автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка и расчетно-экспериментальные исследования пассивной системы аварийного отвода тепла из защитной оболочки ЯЭУ

На правах рукописи 005044292 /У /

Хизбуллин Ахмир Мугинович

РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАССИВНОЙ СИСТЕМЫ АВАРИЙНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ИЗ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ ЯЭУ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Нижний Новгород - 2012

005044292

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения имени И.И. Африкантова».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Бахметьев Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

Гордон Борис Григорьевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное учреждение «Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности», главный научный сотрудник.

Морозов Андрей Владимирович, кандидат технических наук, Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского», ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Санкт-Петербургский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ».

Защита диссертации состоится « 29 » мая 2012 г. в -/£> час. О О мин. на заседании диссертационного совета ДМ 520.061.01 при Открытом акционерном обществе «Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения имени И.И. Африкантова» по адресу: 603074, г. Нижний Новгород, Бурнаковский проезд, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Открытого акционерного общества «Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения имени И.И. Африкантова».

Автореферат разослан « »апреля 2012.

Ученый секретарь диссертационного совета

"С.М. Дмитриев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие и безопасная эксплуатация реакторных установок атомного ледокольного флота и плавучих энергоблоков, основанных на применении судовых технологий, связаны с разработкой и применением систем, надежно выполняющих функции безопасности в любых аварийных условиях и внешних воздействиях. При этом приоритет отдаётся пассивным системам, не требующим функционирования обеспечивающих, управляющих систем и эксплуатирующего персонала. Особенно это актуально для атомных станций малой мощности, которые, являясь единственными источниками энергии (электрической, тепловой) в регионах с децентрализованным энергоснабжением, должны иметь повышенный уровень безопасности. Подобными системами оснащается большинство современных проектов АЭС, в частности АЭС-2006 (ЛАЭС-2) и АЭС региональной энергетики, что повышает устойчивость их ядерной установки не только к отказу систем электроснабжения, но и к возможным внешним экстремальным воздействиям (падения воздушных транспортных средств, землетрясения и цунами, акты террористического характера и т.д.).

В обеспечении высокого уровня безопасности в проекте атомной теплоэлектростанции на базе плавучего энергоблока с РУ КЛТ-40С специалистами ОАО «ОКБМ Африкантов» разработана пассивная система снижения аварийного давления в защитной оболочке (ССАД ЗО). Функционирование системы основывается на естественной циркуляции (ЕЦ) и не требует дополнительных источников энергии.

Анализ существующих подобных систем и расчетные исследования определили ряд проблемных позиций, связанных с гидродинамической неустойчивостью ЕЦ теплоносителя в контуре охлаждения при низких давлениях и обеспечением эффективного теплоотвода при различных состояниях системы. Они обусловлены, в первую очередь, общеконтурной неустойчивостью ЕЦ при близком к нулю балансном паросодержании в подъёмной ветви контура циркуляции, когда незначительное изменение выходной энтальпии вызывает существенное изменение плотности пароводяной смеси в тяговом участке, который, в основном, и определяет движущий напор ЕЦ. При давлении, близком к атмосферному, этот вид неустойчивости, предсказанный д.т.н. Б.И. Моторовым, усугубляется значительным градиентом гидростатического давления и энтальпии насыщения воды, определяющим при незначительном падении давления бурное вскипание и гейзерный выброс воды из тягового участка контура ЕЦ, расположенного над участком с теплоподводом. Гейзер всегда связан с перегревом воды в нижней части тягового участка и в верхней части ТК относительно температуры насыщения в баке, расположенном над контуром ЕЦ.

Существенную опасность также представляют конденсационные гидроудары в трубопроводах контура охлаждения системы при контакте

паровых включений с водой, имеющей температуру существенно ниже линии насыщения

Со стороны охлаждаемой парогазовой смеси в 30 ухудшение теплоотвода вызывается наличием неконденсирующихся газов, препятствующих эффективному току пара к поверхности трубной системы ТК. В связи с этим, в ряду актуальных стояла задача экспериментального обоснования эффективности работы рассматриваемой системы, разработка решений, устраняющих негативные проявления и получение экспериментального материала для верификации программных средств, используемых при обосновании проектов рассматриваемой системы. Актуальным являлось и создание па базе кода КУПОЛ-М кода КУПОЛ-МТ, адаптированного к проектам судовых РУ.

Целью работы является обеспечение и обоснование безопасности ядерных энергетических установок в авариях с потерей теплоносителя первого контура за счет применения в проектах пассивной системы снижения аварийного давления в защитной оболочке, а также модернизация и усовершенствование адаптированного к проектам транспортных РУ кода КУПОЛ-МТ, его верификация на основе экспериментальных данных, полученных в настоящей работе.

Исходя из общей цели, в работе решались следующие задачи:

- разработка основных технических решений пассивной системы отвода тепла из защитной оболочки;

- разработка экспериментального стенда и экспериментальной модели системы;

- исследования гидродинамической неустойчивости течений в контуре охлаждения, отработка предложенных технических решений по повышению эффективности системы и исключения возникновения конденсационных гидроударов;

- разработка функциональных зависимостей по теплоотдаче при конденсации пара из паровоздушной смеси на внешней поверхности теплообменных труб, уточнение параметров моделей по теплообмену в ПС КУПОЛ-МТ;

- верификация расчетных кодов (КУПОЛ-МТ, РАСНАР-2);

- обоснование безопасности реакторных установок в авариях с потерей теплоносителя применительно к плавучей АТЭС и универсальному атомному ледоколу.

Научная новизна:

- впервые предложена и обоснована пассивная система снижения аварийного давления в 30 применительно к транспортабельным реакторным установкам;

- получены экспериментальные данные по устойчивости работы контура охлаждения;

- впервые предложена конструкция паросбросного устройства, исключающего возникновение конденсационных гидроударов;

- на основе экспериментальных исследований разработаны новые функциональные зависимости по теплообмену.

Обоснованность положений. сформулированных в диссертации основывается на следующем:

- эксперименты выполнены на крупномасштабной полновысотной модели ССАД 30. Диапазон изменения параметров существенно перекрывал диапазон параметров для моделируемой системы;

- предлагаемые выводы и соотношения базируются на результатах экспериментов, проведенных как автором, так и другими исследователями на разных установках. В экспериментальных исследованиях использованы современные апробированные средства измерения;

- предложенные физические модели и соотношения согласуются с современными представлениями о процессах теплообмена и гидродинамики;

- верификация расчетного кода КУПОЛ-МТ проведена на большом объёме локальных и интегральных экспериментов и аналитических тестов.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные автором результаты позволили внедрить в проекты ПАТЭС с РУ КЛТ-40С и универсального атомного ледокола с РУ РИТМ-200 пассивную систему ССАД 30.

Результаты расчетно-экспериментальных исследований использованы при техническом обосновании безопасности проектов РУ КЛТ-40С и РУ РИТМ-200 в авариях с потерей теплоносителя первого контура.

Усовершенствованное и верифицированное автором ПС КУПОЛ-МТ находит широкое практическое применение при обосновании проектов судовых и стационарных АЭС с водо-водяными РУ, использующих системы, подобные ССАД 30.

Личный вклад автора. В процессе выполнения диссертационной работы автором было сделано следующее:

-разработан контур охлаждения ССАД 30 РУ КЛТ-40С и основные компоненты данной системы (теплообменник-конденсатор, трубопроводы контура охлаждения, паросбросное устройство);

- разработаны основные требования к крупномасштабному стенду СПОТ 30 и программа проведеши испытаний на данном стенде;

- выполнена обработка и анализ результатов экспериментов с обоснованием проектных характеристик системы;

- разработаны функциональные зависимости, описывающие интенсивность рассматриваемых процессов теплообмена;

- уточнены параметры моделей по теплообмену на внешней поверхности Б-образных труб теплообменника-конденсатора в ПС кода КУПОЛ-МТ, и выполнена его верификация;

- выполнено расчетное обоснование безопасности РУ КЛТ-40С и РУ РИТМ-200 по параметрам в ЗО в максимальной проектной аварии с потерей теплоносителя первого контура.

