РЕЗУЛЬТАТЫ СЛЕПЫХ РАСЧЕТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ SP2 и SP3
НА УСТАНОВКЕ OSU MASLWR
, ,
ИБРАЭ РАН, Москва, Россия
Введение
В последнее время все большую популярность завоевывают проекты АЭС с пассивными системами безопасности. Проект MASLWR [1] является водо-водяным реактором тепловой мощностью 150МВт с естественной циркуляцией однофазного теплоносителя в первом контуре. Для обоснования ряда проектных решений построена масштабная экспериментальная установка OSU MASLWR [2], предназначенная для исследования процессов естественной циркуляции. Установка оснащена системами пассивной безопасности, позволяющими осуществлять отвод остаточных тепловыделений к окружающей среде неограниченное время.
В настоящей работе приведены слепые расчеты экспериментов SP2 (проектная авария с потерей питательной воды) и SP3 (естественная циркуляция в первом контуре при разных уровнях мощности), выполненные с помощью кода СОКРАТ в декабре 2011 г. Для этих расчётов потребовалось провести квалификацию граничных условий и откорректировать их в пределах погрешностей системы измерения. Это было сделано на основе имеющихся данных других экспериментов на этой установке и опыта моделирования кодом СОКРАТ.
Показано, что слепые расчеты совпали с экспериментальными данными по всем важным параметрам в пределах возможностей одномерного кода. Проведенные OSU MASLWR эксперименты могут быть использованы для верификации теплогидравлических кодов.
1. Описание реактора MASLWR и экспериментальной установки OSU MASLWR
Проект ядерной энергетической установки MASLWR (Multi-application Small Light Water Reactor) – многоцелевого водо-водяного реактора малой мощности основан на следующих концептуальных принципах:
- Модульная концепция (каждый модуль – 35 МВт(эл.))
- Естественная циркуляция первого контура в стационарных и переходных режимах
- Пассивные системы безопасности
- Малые размеры модулей – мобильность
- Область применения – малые изолированные энергосистемы
- Альтернатива – промышленное производство пара
- Гибкость – число модулей в зависимости от потребности энергосистемы
В таблице 1 приведены основные параметры первого и второго контуров установки MASLWR. Отметим, что для первого контура кроме естественной циркуляции характерно отсутствие кипения теплоносителя, что способствует улучшению водно-химического режима. Для теплообмена со вторым контуром применен теплообменник с витыми трубами (первый контур в межтрубном пространстве). Это увеличивает компактность установки.
Общая схема энергетической установки MASLWR приведена на рисунке 1. На рисунке 2 показаны барьеры и системы безопасности установки, включая защитную оболочку высокого давления (до 2 МПа) и конечный поглотитель тепла – бассейн с водой.
Таблица 1 – Основные параметры первого и второго контуров установки MASLWR.
Первый контур | Второй контур |
Тепловая мощность 150 МВт | Давление пара 1,5 МПа |
Давление 7,6 МПа | Влажность пара 0,0 % |
Расход теплоносикг/с | Температура пара 481,4 К |
Входная температура теплоноси,8 К | Температура насыщения 471,6 К |
Выходная температура теплоноси,3 К | Температура питательной воды 310,0 К |
Выходное паросодержание 0,0 % | Расход питательной воды 56,1 кг/с |
Рисунок 1 – Общая схема реакторной установки MASLWR
Рисунок 2 – Принципиальная схема установки MASLWR с системами безопасности
Экспериментальная установка OSU MASLWR построена в университете штата Орегон (Oregon State University) и предназначена для изучения устойчивости режимов естественной циркуляции первого контура прототипного реактора MASLWR. Экспериментальная установка масштабирована: по длине первого контура - 1:3, по объёму первого контура - 1:254, по времени циркуляции теплоносителя первого контура - 1:1. Проектные давление и температура первого контура составляют 11.4 MПa и 590 K соответственно. На рисунке 3 показан разрез корпуса реактора экспериментальной установки. Активная зона расположена в нижней части корпуса. Над ней расположен тяговый участок (горячая нитка), сужающийся в верхней части. После разворота теплоноситель попадает в межтрубное пространство теплообменника парогенератора, находящегося в зазоре между тяговым участком и корпусом. В нижней части корпуса (напорной камере) теплоноситель повторно разворачивается и поступает в активную зону через опорную плиту с отверстиями, которая обеспечивает равномерность расхода по сечению активной зоны. Компенсатор давления является встроенным в корпус. Для поддержания необходимого давления непосредственно под уровнем воды первого контура в верхней части корпуса расположены нагреватели, обеспечивающие нагрев воды до насыщения. Суммарная мощность нагревателей составляет 12 кВт.
