПГ»

4.1 Экспериментальные исследования характеристик 67 двухкомпонентных течений свинцовый теплоноситель - рабочее тело (газ).

4.1.1 Описание экспериментального стенда (ФТ31-ТПГ). Программа 67 экспериментальных исследований.

4.1.2 Методика измерений и обработки результатов испытаний. 78 4.1.2.1 Барботаж с подачей инертного газа (аргона) в «свободный» 80 объем свинцового теплоносителя.

4.1.2.2 Барботаж с подачей рабочего тела (пароводяной смеси, пара) в 84 «свободный» объем свинцового теплоносителя

4.1.2.3 Барботаж с подачей конденсата рабочего тела в «свободный» 93 объем свинцового теплоносителя.

4.1.2.4 Барботаж с подачей рабочего тела в объем свинца с 101 установленным змеевиком - имитатором трубной системы ПГ.

4.1.3 Оценка погрешности измерений длин хорд и скорости всплытия 108 пузырей.

4.2 Расчетно-экспериментальное исследование характеристик 109 контактного теплообмена в системе свинец - рабочее тело.

4.2.1 Анализ процесса испарения капли воды, находящейся в объеме 110 свинцового теплоносителя.

4.2.2 Экспериментальное исследование характеристик теплообмена 118 между свинцом и поступающим в него рабочим телом.

4.2.3 Оценка погрешности измерения температуры. 125

4.3. Экспериментальные исследования скорости подъема границы 126 раздела сред при поступлении рабочего тела в ячейку ПГ со свинцовым теплоносителем.

4.3.1 Описание экспериментального стенда и методики экспериментов. 126

4.3.2 Исследование скорости движения границы раздела рабочее тело - 130 ТЖМТ.

4.4. Расчетно-экспериментальные исследования напряженно- 134 деформированного состояния моделей труб центрального канала

ПГ при аварии «межконтурная неплотность ПГ» РУ БРЕСТ-ОД-300.

4.4.1 Экспериментальный стенд и методика проведения исследований. 134

4.4.2 Экспериментальное обоснование расчетной модели. 142

4.4.3 Экспериментальное исследование воздействия струи рабочего тела 152 в свинцовом теплоносителе.

4.4.4 Расчетно-экспериментальное определение напряженно- 160

4

деформированного состояния.

4.5. Расчетно-экспериментальные исследования 166

функционирования систем локализации и защиты от превышения давления при разрыве труб парогенератора.

4.5.1 Экспериментальные исследования теплофизических процессов в 167 конденсаторе емкостного типа.

4.5.2 Настройка кода ВСПЛЕСК по посттестовым расчётам 189 эксперимента.

4.5.3 Результаты теплогидравлического расчета функционирования 191 системы локализации при разрыве одной трубы парогенератора.

Выводы по главе 4. 195

ГЛАВА 5. ОСНОВНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К АЛГОРИТМАМ 199 ИДЕНТИФИКАЦИИ АВАРИИ «МЕЖКОНТУРНАЯ

НЕПЛОТНОСТЬ ПГ», СХЕМНЫМ И КОНСТРУКТИВНЫМ РЕШЕНИЯМ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ СО СВИНЦОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ.

199

5.1 Рекомендации к схемным и конструктивным решениям.

5.2 Рекомендации к алгоритмам действий систем автоматики и 201 эксплуатационного персонала.

Выводы по главе 5. 204

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 205

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 207

Список принятых сокращений

АЛЛ - атомная подводная лодка

АЭС - атомная электростанция

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

АТС и МИ - кафедра «Атомные тепловые станции и медицинская инженерия» БН - быстрый натриевый реактор БР - быстрый реактор

БРЕСТ-ОД-ЗОО - быстрый реактор со свинцовым теплоносителем опытно-демонстрационный, электрической мощностью 300 мВт ВАНТ - журнал «Вопросы атомной науки и техники» ГО - газовый объем

ГНЦ РФ ФЭИ - государственный научный центр Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского ГЦП - главный циркуляционный насос

