Основы метода повышения эффективности управления тяжелыми авариями в корпусных реакторах для предотвращения парогазовых взрывов

, , *), *)

Государственное предприятие Национальная атомная энергогенерирующая

компания «Энергоатом», г. Киев, Украина

*) Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины,

г. Киев, Украина

Уроки большой аварии на АЭС Fukushima-Daichi определяют необходимость совершенствования моделирования и анализа условий возникновения парогазовых взрывов в процессе развития тяжелых аварий для повышения эффективности их управления.

Основные ограничения методического обеспечения при детерминистском анализе безопасности отечественных энергоблоков в отношении условий возникновения парогазовых взрывов связаны со следующими положениями:

1) критерии дефлаграции/детонации водорода по диаграмме Шапиро-Монффетти не обоснованы для существенно динамических и неравновесных этапов развития тяжелых аварий;

2) отсутствует методическое обеспечение моделирования паровых «энергетических» взрывов, которые фактически исключены из рассмотрения как относительно маловероятные события.

В процессе тяжелых аварий (ТА) на ВВЭР наиболее вероятными в отношении условий возникновения и опасными по последствиям являются взрывы водородсодержащих смесей (ВПВС) и паровые (энергетические) взрывы.

Скорость пароциркониевой реакции (генерация массы газообразного водорода в единицу времени) определяется, в основном, температурой (удельной энтальпией) ТСМ и становится существенной при температурах, превышающих условия повреждения циркониево-содержащих оболочек твэлов. Поэтому обеспечение условий стабильного снижения температуры ТСМ является доминантным фактором снижения массы и концентрации генерируемого газообразного водорода, а, следовательно, и одним из консервативных термодинамических критериев взрывобезопасности ВПВС:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

, (1)

где ТТСМ, iТСМ – температура и удельные энтальпии ТСМ соответственно; t – время.

Консервативность критерия определяется тем, что в случае невыполнения условия (1) произойдет взрыв ВПВС; т. е. полагается, что в этих условиях локальных концентраций водорода и кислорода будет достаточно для возникновения процессов дефлаграции/детонации вне зависимости от концентрации водяного пара, азота, инертных газов и других рекомбинаторов.

Также важными факторами, определяющими условия взрывобезопасности ВПВС, являются масса и концентрация водяного пара, являющегося по сути декатализатором взрыва ВПВС. Поэтому обеспечение условий стабильного поддержания массы водяного пара МП, а соответственно, и концентрации в парогазовой смеси является вторым консервативным критерием взрывобезопасности ВПВС:

. (2)

Скорости изменения температуры ТСМ и массы водяного пара определяются интенсивностью процессов тепломассообмена и тепломассопереноса между ТСМ, теплоносителем и парогазовой смесью, а также условиями организации охлаждения в процессе развития ТА.

Для парового (энергетического) взрыва основным критерием его возникновения является превышение скорости роста давления в парогазовом объеме dP/dt соответствующих критических значений энергетической детонации парогазовой смеси:

. (3)

Значения определяются локальными физико-химическими свойствами парогазовой среды в условиях возможной детонации. Скорость роста давления в парогазовом объеме определяется интенсивностью процессов тепломассообмена и тепломассопереноса в условиях возможной детонации (в данном случае – в условиях многофазного теплогидродинамического взаимодействия ядерного топлива, конструкций, теплоносителя, источников охлаждения и парогазовой среды при развитии ТА в оборудовании/системах корпусных реакторов).

Теплогидродинамическое обоснование условий возникновения парогазовых взрывов для внутрикорпусной или внекорпусной стадии ТА проводится на модели приведенного объема, содержащего сосредоточенный парогазовый объем Vпг, бассейн теплоносителя объемом Vж с массой расплава топлива Мр (рис. 3.10). Подача охлаждающей воды в приведенный объем от СБ моделируется источником с общим расходом GжО и удельной энтальпией (температурой) iт(Тт). Удаление парогазовой среды в общем случае через организованные и неорганизованные неплотности приведенного объема моделируются суммарным расходом GУТ. Основные источники водорода и тепла (в том числе в результате пароциркониевой реакции) моделируются сосредоточенными ТСМ в парогазовом объеме (с приведенной массой МТ и удельной энтальпией iТ(ТТ)) и расплава ТСМ в бассейне теплоносителя (МР, iР). Консервативно полагается, что сосредоточенные ТСМ имеют максимальные температуры наиболее теплонапряженных элементов и соответствующие теплофизические свойства.

Рис. 1. Теплогидродинамическая модель условий парогазовых взрывов

в процессе ТА.

С учетом принятых допущений теплогидродинамическая модель условий возникновения парогазовых взрывов имеет вид:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

, (13)

где GПж – расход парообразования в бассейне с жидкостью; GКОН – массовый расход сконденсировавшегося пара; GУТ – расход через неплотность объема; МР, GР – масса и расход расплава топлива в бассейне жидкости; iЖ, iП, iт, iР – удельные энтальпии жидкости, пара, топливных конструкций в парогазовом объеме и расплава в бассейне жидкости соответственно; qЖР, qТП – плотность тепловых потоков между жидкостью/расплавом и топливом/паром соответственно; ПЖР, ПТП – площади поверхности контакта между жидкостью/ расплавом и топливными элементами/паром соответственно; QVT, QVP – удельные внутренние источники тепловой энергии топливных конструкций в парогазовом объеме и расплава; МТ – масса топливных элементов в парогазовом объеме; МЖО, iЖО, GжО – масса, удельная энтальпия и суммарный расход источника охлаждения; aЖ, aП – коэффициенты теплоотдачи между ТСМ с жидкостью и паром соответственно; qКОН – плотность теплового потока при конденсации пара; ПКОН – контактная площадь конденсации; qЖОТ, ПЖОТ – плотность теплового потока и контактная площадь теплообмена между ТСМ в парогазовом объеме и источником охлаждения.