Рисунок 3 – Схема первого контура установки OSU MASLWR
На рисунке 4 показана система пассивного теплоотвода от первого контура, включающая защитную оболочку (High Pressure Containment), теплопередающую пластину (Condensation Plate), масштабно моделирующую теплообмен от защитной оболочки и обеспечивающую сток тепла к конечному поглотителю и внешний бассейн-поглотитель тепла, заполненный водой при 293К и атмосферном давлении (Exterior Cooling Pool). По паровой части силовой корпус реактора и защитная оболочка связаны двумя одинаковыми линиями вентиляции VL (Vent Lines), по водяной – двумя линиями возврата конденсата SRL (Sump Return Lines). Для нормального функционирования системы расхолаживания достаточно работы одной линии VL и одной линии SRL.
Рисунок 4 – Общий вид защитной оболочки и бассейна-охладителя OSU MASLWR
Установка достаточно хорошо инструментирована. Имеется возможность записывать показания 84 термопар, 7 датчиков давления, 6 уровнемеров, и 6 расходомеров разных типов. Также на 6-ти интервалах по длине первого контура регистрируется перепад давлений. Термопары, расположенные в активной зоне, находятся не в потоке, а внутри твэлов, что минимизирует их влияние на течение теплоносителя. 30 термопар смонтировано внутри и вблизи теплопередающей пластины на нескольких высотных отметках. Это позволяет регистрировать как температуру среды вблизи (~1-2 мм) стенки так и внутри нее, и, таким образом, рассчитывать тепловой поток и коэффициенты теплоотдачи.
Имеется возможность при помощи специальных нагревателей увеличить температуру стенки HPC, для исключения конденсации на немасштабных поверхностях.
Конфигурация экспериментальной установки MASLWR Орегонского университета похожа на конфигурацию АЭС с ВВЭР-640/В-407 при долговременном пассивном отводе тепла в авариях LOCA. Поэтому результаты экспериментов представляют и самостоятельную ценность с точки зрения дополнительной оценки пассивных систем, предусмотренных в проектах В-407, В-478 и В-498.
2. Описание расчетной схемы OSU MASLWR для РК СОКРАТ
Для расчета экспериментов по коду СОКРАТ построена расчетная схема, содержащая 220 гидравлических ячеек и 12 тепловых структур. На рисунке 5 приведена схема реактора, включающая первый и второй контур в пределах корпуса реактора и соединительные линии реактора с защитной оболочкой. Активная зона разделена на 2 группы нагреваемых стержней (core_int и core_ext), электрическая мощность которых являлась граничным условием при моделировании экспериментов. Модель защитной оболочки (HPC, High Pressure Containment) представлена на рисунке 6. Для слепых расчетов использовалась одномерная нодализация. Для открытых расчетов в целях улучшения моделирования перемешиваемости среды была разработана псевдо-двумерная модель. Для упрощения конечный поглотитель тепла (CPV, Coolant Pool Vessel) на расчетной схеме не показан. К особенностям схемы следует отнести возможность моделирования следующих процессов: ЕЦ первого контура, спиральный теплообменник парогенератора, критическое истечение через систему вентиляции ADS VL с соотношением длины к диаметру L/D~500, пристеночная конденсация в присутствии неконденсирующихся газов в защитной оболочке.
|
|
Рисунок 5 – Расчетная схема реактора OSU MASLWR для расчетов по РК СОКРАТ
Кроме электрической мощности в качестве граничных условий задавались температура и расход питательной воды, давление пара, температура окружающей среды. Граничные экспериментальные данные предоставлены со скважностью 1 секунда. До проведения экспериментов SP-2 и SP-3 на установке проводился ряд тестов, на основании которых были оценены теплопотери установки, скорости течения теплоносителя первого контура, расходы через линии вентиляции и возврата конденсата. Соответствующие коэффициенты локальных сопротивлений добавлены в расчетную схему перед проведением слепых расчетов.