Положения, выносимые на защиту:

• конструктивное решение контура охлаждения пассивной системы снижения аварийного давления в защитной оболочке;

• экспериментальные данные по тепловым характеристикам теплообменника-конденсатора, работающего в режиме конденсации пара из парогазовой смеси при ЕЦ теплоносителей как охлаждаемой, так и нагреваемой сред;

• экспериментальные данные по теплогидравлическим характеристикам и устойчивости контура охлаждения модели ССАД 30;

• функциональные зависимости по расчёту теплоотдачи при конденсации пара в присутствии воздуха;

• результаты верификации программного средства КУПОЛ-МТ;

• результаты расчетно-экспериментального обоснования безопасности РУ KJIT-40C и РУ РИТМ-200 в авариях с потерей теплоносителя первого контура.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлялись автором: на 5-й, 6-й и 7-й международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», соответственно, 29.5-1.6.2007, Подольск; 26-29.5.2009, Москва; 17-20.5.2011, Подольск; на международной конференции «Ядерная энергетика в Республике Казахстан» ЯЭ-2008», Курчатов, 11-13.06.2008; на III международной конференции «АЭС: проектирование, строительство, эксплуатация» 1.12.2009., Москва; на семинаре «Пассивные системы и водородная безопасность АЭС с ВВЭР» 23-24.11 2010, Обниск, 5-ой РНКТ, 25-29.10.2010, МЭИ (ГУ), Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано двадцать отчетов о НИР и 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК, 2 патента на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 177 страниц основного текста (введение, 6 глав с выводами, заключение по работе), 86 рисунков, 12 таблиц. Список литературных источников содержит 113 наименований, в том числе 31 работа с участием автора. Общий объем диссертации -188 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы её цели, приведён перечень результатов работы, вынесенных автором на защиту, обоснованы их научная новизна и достоверность.

В первой главе представлен краткий обзор систем, обеспечивающих аварийное снижение давления в защитной оболочке (30) отечественных и зарубежных РУ, дано описание 30 РУ KJIT-40C.

Необходимость размещения судовых РУ в 30 предусматривается требованиями Российского морского Регистра судоходства и Кодекса ИМО по безопасности ядерных торговых судов. В связи с этими требованиями противоаварийные барьеры на российских атомных ледоколах не могут быть отнесены к категории защитной оболочки.

Паросбросное устройство

Контур охлаждения

ЦАР

Теплообменник-конденсатор

ГЕ:

30

ЗО РУ КЛТ-40С является первым в судовой практике полноценным защитным барьером, удовлетворяющим не только требованиям вышеуказанных правил, но и обеспечивающим безопасность РУ в значительном спектре запроектных аварий. Эти свойства ЗО обеспечиваются ее противоаварийной подсистемой - пассивной ССАД 30, обеспечивающей конденсацию пара и отвод тепла в окружающую среду при авариях с разгерметизацией первого контура. Система включает в себя четыре петли. Каждая петля (рис. 1) содержит теплообменник-конденсатор (ТК),

подключенный трубопроводами к цистерне аварийного расхолаживания (ЦАР) с запасом воды, которая в процессе аварии выпаривается в атмосферу. К каждой из двух цистерн подключается по 2 петли теплообмена.

Функционирование системы основывается на ЕЦ и не требует источников энергии. При аварии с разгерметизацией первого контура, давление и температура в объеме ЗО возрастают. Допустимыми по проекту являются значения, соответственно 500 кПа, абс. и 155 °С. Часть пара конденсируется на холодных поверхностях конструкций ЗО, нагревая их. Основная масса пара конденсируется на внешней поверхности труб ТК, разогревая воду в контуре охлаждения ССАД 30 до ее парообразования. За счет разности плотностей теплоносителя во внешних трубопроводах контура охлаждения осуществляется ЕЦ, обеспечивая отвод тепла из объема ЗО в ЦАР с выпаривающейся водой.

В процессе рассматриваемой аварии, кроме пара, происходит выброс азота из системы компенсации давления. Это создает дополнительное начальное парциальное давление неконденсирующихся газов, которое, учитывая выброс азота, изменяется от 100 до 150 кПа, абс.

Задачей ССАД 30 является обеспечить такую интенсивность конденсации пара из парогазовой смеси, при которой давление в 30 не превысит допустимого проектного значения 500 КПа, абс.

Во второй главе приведено описание крупномасштабного стенда СПОТ ЗО, на котором автором была испытана полновысотная модель ССАД 30 РУ KJIT-40C. Схема стенда СПОТ ЗО представлена на рис.2. Пар из электропарогенератора по паропроводу поступает в нижнюю или верхнюю часть емкости-модели 30. Конденсат, образующийся на внешней поверхности модели ТК, собирается в конденсатосборнике, размещенном под емкостью и через доохладитель сбрасывается в канализацию. Тепло отводится охлаждающей водой, поступающей из бака-испарителя (БИ), являющегося

Реактор

Рис. 1. Схема одной петли системы снижения аварийного давления РУ КЛТ-40С

моделью ЦАР, в модель ТК, где нагревается и, частично испаряясь в нём, поступает через паросбросное устройство (ПСУ) обратно в БИ, где пар сепарируется и сбрасывается в атмосферу.

Модель ТК ССАД 30, как и штатный ТК, состоит из двух подсекций трубных систем. Каждая подсекция состоит из змеевиковых Б-образных труб, соединенных коллекторами. Коллекторы двух подсекций штатного ТК размещены в одну линию, а в модели ТК для возможности размещения в корпусе модели 30 - параллельно (рис.3). Трубная система модели ТК закрыта стальными экранами для имитации кожуха ТК и элементов 30. Проведен также цикл испытаний при отсутствии этих экранов для улучшенных условий конвекции ПГС у поверхности ТК.

В баке-испарителе расположено разработанное автором паросбросное устройство (ПСУ), (рис. 4), предназначенное для исключения возникновения в контуре охлаждения конденсацион-ных гидроударов. ПСУ состоит из двух камер, в которых при поступлении в ПСУ пароводяной смеси из отводящего трубопровода осуществляется сепарация пара и удаление его из ПСУ. Лучшей сепарации способствуют дырчатые щиты с отверстиями по всей площади.

Отсепарированный пар и насыщенная вода через верхнее отверстие в перегородке поступает в камеру-накопитель, откуда пар и часть воды через гидрозатвор удаляется в ЦАР, а остальная часть насыщенной воды за счет ЕЦ циркулирует между двумя камерами. Проходные сечения верхнего и нижнего отверстий в перегородке между камерами и отверстий в дырчатых щитах выбираются таким образом, чтобы циркуляция воды между камерами осуществлялась в направлении из

Бак-испаркте/ъ

Рис. 2. Схема стенда СПОТ 30

Рис. 3. Вид модели теплообменника-конденсатора после его размещения в емкости - модели 30

буферной камеры через нижнее отверстие в перегородке. Чем выше кратность циркуляции теплоносителя между камерами по отношению к расходу пароводяной смеси, тем быстрее осуществляется замещение исходно «холодной» воды в камерах горячей водой с температурой, близкой к линии насыщения при объемной конденсации пара в этой воде при отсутствии конденсационных гидроударов. При изменении в пульсациях направления потока теплоносителя вода из ПСУ, прогретая до линии насыщения, поступает обратно в ОТ, заполненный паром, исключая, таким образом, конденсационные гидроудары в ОТ. Объем воды в камерах ПСУ выбирается равным или несколько превышающим объем ОТ.

На рис.5 представлены основные геометрические размеры модели 30 и контура охлаждения, а также варианты выхода ОТ в БИ. В штатном варианте с ПСУ (а) выходной срез ОТ расположен на 1500 мм ниже уровня воды в БИ. Вариант (б)

- на том же уровне, но без ПСУ. Испытания проведены также для вариантов, когда выходной срез ОТ отводящего трубопровода заглублен на 2500 мм под уровнем воды в БИ (<?) и над уровнем воды в БИ (г).