Граничные условия межфазного теплообмена:

Gкон(iП – iЖО) = qконПкон (14)

qЖР = aЖ(ТР – ТЖ) (15)

qПТ = aП(ТТ – ТП) (16)

qЖОТ = aЖО(ТТ – ТЖО) (17)

С учетом сжимаемости и термодинамической неравновесности пара

, (18)

где rП, аП – плотность пара и скорость звука в паре соответственно; VПГ – «свободный» от конструкций парогазовый объем.

Таким образом, консервативные термодинамические критерии взрывобезопасности на внутри - и внекорпусной стадиях ТА:

GПЖ(t) ³ GУТ(t) + Gкон(t) (19)

QVT(iT) < qПТППТ + qЖОТПЖОТ (20)

QVР(iР) < qЖРПЖР – GP(iT – iР (21)

< 1 (22)

Оценка выполнения условий парогазовых взрывов в корпусе реактора или в контайнменте возможна на основе детерминистского расчетного моделирования аварийных процессов с применением обоснованных для условий ВВЭР зависимостей межфазного тепломассообмена и переноса.

Качественный анализ полученных критериев позволяет сделать следующие выводы.

1. Определяющими параметрами условий парогазовых взрывов являются источники экзотермических химических реакций QVT, QVP, процессы тепломассообмена и переноса между ТСМ и теплоносителем qЖРПЖР, qЖОТПЖОТ, условия организованных и неорганизованных протечек GУТ и интенсивности процессов конденсации GКОН, которые могут изменяться на разных стадиях ТА. Поэтому обоснованность условий парового взрыва напрямую связано с обоснованностью и применимостью расчетных зависимостей для оценки условий межфазного взаимодействия в условиях ТА на ВВЭР. Необходимо выполнять верификацию и валидацию не только детерминистских кодов, моделирующих в целом поведение аварийных процессов, но и расчетных зависимостей межфазного взаимодействия.

2. Основными управляющими параметрами (доступным регулированием которых можно влиять на выполнимость критериев взрывобезопасности в процессе ТА) являются расход охлаждающей жидкости от СБ GжО и расход организованного удаления парогазовой среды GУТ.

Анализ полученных критериев определяет неоднозначность влияния управляющих параметров на взрывобезопасность:

увеличение расхода организованного удаления парогазовой среды, с одной стороны, способствует снижению концентрации водорода в корпусе реактора или контайнменте (повышение водородной взрывобезопасности) и снижению скорости роста давления (повышение энергетической взрывобезопасности), а с другой стороны, уменьшает массу (концентрацию) водяного пара, который является декатализатором взрыва водорода (понижение водородной взрывобезопасности);

увеличение расхода охлаждающей жидкости, с одной стороны, интенсифицирует процессы межфазного тепломассообмена (в том числе конденсации) и способствуют снижению температуры ТСМ (повышение взрывобезопасности), а с другой стороны, быстрая интенсификация охлаждения ТСМ может привести к растрескиванию или фрагментации охрупченных и окисленных поверхностей под действием больших термических напряжений, срыву устойчивого пленочного кипения и формированию новых «оголенных» высокотемпературных поверхностей ТСМ, что способствует повышению окисления и плавления циркалоя с последующим перемещением, повторному быстрому росту температуры, давления и оборудования водорода (понижение взрывобезопасности). В частности, последний из приведенных эффектов является одним из актуальных вопросов известной проблемы взрывобезопасности по неопределенности целесообразности «повторного залива» поврежденных ТСМ [1]: до настоящего времени отсутствует однозначная определенность в отношении необходимости «повторного залива» (подача охлаждения на поврежденные ТСМ) для обеспечения взрывобезопасности.

Последние события на АЭС Фукусима-1 только обострили актуальность неопределенности влияния эффектов от управляющих параметров взрывобезопасности: все действия персонала были направлены на однозначное увеличение расхода охлаждающих сред на поврежденное топливо и превентивных сбросов парогазовой среды; но, вместе с тем, не удалось избежать процессов горения и детонации, приведших к разрушению ЗББ и катастрофическим выбросам радиоактивных продуктов в окружающую среду.

Условием оптимизации расходов охлаждающей среды GжО и организованного удаления парогазовой среды GУТ является положительность всех целевых функций:

(23)

(24)

(25)

(26)

.

Диапазоны оптимальных расходов охлаждающей среды и удаления парогазовой среды определяют область эффективного регулирования теплогидродинамических параметров взрывобезопасности и управления ТА на внутри - и внекорпусных стадиях.

Список литературы

1. , , «Анализ причин и последствий аварии на АЭС Fukushima как фактор предотвращения тяжелых аварий в корпусных реакторах // Монография – Чернобыль: Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, 2012. – 280 с.