|
|
Рисунок 6 – Расчетная схема защитной оболочки OSU MASLWR для РК СОКРАТ
3. Описание экспериментов на установке OSU MASLWR и их моделирования РК СОКРАТ
На экспериментальной установке в рамках международной стандартной задачи было проведено два эксперимента. Целевой функцией эксперимента SP-2 являлось изучение стабильности систем с естественной циркуляцией и связанного теплогидравлического поведения системы теплоносителя реактора, защитной оболочки и конечного поглотителя. Стабильность имеет решающее значение для успешного функционирования большинства пассивных систем безопасности, предназначенных для отвода остаточного тепла после срабатывания аварийной защиты реактора. Целевой функцией эксперимента SP-3 являлась проверка стабильности системы в режимах маневрирования мощностью. Спецификой маневрирования является существенное изменение температуры первого контура с изменением мощности активной зоны при сохранении параметров пара, поступающего на турбину.
Участниками стандартной задачи были следующие организации:
- AERB (Индия), BARС (Индия),
- OSU (США), USNRC (США),
- CIAE (Китай), SJTU (Китай), TU (Китай),
- ОКБ «ГИДРОПРЕСС» (Россия), ИБРАЭ РАН (Россия),
- KAERI (Ю. Корея), KINS (Ю. Корея),
- SERCO (Великобритания),
- UNIPA (Италия), UNIPI (Италия).
В качестве исходного события эксперимента SP-2 принимался отказ насоса питательной воды. После осушения парогенератора начинается рост давления первого контура, отключается нагреватель в КД и срабатывает аварийная защита. При дальнейшем росте давления открывается клапан PCS-106A на линии вентиляции VL, и пар начинает поступать в защитную оболочку. При повышении давления в ЗО до ~1,8 МПа клапан закрывается, при снижении до ~1,5 МПа открывается вновь. Циклическая работа клапана позволяет отводить запасенное тепло в первом контуре и остаточное тепловыделение в активной зоне в защитную оболочку и далее через теплопередающую пластину к конечному поглотителю. При снижении разности давлений между первым контуром и защитной оболочкой до 0,034 МПа открываются клапана на линиях слива конденсата и клапан на второй линии вентиляции. Уровень в корпусе реактора восстанавливается и начинается стадия длительного расхолаживания. Эксперимент заканчивается, когда давление в системе реактор – защитная оболочка опускается до 0,6 МПа. В таблице 2 приведены основные события эксперимента SP-2. Момент время первого открытия клапана PCS-106A задавался в качестве граничных условий, поскольку необходимое давление в первом контуре в расчете не было достигнуто.
Таблица 2 – Основные события эксперимента SP-2 на OSU MASLWR, слепой расчет по РК СОКРАТ.
Событие | Время, с |
Останов питательного насоса | 0,0 |
Давление в КД достигло 9.064 МПа, отключение нагревателей КД | 25,5 |
Срабатывание аварийной защиты, переход на кривую мощности остаточного тепловыделения. | 30,0 |
Открытие клапана PCS-106A | Таблица 3 |
Начало длительного расхолаживания установки | 4052,9 |
В таблице 3 приведены данные о моментах открытия и закрытия клапана на линии вентиляции. Из таблицы следует, что интервал времени, при котором клапан находился открытым, в расчете приблизительно на 5-10% меньше во всем диапазоне давлений первого контура. Интервал времени, при котором клапан закрыт, в начале истечения в расчете меньше приблизительно на 20%, а в конце – практически совпадает. Это свидетельствует о переоценке РК СОКРАТ скорости конденсации пара в защитной оболочке в начальный момент времени.
В таблице 4 приведены данные о расчете стационара эксперимента SP-2. Все расчетные параметры укладываются в пределы точности измерений на установке, что свидетельствует о хорошей согласованности экспериментальных данных и способности РК СОКРАТ адекватно моделировать естественную циркуляцию первого контура и теплообмен со вторым контуром через витые трубки парогенератора.