При проведении экспериментов измерялись и автоматически регистрировались: теплофизические параметры парогазовой среды в емкости-модели ЗО, контура охлаждения, электрическая мощность ЭПГ, виброускорения трубной системы модели ТК (далее по тексту - ТК) и трубопроводов. В объеме модели ЗО установлено 90 термопреобразователей

(рис. 6). В ПТ - 2, а в ОТ - 21 термопреобразователь. В ПСУ установлено 8 и в баке-испарителе - 12 термопреобразователей. Давление измерялось: в емкости- модели 302 точки; в трубопроводах контура охлаждения Рис. 5. Основные геометричес-

- 4 точки. Перепад давления измерялся на кие размеры стенда и 4 участках контура охлаждения, в том числе варианты вывода ОТ: а); б); два из них - на подъемном выходном участке в); г).

ОТ. Измерялись - расход воды на входе в ЭПГ

и расход воды на входе в ТК, уровень воды в модели ЗО, в конденсатосборнике,

Отверстия ! Гидрозатвор

Пар

V: •

V/ _V/

Камера-сепаратор

Камера-накопитель

Отводящий трубопровод

Рис. 4. Схема ПСУ

в баке-испарителе. Частота опроса каналов системы измерений составляла 1 Гц. Все каналы информационно-измерительной система были поверены и аттестованы. Для визуализации измеренных теплофизических параметров стенда использовалось ПС ЬаЬУІЕХУ.

2 термопары под куполом модели 30

2 термопары под куполом модели 30

20 термопар вблизи поверхности ТК

24 термопары напротив ТК(2 ряда) 1 термопара на внешней поверхности модели 30

2 термопары между секциями ТК

2 термопары над днищем модели 30

2 термопары над днищем модели ЗО

Рис. 6. Схема размещения термопреобразователей в модели ЗО

Помимо проектного варианта конструкции ССАД 30, исследованы режимы с различным начальным давлением воздуха в модели 30, с изменением гидравлического сопротивления контура охлаждения, режимы с подачей пара вверх или вниз модели 30, режимы с различным уровнем воды в БИ.

Общий коэффициент гидравлического сопротивления контура охлаждения, отнесенный к проходному сечению трубопровода ЭК1100, составляет ¿¡г=£(Л-1./с1+ 3,3. Из них доля сопротивления ПТ, ТК (включая тройники) и ОТ составляют соответственно 32 %, 37 % и 31 %.

Суммарная погрешность измерения температуры паровоздушной смеси в модели 30 (термопары ТМПК-1-К-9) составляла ± 0,9 °С; температуры охлаждающей воды на входе и выходе ТК (ТСП-01) - ± 0,5 °С, а на остальных участках контура охлаждения (ТМПК-1-К-9) - ± 0,9 °С;

Суммарная погрешность измерения давления (Сапфир-22-Р-ДА) и расхода (СИМАГ-11-1НТ) не превышала 2 % от номинальных значений.

Тепловая мощность ТК (Ытк) и коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси (апгс) рассчитывались на основе экспериментальных данных

стационарных опытов. Среднеквадратичные относительные погрешности определения значения в диапазоне мощностей стенда от 200 до 1500 кВт составляли от 11,3 до 6,8%, а значений апгс - от 16,5 до 12% в диапазоне представленных мощностей. Подробное описание методики определения значения апгс приведено в главе 5.

В третьей главе рассмотрены общие результаты экспериментального исследования. Всего проведено 27 режимов с продолжительностью каждого - около 12 ч.

При обосновании проектных I характеристик контура охлаждения ССАД 30 получены зависимости его мощности (120-600 кВт) от давления в модели ЗО при различном начальном давлении воздуха в ней (40- 170кПа, абс). Использовались стационарные режимы при температуре выпариваемой воды во всем объеме БИ 100°С. На рис. 7 приведена зависимость давления в модели ЗО от начального давления парогазовой среды в ней при проектной мощности ТК 500 кВт. Как видно из графика, система обеспечивает не превышение максимального проектного значения 500 кПа, абс.

Динамический режим имитации ввода ССАД ЗО в работу при быстром нарастании параметров в ЗО при авариях показал достижение не более чем за 30 с развитой ЕЦ со стабилизацией её расхода и температур по контуру. Режим проходил без существенных шумов и вибраций, хотя условия экспериментального режима были более жесткими по сравнению с натурными.

Проведены испытания повторноїі подпитки БИ холодной водой (1-10°С). По результатам испытаний автором получены оптимальные условия подпитки БИ, которые не приводят к возникновению вибраций трубопроводов из-за конденсационных гидроударов, как при подаче воды на осушенные участки контура охлаждения, так и при заполнении БИ.

В рамках исследовательских режимов были проведены режимы с изменением гидравлического сопротивления контура охлаждения на участке ИТ (прикрытием регулирующего клапана), где было показано, что его увеличение существенно влияет на снижение стабильности расхода теплоносителя по контуру охлаждения. На рис.8 представлены фрагменты режимов с ПСУ (а) и без ПСУ (б). В обоих случаях имеет место колебательный режим с периодом около 2 мин. Как видно из графиков, опрокидывание расхода

\

І/ --1- 2 - -

О 50 100 150 200

Рг, кПа

Рис. 7. Зависимость давления в модели ЗО от начального давления парогазовой среды в ней. (1) - проектная величина давления в ЗО, (2) - диапазон значений давления газа в ЗО при нормальных условиях.

в ОТ без ПСУ начинается раньше, и амплитуда изменения температур в ОТ составляет более 50°С. При этом имели место достаточно сильные вибрации со стуками в ОТ. При наличии ПСУ какие-либо шумовые явления и вибрации отсутствовали полностью. Амплитуда изменения температуры в ОТ составляла около 23°С. Более раннее опрокидывание расхода в ОТ при отсутствии ПСУ очевидно связано с быстрой конденсацией пара на выходе из ОТ на конечной стадии парового выброса, образованием зоны локального разряжения, приводящей к быстрому заполнению ОТ водой из БИ.

< Температура в БИ кнаружи ПСУ) Ь Расход воды на входе в ТК . Температура на тяговой участке ОТ 04 > • ниже на 1 ТОО мм выходного с[

Рис. 8. Динамика параметров контура охлаждения в режимах с установленным ПСУ (а) и без ПСУ (б) (фрагменты колебательных участков на этапе разогрева воды в БИ)

Обращает на себя внимание в обоих случаях кратковременный глубокий провал расхода воды через нижнее сечение ТК, связанный с заполнением сверху ОТ и верхней части ТК. Дросселирование входа способствовало обратному поступлению воды более продолжительное время.

Сопоставительные результаты испытаний контура охлаждения со штатным положением выходного отверстия ОТ (см. рис.5, а) под уровнем воды в БИ и с выходом пароводяной смеси из ОТ над уровнем воды (см. рис.5, г) при одинаковой мощности ТК (близкой к проектному значению) показали преимущество штатного варианта (рис. 9). При этом варианте контур ЕЦ постоянно замкнут, и на значительной части периода прогрева воды в БИ наблюдается устойчивая ЕЦ однофазного водяного теплоносителя с повышенным перепадом температур теплообменивающих сред в ТК, приводящим к росту мощности ТК и медленному росту давления в модели 30. Непродолжительный пульсационный временной отрезок типичен для контуров ЕЦ с низким балансным паросодержанием в тяговом участке значительной высоты.

Он был предсказан д.т.н. Б.И. Моторовым, подтверждён в экспериментах ОКБМ, ЦКТИ, НИЦ КИ, ГНЦ РФ ФЭИ и НИТИ и характерен для зоны высоких значений (Ю/сН0Т (при Ы=соп81) при переходе от ЕЦ некипящей воды к ЕЦ при наличии двухфазного потока в подъёмной ветви контура охлаждения.

Большинство этих исследований было проведено при давлениях 1,3-4 МПа. Близкое к атмосферному значению давление в настоящей работе вызывало рост амплитуды пульсаций расхода теплоносителя по контуру охлаждения.