ДАК - датчик измерения термодинамической активности кислорода

ЗТЦ - замкнутый топливный цикл

КВА - коэффициент воспроизводства в активной зоне

КВ - коэффициент воспроизводства

КИУМ - коэффициент использования установленной мощности

КПД - коэффициент полезного действия

МКИ — многоканальный измеритель

МПЦ - многократная принудительная циркуляция

НТП — новая технологическая платформа

НГТУ - Нижегородский государственный технический университет

НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

НДС - напряженно-деформированное состояние

НЙКИЭТ - научно-исследовательский и конструкторский институт

энерготехники

ОКБМ - опытное конструкторское бюро машиностроения

ПГ - парогенератор

ППУ - паропроизводящая установка

ППТО - паропаровой теплообменник

ПЭН - питательный электрический насос

РАО - радиационные отходы

РУ - реакторная установка

САЗ ПГ - система аварийной защиты парогенератора C1Ü1JB — смешивающий подогреватель питательной воды СЗПД - система защиты от превышения давления СЛТП- система локализации течи парогенератора CKÍI - стенд конденсации пара СК - стендовая котельная ТК- теплообменник конденсатор

ТЖМТ - тяжелый жидкометаллический теплоноситель

ТЭС - тепловая электрическая станция

ФЦП - федеральная целевая программа

ЯЭ - ядерная энергетика

ЯЭУ - ядерная энергетическая установка

ЯТЦ- ядерный топливный цикл

Pb-Bi - эвтектический сплав свинца (44,5 %мас.) и висмута (55,5 %мас.) LFR - Lead Fast Reactor (быстрый реактор со свинцовым теплоносителем)

ВЕДЕНИЕ

Будущая ядерная энергетика, которая по своим масштабам должна значительно превышать ее современный уровень, чтобы взять на себя основную долю в приросте производства электроэнергии, только тогда окажется социально приемлемой, когда она будет удовлетворять требованиям высокой безопасности и экономической конкурентоспособности с альтернативными источниками энергии. Ядерная энергетика больших масштабов потребует новой ядерной технологии, которая должна о удовлетворять ряду важнейших требований, таких как: [1-8]:

• неограниченная обеспеченность ЯЭ топливными ресурсами;

• исключение тяжелых аварий с радиационными выбросами, требующими эвакуации населения в основном за счет присущих ядерным реакторам и их компонентам природных качеств, свойств и закономерностей;

• наличие технологических барьеров и физической защиты на пути распространения ядерных материалов оружейного качества;

• экологически безопасное обращение с РАО и их захоронение без нарушения природного радиационного баланса Земли;

• экономическая конкурентоспособность ЯЭ с альтернативными способами производства энергии.

Для решения поставленных задач рассматривается в том числе и быстрый реактор со свинцовым теплоносителем БРЕСТ [9-12]. БРЕСТ - это БР с уран-плутониевым нитридным топливом и свинцовым теплоносителем, с двухконтурной схемой отвода тепла к паровой или газовой турбинам. В настоящее время продолжается разработка проекта опытно-демонстрационного реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО.

Использование в реакторе высококипящего (Ткип=1750°С), радиационно

стойкого и слабо активируемого свинцового теплоносителя, не вступающего в

экзотермические реакции при контакте с водой и воздухом, позволяет

осуществлять теплоотвод при низком давлении, исключает пожары, химические и

тепловые взрывы при разгерметизации контура или перегревах свинцового

8

теплоносителя, течах парогенератора. Высокая температура кипения свинца исключает аварию с неконтролируемым ростом мощности (разгоном реактора), вызванную эффектом большого температурного изменения плотности свинца в активной зоне из-за образования его паровой фазы. Кроме того, малое поглощение и замедление нейтронов в тяжелом свинце позволяет без заметного ухудшения физических характеристик реактора увеличить проходное сечение по теплоносителю и уменьшить гидравлическое сопротивление в активной зоне, что обеспечивает хорошие условия для расхолаживания реактора за счет естественной циркуляции теплоносителя при отключении принудительной его циркуляции насосами.

Следствием высокой плотности и теплопроводности мононитридного топлива является его работа при низких температурах (Тмах<1000°С), малом радиационном распухании и выходе из топливной матрицы газовых продуктов деления, что существенно повышает устойчивость топливных элементов к авариям с разгерметизацией их оболочек и попаданием радиоактивных продуктов в свинцовый теплоноситель и далее с выходом в окружающую среду.

В БРЕСТ исключены аварии с разгоном реактора, например, при несанкционированном выводе из активной зоны органов регулирования из-за ошибок персонала или неисправности в системе контроля. Это достигается за счет соответствующего выбора топливной загрузки и конструкции активной зоны, физические характеристики которой, включая запас реактивности, практически не изменяются при выгорании топлива благодаря полной компенсации делящихся изотопов их воспроизводством. При работе реактора с топливом равновесного состава выгорание топлива сопровождается лишь уменьшением содержания урана-238 и увеличением содержания продуктов деления, а изотопные составы и массы плутония и других актиноидов изменяются настолько мало, что в выгружаемом ОЯТ и загружаемом топливе они практически одинаковые. Из-за высокой теплопроводности нитридного топлива мощностной эффект реактивности также мал.