Таблица 3 – Работа клапана PCS-106A на линии VL в эксперименте SP-2 на OSU MASLWR, сопоставление экспериментальных данных и слепого расчета по РК СОКРАТ.
Эксперимент | Расчет по РК СОКРАТ | |||
Номер события | Время открытия (с) | Время закрытия (с) | Время открытия (с) | Время закрытия (с) |
1 | 48,00 | 131,00 | 48,02 | 131,70 |
2 | 165,00 | 175,00 | 160,00 | 167,68 |
3 | 222,00 | 231,00 | 209,41 | 216,57 |
4 | 287,00 | 295,00 | 270,91 | 277,91 |
5 | 359,00 | 367,00 | 341,41 | 348,42 |
6 | 434,00 | 443,00 | 416,52 | 423,53 |
7 | 512,00 | 520,00 | 493,60 | 500,63 |
8 | 591,00 | 599,00 | 571,99 | 579,05 |
9 | 670,00 | 678,00 | 651,12 | 658,19 |
10 | 750,00 | 758,00 | 730,61 | 737,72 |
11 | 830,00 | 838,00 | 810,64 | 817,83 |
12 | 911,00 | 919,00 | 891,41 | 898,63 |
13 | 993,00 | 1000,00 | 972,58 | 979,86 |
14 | 1074,00 | 1082,00 | 1054,32 | 1061,68 |
15 | 1156,00 | 1164,00 | 1136,71 | 1144,11 |
16 | 1240,00 | 1248,00 | 1219,34 | 1226,81 |
17 | 1323,00 | 1331,00 | 1302,43 | 1309,96 |
18 | 1406,00 | 1414,00 | 1385,72 | 1393,36 |
19 | 1490,00 | 1498,00 | 1469,65 | 1477,37 |
20 | 1574,00 | 1582,00 | 1554,00 | 1561,83 |
21 | 1658,00 | 1666,00 | 1639,00 | 1646,92 |
22 | 1743,00 | 1751,00 | 1724,27 | 1732,29 |
23 | 1828,00 | 1836,00 | 1809,84 | 1818,00 |
24 | 1913,00 | 1922,00 | 1895,81 | 1904,06 |
25 | 1999,00 | 2008,00 | 1981,92 | 1990,32 |
26 | 2085,00 | 2094,00 | 2068,47 | 2077,02 |
27 | 2171,00 | 2181,00 | 2155,48 | 2164,17 |
28 | 2259,00 | 2268,00 | 2242,93 | 2251,81 |
29 | 2345,00 | 2355,00 | 2330,96 | 2340,00 |
30 | 2433,00 | 2443,00 | 2419,38 | 2428,62 |
31 | 2521,00 | 1531,00 | 2508,39 | 2517,81 |
32 | 2609,00 | 2619,00 | 2597,64 | 2607,30 |
33 | 2697,00 | 2707,00 | 2687,46 | 2697,39 |
34 | 2786,00 | 2796,00 | 2777,86 | 2788,07 |
35 | 2876,00 | 2886,00 | 2869,00 | 2879,47 |
36 | 2966,00 | 2977,00 | 2960,83 | 2971,66 |
37 | 3056,00 | 3068,00 | 3053,58 | 3064,75 |
38 | 3148,00 | 3160,00 | 3146,97 | 3158,53 |
39 | 3240,00 | 3252,00 | 3240,96 | 3252,99 |
40 | 3332,00 | 3345,00 | 3335,65 | 3348,17 |
41 | 3426,00 | 3439,00 | 3431,26 | 3444,34 |
42 | 3521,00 | 3535,00 | 3527,70 | 3541,43 |
43 | 3617,00 | 3632,00 | 3625,51 | 3640,09 |
44 | 3715,00 | 3731,00 | 3724,90 | 3740,38 |
45 | 3814,00 | 3832,00 | 3825,73 | 3842,38 |
46 | 3917,00 | 3938,00 | 3928,44 | 3946,58 |
47 | 4024,00 | нет | 4033,34 | нет |
Таблица 4 – Параметры стационарного состояния для эксперимента SP-2 OSU MASLWR.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 |