При выходе ОТ над уровнем воды в БИ на протяжении всего участка прогрева воды имел место пульсационный режим ЕЦ с двукратным превышением максимального расхода воды на входе в ТК над его стабилизированным значением после прогрева воды в модели ЦАР до Это увеличение расхода снижало подогрев воды в ТК до значения ниже что приводило к отсутствию паросодержання в подъёмной ветви контура ЕЦ, его размыканию и переходу к стадии прогрева неподвижной воды в ТК. После прогрева воды в БИ до насыщения (100°С) наблюдалась устойчивая ЕЦ с практически одинаковыми параметрами процесса для обоих вариантов подключения ОТ (см. рис.5, а и г).

150

Давление в модели 30 Температура на входе вТК Температура на выходе из ТК Í

200 400

Время, мин

200 400

Время, мин

Рис. 9. Динамика параметров теплоносителей в модели 30 при разогреве воды в БИ и изменении мощности ЭПГ для выхода ОТ над уровнем воды в модели ЦАР (I) и под уровнем (2).

При уровне воды в БИ выше верхнего среза ОТ проводился режим со ступенчатым снижением мощности ЭПГ (780, 600, 400 кВт) с продолжительностью выдержки режима при N=const ~60 мин. Мощность контура охлаждения при этом составляла соответственно 540, 430 и 280 кВт соответственно. Отличие значений мощности ЭПГ и контура охлаждения, при потере тепла в окружающую среду от модели 30 10-12 кВт, соответствовало отличию теплосодержания потока горячего конденсата, покидающего модель ЗО, и холодной воды, поступающей в ЭПГ. Приведённые выше режимы характеризовались устойчивой ЕЦ по контуру охлаждения. Однако, при снижении мощности ЭПГ до 200 кВт появились колебания расхода на входе в ТК (рис.10). Как видно из графика, первое снижение мощности ЭПГ незначительно уменьшает расход по контуру охлаждения, а второй уже существенно, т.е. имеется рост производной dG/dN, который при дальнейшем снижении мощности и привёл к потере устойчивости ЕЦ. Из-за обнуления

расхода колебания приобрели «гейзерный» характер, связанный с высокими значениями сН'Мр при давлениях, близких к атмосферному. На временном отрезке с минимальными значениями расхода, соответствующего скорости воды в ОТ менее 0,1 м/с, происходит прогрев воды, начиная с нижних участков ОТ до линии насыщения при давлении выше атмосферного на величину гидростатического столба воды над данным участком. Перенос тепла вверх в ОТ по некипящей воде, в основном, осуществляется вихрями естественной конвекции с эффективным коэффициентом аксиального теплопереноса по данным ЦКТИ-ОКБМ 100-200 кВт/(м-К), После начала парообразования на любом из участков ОТ происходит снижение гидростатического на участках ОТ, что приводит к бурному вскипанию и выбросу воды из тягового участка контура ЕЦ, расположенного над участком с теплоподводом. Таким образом, гейзер всегда связан с перегревом воды в нижней части тягового участка и в верхней части ТК относительно температуры насыщения (у в баке, расположенном над контуром ЕЦ.

Подобные гейзеры имели место и в проведённых с участием автора испытаниях на стенде НПО ЦКТИ системы аварийного расхолаживания (САР) РУ КЛТ 40С, замкнутой также на БИ. В этих опытах была меньшая высота ОТ: 5,4 м против -9,5 м в настоящей работе. Это различие вызывало и отличие в периодах пульсаций при разогреве контуров: 100-180 с в опытах с контуром охлаждения САР и 120-400 с настоящей работе. В опытах с контуром охлаждения САР рассмат- рис ¡о. Появление пульсаций расхода при ривался лишь случай снижении мощности ЭПЕ расположения верхнего среза ОТ выше уровня воды в

модели ЦАР. В обоих контурах охлаждения при пульсациях продолжительность инкубационного подпериода прогрева практически неподвижной воды существенно превышала продолжительность подпериода с гейзерным выбросом.

Испытания с подачей пара в верхнюю полость модели ЗО показывают, что, в отличие от подачи пара вниз ЗО, в данном режиме появляется стратификация парогазовой смеси по высоте модели ЗО с сосредоточением воздуха в нижней части модели. Основная мощность в данном режиме снимается в верхней части ТК (практически это 30-50% поверхности ТК),

Н—■(-1- Температура на выходе из ТК ((701

О—О—О Температура на входе в ТК< Г96-XXX Температура насыщения на выходе из Т д—¿г—д Расход воды на входе в ТК (3—В—В Мощность ЭПГ

поскольку в этой части сосредоточен насыщенный пар без воздуха, и происходит его эффективная конденсация с обеспечением требуемой мощности теплоотвода.

В четвертой главе рассмотрены результаты обобщения опытных данных по средним значениям коэффициента теплоотдачи при конденсации пара из парогазовой среды на внешней поверхности ТК. Получены зависимости коэффициента теплоотдачи (ижп) от массовой концентрации воздуха (1¥в01д) в модели защитной оболочке в диапазоне от 0.23 до 0,9, где массовая концентрация неконденсирующегося воздуха определяется через давление и молекулярный вес пара и воздуха в объеме модели защитной оболочки.

При обработке экспериментальных данных определялось парциальное давление воздуха (Реозд) в парогазовой смеси как разность между общим давлением в модели защитной оболочки (Рэо) и давлением насыщенного пара в смеси Рю,д = Р„ - Р„„с, кПа. Общее давление определялось по показаниям преобразователя давления, а давление насыщенного пара в смеси определялось по усредненной температуре парогазовой смеси в емкости-модели 30, приравниваемой температуре насыщения при парциальном давлении пара.

Относительная массовая концентрация воздуха определялась через давление и молекулярную массу пара (Мт,,а) и воздуха (Мт1д) в объеме модели

Р -М

защитной оболочки, №тд=-———-.

(Раозд ' М€озд + РН(1С ' М„<,р<1)

Экспериментальный коэффициент теплоотдачи при конденсации пара из паровоздушной смеси на теплообменной поверхности определялся методом '^теплообменника". При этом коэффициент теплоотдачи в трубах находился через критерий Нуссельта для ламинарного и турбулентного режима течения воды с учетом критерия Дина, характеризующего влияние кривизны Б-образных труб ТК на поток воды.

Существует два основных подхода в определении теплоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси на теплообменных поверхностях. Первый подход основан на использовании эмпирических соотношений, полученных экспериментально на различных установках и связывающих общий коэффициент теплоотдачи с параметрами парогазовой смеси в защитной оболочке (табл. 2).

Таблица 2 Эмпирические соотношения для определения теплоотдачи при конденсации пара из паровоздушной смеси_

Общий коэффициент теплоотдачи, Вт/м2-°С Авторы Номер формулы

7(1 Н.исШа (1965г.) (1)

1 Тацаті (1965) (2)

Продолжение табл. 2

Общий коэффициент теплоотдачи, Вт/м2-°С Авторы Номер формулы

_ /°05 [(3.7 + 0.29274 Рт ) - (2438 + 4.6746-Рм) log Weo3i] ® / \ 0.25 ' ('«"'я.) линейный размер, м; tem - наружная температура стенки, °С. A. Dehby (1991 г.) (3)

а =55.653.^344(Р„-1000Гг(^-'™Г7 еп - мольная концентрация пара Н. Liu (2000г.) (4)

Второй подход полуэмпирический, предполагает описание термических сопротивлений на границе раздела «теплообменная поверхность - парогазовая смесь» с использованием пленочной теории и аналогии процессов тепломассообмена. Коэффициент теплоотдачи в этом случае определяется двумя термическими сопротивлениями: сопротивлением пленки конденсата и сопротивлением подвода пара к поверхности конденсации - диффузионным термическим сопротивлением. Общая формула имеет вид: „ 1 . Вт/м2-°С

/ат /о!д11ф с:1

Коэффициент теплоотдачи аП1 рассчитывается по соответствующим соотношениям при плёночной конденсации чистого пара. При расчёте диффузионной составляющей сопротивления (1/ад„ф.С1) используется аналогия процессов тепло- и массообмена. В рассматриваемых условиях они характеризуются естественной конвекцией пара к поверхности плёнки и