В числе рассматриваемых в рамках Международного форума «Поколение

9

IV» (GIF) шести перспективных реакторных технологий в качестве технологии, обладающей огромным потенциалом как для отдаленных районов, так и в структуре центрального энергоснабжения, определена система LFR, включающая в себя БР с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, работающий в ЗТЦ. В качестве основного варианта теплоносителя рассматривается свинец, К характерным особенностям LFR относятся эффективное воспроизводство делящихся нуклидов и выжигание актиноидов. Считается, что основным назначением LFR станет производство электроэнергии и водорода, а также выжигание актинидов при эффективном соблюдении режима нераспространения. По результатам оценки выбранных вариантов технологий система с реактором LFR была признана наиболее перспективной с точки зрения соответствия четырем основным целям проекта GIF, определенным как:

1 .Устойчивость системы в отношении топливных ресурсов и обращения с

РАО;

2.Экономика;

3.Безопасность и надежность;

4.Устойчивость к распространению ядерного оружия и физическая защита.

При этом система с реактором LFR в отношении обеспечения топливными

ресурсами, обращения с РАО, устойчивости к распространению и физической защиты получила наивысшую оценку, а с точки зрения безопасности и экономики - хорошую.

Учитывая привлекательные характеристики реакторов LFR и принимая во внимание пожелания участников работ по проекту, в планах GIF предусматривается создание комбинированной демонстрационной установки для обеспечения исследований по следующим направлениям — транспортабельной установки малой мощности и установки большой мощности для централизованного энергоснабжения. В рамках программы GIF в работах по LFR участвуют США, Европейский Союз, Япония и Корея.

Особое внимание в НИОКР, по заявлениям европейских участников программы GIF, в работах по LFR будет уделено получению информации по

10

вопросам, связанным со взаимодействием свинца с водой и развитием аварии при разрыве трубок ПГ при сверхкритическом давлении.

Развитие приемлемой для людей будущей крупномасштабной ядерной энергетики на базе инновационных быстрых реакторов, решающих не только проблемы энергообеспечения, но и обращения с радиоактивными отходами и нераспространения ядерного оружия, является актуальной задачей.

Параллельно проекту с быстрым реактором со свинцовым теплоносителем продолжаются работы по совершенствованию проекта быстрого реактора на натриевом теплоносителе (БН), технология которого является промышленно освоенной уже сегодня (БОР-60, БН-350, БН-600 и строящийся реактор БН-800) [13].

Актуальность темы

При обосновании научно-технических решений реакторной установки со свинцовым теплоносителем, содержащего парогенераторы, необходимым условием являются исследования, анализ и проектные решения, обеспечивающие безопасность установки как в номинальных режимах эксплуатации, так и при реализации наиболее потенциально опасных аварийных ситуаций, прежде всего, аварии «межконтурная неплотность» ПГ. Необходимо проведение КОМПЛСК С <3. исследований и проектных проработок, обосновывающих оптимальные схемно-компоповочные решения двухконтурной реакторной установки со свинцовым теплоносителем, выбор оптимальной конструктивной схемы парогенератора, параметров рабочего тела второго контура, разработка концепции системы аварийной защиты парогенератора и научно-обоснованных алгоритмов определения аварии «межконтурная неплотность ПГ» для реакторной установки. Решению указанных научно-технических задач посвящена настоящая диссертация.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является решение вопросов, обеспечивающих безопасность быстрого реактора со свинцовым теплоносителем при аварии «межконтурная неплотность» ПГ.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:

а) проведение аналитического обзора проблем и концептуальных решений парогенераторов в составе реакторных установок с жидкометаллическими теплоносителями;

б) определение и анализ процессов, возникающих в циркуляционном контуре и в газовом объеме ядерного реактора со свинцовым теплоносителем при межконтурной неплотности парогенератора в зависимости от размера и района межконтурной неплотности;

б) разработка концептуальных научно-технических решений РУ со свинцовым теплоносителем по конструктивным решениям тракта циркуляции теплоносителя; принципиальной схеме, составу оборудования и характеристикам второго контура РУ; принципиальной схеме, составу оборудования и характеристикам газового контура; принципиальной схеме, составу оборудования и характеристикам систем локализации и защиты от превышения давления, а также по конструктивным решениям и характеристикам парогенератора двух