определяется зависимостью NuJ=f{Gr•Prd), где = -^-айиф„~

диффузионное число Нуссельта; Сг = %-с11„р-Ар/(р-у1)- число Грасгофа и Ргь - диффузионное число Прандтля; О - коэффициент диффузии для смеси

пар-воздух й - 0.216 •10~4-^(?"л2"^73)'8 , м2/с.; р, ц Ар - средняя плотность,

кинематическая вязкость и разность плотности ПГС в иофанслое. В рассматриваемом здесь диапазоне СгРг<1=3 103+2-107 диффузионное число Нуссельта определяется по выражению Ыи^ = 0.54(вг-Рг<1)"1Ь. Принималось, что пар поступает к поверхности конденсации за счет диффузии и поверхность пленки является непроницаемой для воздуха. Коэффициент теплоотдачи а.д11фС1 находится по соотношению:

„ _ .йг , Вт/(м2 "С) (5)

(,„!с-1срртд)

в котором у„ - массовый поток пара, кг/м2-с; г - теплота парообразования, Дж/кг; /„^ и 1.рртд - соответственно температура в объёме парогазовой смеси и на внешней поверхности конденсатной пленки, °С. Массовый поток пара, поступающий через диффузионный слой к поверхности

конденсации, определяют по формуле Стефана, которая при подстановке в (5), даёт расчётное соотношение для определения коэффициента теплоотдачи

(адиф.сл)'-

ад„ф.~ ~

_Nad D (Pm -mv) r

l

/ ^,('„+273) (tmc-'v.vaJ

■In

p

воэд.гр.раэд

, Вт/(м2 °C) (6)

ГДе Peoid.cp.pctid '' Pi

гр.разд >

возд.тс - соответственно парциальное давление воздуха на поверхности пленки конденсата и в объёме парогазовой смеси, кПа. Их значения определялись как разность между общим давлением в модели 30 (Р,„) и давлением насыщенного пара в смеси Рт,д = Р10 ~Ртр, кПа. Давление Р„,1р

определялось, приравнивая соответствующие значения температур к температуре насыщения при парциальном давлении пара. В первом случае рассматривалось расчётное значение температуры на внешней поверхности плёнки конденсата, а во втором случае - усредненная замеряемая температура парогазовой смеси в модели 30, Я„ - газовая постоянная для пара, Дж/кг-К; Р„ = 101 кПа - давление в нормальных условиях.

Соотношение (5) может быть преобразовано с учетом эмпирических поправок по результатам экспериментальных данных и аппроксимацией свойств среды к другому виду. Например, в работе А. Фалькова, предлагается соотношение для определения теплоотдачи на вертикальных стенках локализующего объема:

г-к

1-е, е.

•0.0355

Ую 4-p.pi»*> 12 100

где к

(/>„/100)

поправочный коэффициент А- = min I 1,

, Вт/(м2 °С)

20

(7)

е, - объемная

концентрация неконденсирующегося газа.

На рис. 11 приведены результаты сравнительного анализа экспериментальных данных с результатами расчетов по соотношениям (1-4, 6-7), в • зависимости от относительной ; массовой концентрации воздуха. В о расчетных соотношениях прини- ? мались параметры соответствующие измеряемым значениям давления, температуры парогазовой смеси, относительной массовой концентрации воздуха в модели защитной оболочки в условиях эксперимента. Как видно из рис.11, расчет по соотношениям (1-4) и (7) показывает занижение расчетных коэффициентов теплоотдачи относи-

2500

2000 —I

1500 —I

1000 —

500 Н

Рис. 11. 1 - Uchida, 2- Tagami, 3-Dehbi, 4- Liu, 5- Фальков, 6- диффузионная модель (6), 7-экспериментальные точки (о - ТК с кожухом, а - без кожуха)

тельно экспериментальных точек.

Вычисление теплоотдачи по эмпирическому соотношению (4) определяется практически линейной характеристикой, которая в среднем лежит близко к экспериментальным точкам. Возможно, это объясняется тем, что эмпирические (1-4) и полуэмпирическая (7) зависимости получены на основе экспериментальных исследований на вертикальных поверхностях, в отличие от исследуемой змеевиковой Б-образной трубной поверхности (см. рис. 3). Рассчитанные по диффузионной модели (6) точки достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, хотя в среднем они также лежат несколько ниже экспериментальных значений.

По результатам экспериментальных данных при конденсации пара из паровоздушной смеси на Б - образной теплообменной поверхности для значений ад,,фс„ полученных по соотношению (6), определен коэффициент "неподобия" С = а,к„/а^фс, для ТК, полностью заключенного в кожух, и ТК с удаленными с обеих сторон вертикальными торцевыми пластинами кожуха. На рис.12 представлены зависимости С от расчетных значений ад„фс,. Средние значения С0 для обоих случаев включены как поправочные коэффициенты в ПС КУПОЛ-МТ для расчетов ТК с 8 -образными теплообменными трубами.

|1-5Ч

1

в)

___J —1 +15%

Г^Е: -15% —к—

Г4

8

0.5 -

б) +15%

+ + +

----- -15%

С„

1600 Вт/(м2>С)

600 , Вт/(м2°С)

1200

Рис. 12. Зависимость коэффициента С от расчетных значений адиф„ для двух серий экспериментов: а) ТК в кожухе С0=1.09; б) ТК со снятыми торцевыми пластинами кожуха, С0=1.3

На рис. 13 представлены экспериментальные зависимости коэффициента теплоотдачи при конденсации пара из паровоздушной смеси от плотности теплового потока через теплообменную поверхность при прогретой до 100°С воде в БИ. Зависимости имеют линейную возрастающую характеристику для каждого диапазона относительной массовой концентрации воздуха, соответственно, чем больше плотность теплового потока, тем выше коэффициент теплоотдачи. Интенсификация теплообмена с увеличением плотности теплового потока объясняется увеличением массового потока пара к поверхности конденсации и увеличением конвекции парогазовой среды в диффузионном погранслое. Одинаковый угол наклона кривых позволил аппро-

ксимировать экспериментальные данные и получить эмпирическую зависимость, связывающую общий коэффициент теплоотдачи при конденсации пара со стороны паровоздушной смеси с относительной массовой концентрацией воздуха и плотностью теплового потока. Обобщенное соотношение имеет вид: а = 80- q"2 ■ fV^f, Вт/(м2 °С) (8) где а - плотность теплового потока, Вт/м. В диапазоне параметров Q.21<Weold<Q.l и 3000 <q< 16000 Вт/м2 расчет теплоотдачи по соотношению (8) описывает экспериментальные точки в пределе отклонения ±10%.

В пятой главе рассмотрены результаты верификации программного средства (кода) КУПОЛ-МТ версии 1.0, моделирующего процессы тепломассопереноса в 30 транспортабельных РУ малой мощности, а также стационарных РУ средней и большой мощности при авариях с потерей теплоносителя. В качестве экспериментов для верификации ПС «КУПОЛ-МТ» выбраны в основном результаты испытаний на стенде СПОТ 30 для РУКЛТ-40С и АЭС-2006 (площадка ЛАЭС-2, г. Сосновый Бор), а также результаты испытаний на стенде KMC (НИТИ им. Е.П.Александрова, г. Сосновый Бор).

ПС КУПОЛ-МТ является адаптированной к специфическим особенностям транспортабельных РУ, в частности к условиям РУ КЛТ-40С, версией аттестованного применительно к РУ ВВЭР кода КУПОЛ-М и позволяет учитывать изменение во времени свободного объема помещений защитной оболочки и величины поверхностей теплообмена при повышении уровня воды в помещениях. Для корректного учета работы контура охлаждения пассивной конденсационной ССАД 30 адаптированная версия кода КУПОЛ-М интегрирована с теплогидравлическим блоком аттестованного кода РАСНАР-2 в части тепловой связи через тепловые структуры, что позволяет выполнить совместный расчет параметров в 30 и контура охлаждения пассивной ССАД 30.

На рис.14 представлены сравнительные результаты экспериментальных и расчетных данных для режима работы ЭПГ на мощности 800 кВт (разогрев и статика до 26000 с), а также работа на стационарных «полках» при работе ЭПГ на мощности 600,400 и 200 кВт.

На рис.15 представлены сравнительные результаты эксперимента и расчета в режиме с подачей пара вниз и вверх емкости-модели 30, когда возникают условия для стратификации парогазовой среды. Проведенный анализ чувствительности параметров в 30 к изменению различных исходных

17501500-

V

° 1250-

и юоо-

а 750-

500-

+

w.c,d=o.3 О WW=0.5

□ Waoid=0.56 lV»oja=0.6

•Й-V

1-1-1-1-

3.1 6.2 9.3 12.4 q. kBt/m2 Рис. 13

г

15.5

параметров: объема емкости-модели 30, поверхности ТК, коэффициента местных сопротивлений в трубопроводе отвода пара от ТК, температуры в баке-испарителе, показал приемлемость и адекватность результатов расчетов.

Существенно расширен диапазон использования ПС КУПОЛ-МТ по давлению в 30. Верхняя граница диапазона давлений в 30 увеличена с 0.6 МПа до 0.9 МПа. Это позволит получать надежные результаты при обосновании более компактных 30, рассчитанных на более высокое проектное давление.

О 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Э5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Время, с Время, с

Рис. 15. Сравнительные результаты параметров в емкости в режиме с подачей пара вниз и вверх емкости-модели 30

О 10000 20000 ЗОООО 40000 50000 0 10000 20000 30000 40000 50000

Время, с Время, с

Рис.14. Сравнительные результаты параметров в емкости и в контуре охлаждения в режиме с изменением мощности ЭПГ

800000

Г 600000

а ф

| 400000

а

200000

160

0

1

I 120

I 180

1000000

400000 350000 300000 250000 200000 150000

100000 60000

ЮОСО 20000 30000 40000 Время, с

В шестой главе представлены результаты расчетного обоснования безопасности РУ КЛТ-40С и РИТМ-200 с использованием ПС КУПОЛ-МТ в определяющих проектных и запроектных авариях с разгерметизацией первого контура. На основе проведенной верификации были подготовлены расчетные модели объема 30 РУ КЛТ-40С и системы ССАД 30 и выполнен расчет максимальной проектной аварии для РУ КЛТ-40С (рис.16). В данной аварии в качестве исходного события и работы систем рассматривался постулированный разрыв полным сечением трубопровода отбора на очистку 1 контура на неотсекаемом участке внутри аппаратного помещения ЗО. В этом случае реализуется истечение теплоносителя из реактора через сужающее устройство 0Ж8. Из полученных результатов видно, что в процессе расчета максимальной проектной аварии обеспечивается непревышение максимального проектного давления в 30 500 кПа и, следовательно, сохранение целостности последнего барьера безопасности.

130

о О

г

0)

90

70

50

0.4

0.3

0.2

01

Г х давление

о температура

а)

130 0.5 г

110 та 04

О Г

О >

ш

пз о. 90 О о 0.3

? ш

о. ф 70 п ?

гг. <И

ъ <11 Ц ш

1- 50 Ч 0 1;

<

30 0 I-

20

25

0 5 10 15 Время, ч

Рис. 16. Расчетные значения давления и температуры в ЗО РУ КЛТ-40С при максимальной проектной аварии (а) и запроектной аварии с выбросом максимального количества газа из системы компенсации давления в первом контуре(б)

ВЫВОДЫ

1. Разработана пассивная система аварийного отвода тепла из защитной оболочки РУ КЛТ-40С, обеспечивающая эффективный отвод тепла в окружающую среду в авариях с разгерметизацией полным сечением трубопроводе!) первого контура.

2. Разработан уникальный экспериментальный стенд с крупномасштабной полновысотной моделью аппаратного помещения защитной оболочки и натурной моделью контура охлаждения системы снижения аварийного давления в защитной оболочке РУ КЛТ-40С.

3. Экспериментально обоснованы проектные характеристики системы снижения аварийного давления в защитной оболочке РУ КЛТ40С.

4. Разработаны функциональные зависимости по расчёту теплоотдачи при конденсации пара из парогазовой среды на поверхности Б-образных труб

теплообменника-конденсатора системы пассивного отвода тепла от защитной оболочки.

5. Получен обширный экспериментальный материал для развития и верификации расчетных кодов, предназначенных для расчетного обоснования проектов с ядерными энергетическими установками.

6. Усовершенствовано и верифицировано программное средство КУПОЛ-МТ, позволяющее рассчитывать теплогидравлические параметры в защитной оболочке и в системе отвода тепла от нее для РУ КЛТ-40С, а также других разрабатываемых проектов с водо-водяными реакторами.

7. В результате выполненных исследований получены научно обоснованные технические решения для обеспечения безопасности разрабатываемых ядерных энергетических установок.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Экспериментальное обоснование контура охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки проекта АЭС-2006 на площадке Ленинградской АЭС/ A.M. Бахметьев, М.А. Болыиухин, В.В. Безлепкин, А.М. Хизбуллин и др.// Атомная энергия, т.106, вып.З, март 2009, с. 140-148. (Перечень ВАК)

2. Экспериментальное исследование пассивной системы снижения давления в защитной оболочке РУ КЛТ-40С/ A.M. Бахметьев, М.А. Большухин, A.M. Хизбуллин и др.// Атомная энергия, 2009г., т.106., вып.З, С.148-152. (Перечень ВАК)

3. Экспериментальное обоснование проекта системы аварийного расхолаживания реакторной установки KJIT-40C плавучей атомной теплофикационной электростанции/ Б.Ф. Валунов, М.А. Большухин, A.M. Хизбуллин и др.// Теплоэнергетика, 2011, №5, с.55-60. (Перечень ВАК)

4. Экспериментальные исследования теплоотдачи при конденсации пара из паровоздушной смеси на теплообменной поверхности системы снижения аварийного давления в защитной оболочке/ A.M. Бахметьев, М.А. Большухин, М.А. Камнев, A.M. Хизбуллин // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика - Обнинск, 2011, №4, с. 64 -71. (Перечень ВАК)

5. Задачи расчетно-экспериментального обоснования СПОТ 30 для АЭС нового поколения/ A.M. Бахметьев, М.А. Большухин, A.M. Хизбуллин и др.// 5-я международная научно-техническая конференция: «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», г.Подольск, Россия, 29 мая - 1 июня 2007 г.

6. Пассивные системы аварийного теплоотвода для АЭС малой и средней мощности / В.В. Петрунин, О.Б. Самойлов, М.А. Большухин, A.M. Хизбуллин и др.// 6-я международная научно-техническая конференция: «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики - МНТК-2008» 21 - 23 мая 2008 г в г. Москва.

7. Обоснования систем безопасности атомных станций нового поколения / A.M. Бахметьев, М.А. Большухин, A.M. Хизбуллин и др.// Бюл. по атомной энергии, 2008 г., №5-6, с.70-75.

8. Пассивные системы безопасности инновационных проектов АЭС/ A.M. Бахметьев, М.А. Большухин, A.M. Хизбуллин и др.// Тезисы III Международной конференции «АЭС: проектирование, строительство, эксплуатация», 1 декабря 2009 г. Москва.

9. Результаты верификации программного средства КУПОЛ-МТ на базе экспериментальных исследований пассивной системы снижения аварийного давления в защитной оболочке КЛТ-40С /A.A. Лукьянов, A.A. Зайцев, A.M. Хизбуллин // 7-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия 17-20 мая 2011 г

10. Патент на полезную модель № 85029. Система пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки / В.В. Безлепкин,

A.M. Бахметьев, М.А. Большухин, А.М.Хизбуллин и др./ Заявл. 26.02.2009 г. 2009108307/22 опубл. 20.07.2009 г.

11. Патент на полезную модель №114512. Пароприемное устройство/

B.А. Бабин, Д.Л. Зверев, М.А. Камнев, A.M. Хизбуллин / Решение о выдаче патента от 25.01.2012 по заявке №2011148209 от 25.11.2011

Сокращения: РУ - реакторная установка; ССАД ЗО - пассивная система снижения аварийного давления; МПА - максимальная проектная авария; СПОТ ЗО - система пассивного отвода тепла от защитной оболочки; БИ - бак-испаритель (модель ЦАР); ПТ-подводящий трубопровод (контура охлаждения); ОТ - отводящий трубопровод (контура охлаждения); ТК-теплообменник-конденсатор; ЦАР - цистерна аварийного расхолаживания; ПСУ- паросбросное устройство; ЭПГ - электропарогенератор; ПС - программное средство.

Хизбуллин Ахмир Мугинович

Разработка и расчетно-экспериментальные исследования пассивной системы аварийного отвода тепла из защитной оболочки ЯЭУ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 23.04.2012. Заказ № 1ZKT Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Открытом акционерном обществе «Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения имени И.И.Африкантова» 603074, г. Нижний Новгород, Бурнаковский проезд, 15

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ОПЫТНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО МАШИНОСТРОЕНИЯ ИМЕНИ И.И. АФРИКАНТОВА»

на правах рукописи

61 12-5/3871

Хизбуллин Ахмир Мугинович

РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАССИВНОЙ СИСТЕМЫ АВАРИЙНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ИЗ ЗАЩИТНОЙ

ОБОЛОЧКИ ЯЭУ

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

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Бахметьев Александр Михайлович

Нижний Новгород - 2012

КАНДИДАТСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

Оглавление

Условные обозначения............................................................................................5

Введение...................................................................................................................7

1 Анализ схемно-конструктивных решений систем теплоотвода от защитной оболочки применительно к судовым технологиям РУ..................13

1.1 Требования нормативной документации.................................................13

1.2 Обзор существующих решений систем теплоотвода от защитной оболочки в проектах судовых РУ.............................................................14

1.3 Особенности различных способов отвода тепла

из защитной оболочки ЯЭУ......................................................................19

1.4 Разработка предложений по конструкции системы снижения аварийного давления в защитной оболочке реакторной установки КЛТ-40С. Описание проекта системы.....................................................27

1.5 Выводы по главе.........................................................................................36

2 Описание крупномасштабного экспериментального стенда СПОТ ЗО

РУ КЛТ-40С........................................................................................................37

2.1 Объект испытаний......................................................................................37

2.2 Описание испытательного оборудования................................................37

2.3 Параметры стенда.......................................................................................40

2.4 Система получения и подачи пара............................................................42

2.5 Модель теплообменника - конденсатора................................................46

2.6 Емкость - модель ЗО..................................................................................48

2.7 Трасса отвода конденсата из емкости......................................................55

2.8 Подводящий и отводящий трубопроводы контура охлаждения

с арматурой................................................................................................57

2.9 Бак-испаритель...........................................................................................59

2.10 Работа стенда............................................................................................63

2.11 Информационно - измерительная система стенда СПОТ 30..............64

2.12 Программный комплекс...........................................................................65

2.13 Исследование вибрации оборудования стенда СПОТ ЗО....................70

2.14 Хранение результатов измерений и обработки экспериментальных данных. Информационно-поисковая система «СТЭК»........................71

2.15 Методика измерений и обработки экспериментальных данных. Оценка погрешности измеряемых и определяемых параметров......73

2.16 Выводы по главе.......................................................................................91

3 Результаты экспериментальных исследований на стенде СПОТ ЗО............93

3.1 Объем испытаний.......................................................................................93

3.2 Представительность испытаний...............................................................98

3.3 Обоснование проектных характеристик системы...................................99

3.4 Исследования гидродинамической неустойчивости течений

в контуре охлаждения...............................................................................110

3.5 Выводы по главе.......................................................................................120

4 Результаты экспериментальных исследований теплоотдачи от паровоздушной смеси на поверхности 8-образных труб ТК ССАД 30.............122

4.1 Аналитический обзор по расчетным зависимостям конденсации парогазовой смеси на теплопередающих поверхностях............122

4.2 Результаты обобщения опытных данных по конденсации пара из ПГСвЗО.....................................................................................................130

4.3 Анализ полученных результатов............................................................135

4.4 Уточнение параметров моделей по теплообмену на внешней поверхности ТК в ПС КУПОЛ-МТ......................................................136

4.5 Разработка дополнительной эмпирической модели по теплообмену на внешней поверхности ТК........................................................................139

4.6 Выводы по главе.......................................................................................141

5 Верификация ПС КУПОЛ-МТ на базе экспериментальных исследований на стенде СПОТ ЗО..................................................................142

5.1 Назначение ПС КУПОЛ-МТ...................................................................142

5.2 Краткие сведения о методиках расчета, используемых в ПС..............143

5.3 Краткое описание экспериментальных верификационных

режимов......................................................................................................145

5.4 Описание расчетных моделей.................................................................147

5.5 Результаты сравнительного анализа расчетов и экспериментов

на стенде СПОТ ЗО...................................................................................151

5.6 Анализ чувствительности рассчитанных параметров в ЗО

к изменению исходных данных...............................................................158

5.7 Выводы по верификации ПС КУПОЛ-МТ............................................165

6 Расчетное обоснование безопасности РУ КЛТ-40С и РИТМ-200

с использованием ПС КУПОЛ-МТ в определяющих проектных и запроектных авариях с разгерметизацией первого контура....................166

6.1 Описание расчетных моделей.................................................................166

6.2 Описание сценария максимальной проектной аварии

РУ КЛТ-40С и результаты расчета.........................................................170

6.3 Описание сценария запроектной аварии РУ КЛТ-40С

и результаты расчета.............................................................................171

6.4 Описание сценария максимальной проектной аварии

РУ РИТМ-200 и результаты расчета.....................................................173

6.5 Описание сценария запроектной аварии РУ РИТМ-200

и результаты расчета...............................................................................175

6.6 Выводы по главе.......................................................................................176

Заключение...........................................................................................................177

Список используемых источников....................................................................178

Условные обозначения

АЗ аварийная защита;

БИ бак-испаритель;

ГВД газ высокого давления;

ЕЦ естественная циркуляция;

ЖРО жидкие радиоактивные отходы;

30 защитная оболочка;

ИВК измерительно-вычислительный комплекс;

ИИС информационно-измерительная система;

ИПС информационно-поисковая система;

КД компенсатор давления;

ЛВС локальная вычислительная сеть;

МВЗ металловодная защита;

МПА максимальная проектная авария;

ОЗУ оперативное запоминающее устройство;

ОТ отводящий трубопровод;

ПАЭС плавучая атомная электростанция;

ПВС паровоздушная смесь;

ПГ парогенератор;

ПГБ парогенерирующий блок;

ПГС парогазовая среда;

ППУ паропроизводящая установка;

ПС программное средство;

ПСУ паросбросное устройство;

ПТ подводящий трубопровод;

РБ радиационная безопасность;

РУ реакторная установка;

САОЗ система аварийного охлаждения активной зоны;

САР система аварийного расхолаживания;

СОЗО система орошения защитной оболочки;

СПОТ 30 система пассивного отвода тепла от защитной оболочки;

ССАД 30 система снижения аварийного давления в защитной оболочке;

СУ сужающее устройство;

тк теплообменник-конденсатор;

ЦАР цистерна аварийного расхолаживания;

ЦПУ центральный пульт управления;

эпг электропарогенератор;

ЯЭУ ядерная энергетическая установка.

Введение

Актуальность темы. Развитие и безопасная эксплуатация реакторных установок атомного ледокольного флота и плавучих энергоблоков, основанных на применении судовых технологий, связаны с разработкой и применением систем, надежно выполняющих функции безопасности в любых аварийных условиях и внешних воздействиях. При этом приоритет отдаётся пассивным системам, не требующим функционирования обеспечивающих, управляющих систем и эксплуатирующего персонала. Особенно это актуально для атомных станций малой мощности, которые, являясь единственными источниками энергии (электрической, тепловой) в регионах с децентрализованным энергоснабжением, должны иметь повышенный уровень безопасности. Подобными системами оснащается большинство современных проектов АЭС, в частности АЭС-2006 (ЛАЭС-2) и АЭС региональной энергетики, что повышает устойчивость их ядерной установки не только к отказу систем электроснабжения, но и к возможным внешним экстремальным воздействиям (падения воздушных транспортных средств, землетрясения и цунами, акты террористического характера и т.д.).

В обеспечении высокого уровня безопасности в проекте атомной теплоэлектростанции на базе плавучего энергоблока с РУ КЛТ-40С специалистами ОАО «ОКБМ Африкантов» разработана пассивная система снижения аварийного давления в защитной оболочке (ССАД 30). Функционирование системы основывается на естественной циркуляции (ЕЦ) и не требует дополнительных источников энергии.

Анализ существующих подобных систем и расчетные исследования определили ряд проблемных позиций, связанных с гидродинамической неустойчивостью ЕЦ теплоносителя в контуре охлаждения при низких давлениях и обеспечением эффективного теплоотвода при различных состояниях системы. Они обусловлены, в первую очередь, общеконтурной неустойчивостью ЕЦ при близком к нулю балансном паросодержании в

подъёмной ветви контура циркуляции, когда незначительное изменение выходной энтальпии вызывает существенное изменение плотности пароводяной смеси в тяговом участке, который, в основном, и определяет движущий напор ЕЦ. При давлении, близком к атмосферному, этот вид неустойчивости, предсказанный д.т.н. Б.И. Моторовым, усугубляется значительным градиентом гидростатического давления и энтальпии насыщения воды, определяющим при незначительном падении давления бурное вскипание и гейзерный выброс воды из тягового участка контура ЕЦ, расположенного над участком с теплоподводом. Гейзер всегда связан с перегревом воды в нижней части тягового участка и в верхней части ТК относительно температуры насыщения в баке, расположенном над контуром ЕЦ.

Существенную опасность также представляют конденсационные гидроудары в трубопроводах контура охлаждения системы при контакте паровых включений с водой, имеющей температуру существенно ниже линии насыщения

Со стороны охлаждаемой парогазовой смеси в 30 ухудшение теплоотвода вызывается наличием неконденсирующихся газов, препятствующих эффективному току пара к поверхности трубной системы ТК. В связи с этим, в ряду актуальных стояла задача экспериментального обоснования эффективности работы рассматриваемой системы, разработка решений, устраняющих негативные проявления и получение экспериментального материала для верификации программных средств, используемых при обосновании проектов рассматриваемой системы. Актуальным являлось и создание на базе кода КУПОЛ-М кода КУПОЛ-МТ, адаптированного к проектам судовых РУ.

Целью работы является обеспечение и обоснование безопасности ядерных энергетических установок в авариях с потерей теплоносителя первого контура за счет применения в проектах пассивной системы снижения аварийного давления в защитной оболочке, а также модернизация и

усовершенствование адаптированного к проектам транспортных РУ кода КУПОЛ-МТ, его верификация на основе экспериментальных данных, полученных в настоящей работе.

Исходя из общей цели, в работе решались следующие задачи:

- разработка основных технических решений пассивной системы отвода тепла из защитной оболочки;

-разработка экспериментального стенда и экспериментальной модели системы;

- исследования гидродинамической неустойчивости течений в контуре охлаждения, отработка предложенных технических решений по повышению эффективности системы и исключения возникновения конденсационных гидроударов;

- разработка функциональных зависимостей по теплоотдаче при конденсации пара из паровоздушной смеси на внешней поверхности теплообменных труб, уточнение параметров моделей по теплообмену в ПС КУПОЛ-МТ;

- верификация расчетных кодов (КУПОЛ-МТ, РАСНАР-2);

- обоснование безопасности реакторных установок в авариях с потерей теплоносителя применительно к плавучей АТЭС и универсальному атомному ледоколу.

Научная новизна:

- впервые предложена и обоснована пассивная система снижения аварийного давления в 30 применительно к транспортабельным реакторным установкам;

- получены экспериментальные данные по устойчивости работы контура охлаждения;

- впервые предложена конструкция паросбросного устройства, исключающего возникновение конденсационных гидроударов;

- на основе экспериментальных исследований разработаны новые функциональные зависимости по теплообмену.

Обоснованность положений, сформулированных в диссертации. основывается на следующем:

- эксперименты выполнены на крупномасштабной полновысотной модели ССАД 30. Диапазон изменения параметров существенно перекрывал диапазон параметров для моделируемой системы;

- предлагаемые выводы и соотношения базируются на результатах экспериментов, проведенных как автором, так и другими исследователями на разных установках. В экспериментальных исследованиях использованы современные апробированные средства измерения;

- предложенные физические модели и соотношения согласуются с современными представлениями о процессах теплообмена и гидродинамики;

- верификация расчетного кода КУПОЛ-МТ проведена на большом объёме локальных и интегральных экспериментов и аналитических тестов.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные автором результаты позволили внедрить в проекты ПАТЭС с РУ КЛТ-40С и универсального атомного ледокола с РУ РИТМ-200 пассивную систему ССАД 30.

Результаты расчетно-экспериментальных исследований использованы при техническом обосновании безопасности проектов РУ КЛТ-40С и РУ РИТМ-200 в авариях с потерей теплоносителя первого контура.

Усовершенствованное и верифицированное автором ПС КУПОЛ-МТ находит широкое практическое применение при обосновании проектов судовых и стационарных АЭС с водо-водяными РУ, использующих системы, подобные ССАД ЗО.

Личный вклад автора. В процессе выполнения диссертационной работы автором было сделано следующее:

-разработан контур охлаждения ССАД 30 РУ КЛТ-40С и основные

компоненты данной системы (теплообменник-конденсатор, трубопроводы контура охлаждения, паросбросное устройство);

- разработаны основные требования к крупномасштабному стенду СПОТ 30 и программа проведения испытаний на данном стенде;

- выполнена обработка и анализ результатов экспериментов с обоснованием проектных характеристик системы;

- разработаны функциональные зависимости, описывающие интенсивность рассматриваемых процессов теплообмена;

- уточнены параметры моделей по теплообмену на внешней поверхности Б-образных труб теплообменника-конденсатора в ПС кода КУПОЛ-МТ, и выполнена его верификация;

- выполнено расчетное обоснование безопасности РУ КЛТ-40С и РУ РИТМ-200 по параметрам в 30 в максимальной проектной аварии с потерей теплоносителя первого контура.

Положения, выносимые на защиту:

• конструктивное решение контура охлаждения пассивной системы снижения аварийного давления в защитной оболочке;

• экспериментальные данные по тепловым характеристикам теплообменника-конденсатора, работающего в режиме конденсации пара из парогазовой смеси при ЕЦ теплоносителей как охлаждаемой, так и нагреваемой сред;

• экспериментальные данные по теплогидравлическим характеристикам и устойчивости контура охлаждения модели ССАД ЗО;

• функциональные зависимости по расчёту теплоотдачи при конденсации пара в присутствии воздуха;

• результаты верификации программного средства КУПОЛ-МТ;

• результаты расчетно-экспериментального обоснования безопасности РУ КЛТ-40С и РУ РИТМ-200 в авариях с потерей теплоносителя первого контура.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлялись автором на 5-й, 6-й и 7-й международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», соответственно, 29.5-1.6.2007, Подольск; 26-29.5.2009, Москва; 17-20.5.2011, Подольск; на международной конференции «Ядерная энергетика в Республике Казахстан» ЯЭ-2008», Курчатов, 11-13.06.2008; на III международной конференции «АЭС: проектирование, строительство, эксплуатация» 1.12.2009., Москва; на семинаре «Пассивные системы и водородная безопасность АЭС с ВВЭР» 23-24.11 2010, Обниск, 5-ой РНКТ, 25-29.10.2010, МЭИ (ТУ), Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано двадцать отчетов о НИР и 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК, 2 патента на изобретение.

1 Анализ схемно-конструктивных решений систем теплоотвода от защитной оболочки применительно к судовым технологиям РУ

1.1 Требования нормативной документации

Опасное воздействие судов с ЯЭУ на окружающую среду и население реально возможно только в случае возникновения радиационно-опасных аварийных ситуац