ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА БОРНОЙ КИСЛОТЫ

ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА БОРНОЙ КИСЛОТЫ В ПРОЦЕССЕ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УЛР
И.И. Шмаль
АО «Атомэнергопроект», Москва, Россия
Описание процесса. Функционирование УЛР во время протекания тяжелой ЗПА с
выходом расплава за пределы корпуса реактора определяется принятой концепцией
локализации расплава. После проплавления корпуса реактора расплав кориума попадает в
пространство, ограниченное сбоку и снизу водоохлаждаемыми стальными стенками корпуса
УЛР. Корпус УЛР обеспечивает отвод остаточных тепловыделений от ванны расплава через
коническую и цилиндрическую поверхности в режиме «кипения в большом объёме» до
срабатывания клапанов подачи воды (КПВ). После срабатывания КПВ и поступления
охлаждающей воды из пространства между корпусом УЛР и внутренней стеной шахты
реактора внутрь корпуса УЛР отвод тепла происходит и за счет испарения воды с
поверхности кориума в УЛР.
Процесс охлаждения кориума в УЛР происходит за счет испарения борного раствора,
поступившего в процессе ЗПА из первого контура, ГЕ САОЗ, СПЗАЗ (ГЕ-2), ГЕ-3, ШР ВКУ.
В связи с тем, что концентрация борной кислоты, содержащейся в паровой фазе,
пренебрежимо мала, происходит увеличение концентрации раствора борной кислоты как в
пространстве между корпусом УЛР и внутренней стеной шахты реактора, так и внутри
корпуса УЛР на поверхности кориума. Процесс накопления борной кислоты в определенных
условиях может привести к выпадению твердой фазы в рассматриваемых объемах. В этой
связи, образование твердой фазы в пространстве между корпусом УЛР и внутренней стеной
шахты реактора может привести к уменьшению или блокировке проходного сечения
коридоров для подачи охлаждающей воды к внешней поверхности УЛР; образование
твердой фазы внутри корпуса УЛР может заблокировать проходное сечение КПВ с
последующим прекращением отвода тепла с поверхности кориума.
В связи с перечисленными выше процессами, определение концентрации раствора
борной кислоты как в пределах расположения УЛР, так и внутри корпуса является
актуальной задачей.
Описание конструкции. Устройство локализации расплава предназначено для
ограничения распространения радиоактивных веществ и ионизирующих излучений за
установленные проектом границы и выхода их в окружающую среду в условиях протекания
тяжёлой ЗПА. Эта задача решается локализацией жидких и твердых радиоактивных
материалов в охлаждаемом корпусе УЛР с тем, чтобы исключить повреждение системы
герметичного ограждения зоны локализации аварии (защитной оболочки).
Локализация и охлаждение кориума осуществляются в УЛР в пределах подреакторного
помещения бетонной шахты неограниченное время. УЛР является одним из технических
средств, предусмотренных для управления тяжелыми ЗПА.
Расположение основных составных частей УЛР представлено на рисунке 1.
Основным элементом УЛР является корпус, в котором происходит удержание расплава и
размещается жертвенный материал. Конструкция корпуса с опорами представлена на
рисунке 2.
При НЭ УЛР находится в режиме ожидания, вода в бетонной шахте реактора
отсутствует. Тепловая изоляция нижней плиты охлаждается воздухом, который подаётся в
нижнюю плиту через ферму-консоль по коллектору. Нагретый воздух, выходя из тепловой
изоляции нижней плиты на площадку обслуживания, удаляется за пределы бетонной шахты
реактора по паросбросным каналам, расположенным в ферме-консоли.
1 – корпус УЛР; 2 – наполнитель; 3 - площадка обслуживания; 4 - ферма-консоль;
5 - нижняя плита
Рисунок 1 – Схема расположения УЛР в подреакторном помещении
бетонной шахты
Заполнение подреакторного помещения бетонной шахты водой при ПА с большими
течами теплоносителя первого контура в условиях полного обесточивания, в общем виде,
сводится к следующему процессу:
- истечение теплоносителя первого контура, опорожнение ГЕ САОЗ и СПЗАЗ;
- поступление воды с пола бокса парогенераторов в помещение фильтров;
- перетекание воды из помещения фильтров (бака-приямка) происходит по двум
коридорам для подачи охлаждающей воды (рисунок 1) в подреакторное помещение бетонной
шахты в соответствии с принципом сообщающихся сосудов, чем обеспечивается подвод
жидкости к наружной поверхности корпуса УЛР;
- после поступления кориума в УЛР, инверсии металла и оксидов в корпус устройства
производится сначала подача раствора борной кислоты из ШР ВКУ, а затем чистой воды из
внешних источников.
1 – опоры корпуса; 2 – корпус; 3 – парные тяги; 4 – шахта реактора
Рисунок 2 – Схема корпуса УЛР
Функционирование УЛР во время протекания тяжелой ЗПА с выходом расплава за
пределы корпуса реактора определяется принятой концепцией локализации расплава [1]. Для
определения накопления борной кислоты необходимо учесть следующие факторы:
- после проплавления корпуса реактора расплав кориума попадает в пространство,
ограниченное сбоку и снизу водоохлаждаемыми стальными стенками корпуса УЛР;
- жидкость, попадающая в корпус УЛР, способствует теплоотводу от открытой
поверхности расплава парообразованием;
- корпус УЛР обеспечивает отвод тепла от ванны расплава через коническую и
цилиндрическую поверхности в режиме «кипения в большом объёме».
Режим «кипения в большом объёме», как наиболее эффективный пассивный способ
охлаждения корпуса УЛР, приводит к изменению и перераспределению концентрации
борной кислоты в помещении фильтров и подреакторном помещении бетонной шахты.
Концентрация борной кислоты вокруг охлаждаемой поверхности корпуса УЛР в процессе
испарения воды постепенно увеличивается.
Модель раствора ортоборной кислоты,
. Раствор ортоборной, далее – борной,кислоты есть жидкость переменной плотности: плотность раствора зависит от плотности
воды
[2] и концентрации раствора борной кислоты
, эта зависимость
определена [3]. Предельная концентрация раствора борной кислоты [4], соответствующая
началу кристаллизации, зависит от температуры; рост температуры приводит к резкому
увеличению предельной концентрации раствора борной кислоты, снижение – к её
уменьшению. По достижению предельной концентрации происходит образование
двухфазной смеси; сосуществованию жидкой фазы, раствора борной кислоты при
предельной концентрации
, и твердой фазы - кристаллы борной кислоты
. Химические реакции и превращения - переход борной кислоты в иные формы
существования, в модели не рассматривались из-за отсутствия достоверных данных.
Задача 1. За начало расчета принят момент времени, когда расплав, состоящий из
расплавленного топлива, металла и оксидов, находится в корпусе УЛР.
Теплоотвод осуществляется от внешней поверхности корпуса кипящим раствором
борной кислоты. Разность содержания борной кислоты
в поступающей жидкости
(теплоноситель первого контура, ГЕ-САОЗ, СПЗАЗ ШР ВКУ) и в покидающем паре
приводит к росту концентрации раствора борной кислоты в УЛР. Принято, что поступающий
в шахту реактора раствор борной кислоты соответствует выше перечисленной
последовательности срабатывания систем. Окончание расчета – выпаривание раствора
борной кислоты, содержавшегося в теплоносителе первого контура, ГЕ-САОЗ, СПЗАЗ и ШР
ВКУ. Концентрация борной кислоты в зазоре между наружным корпусом УЛР и внутренним
корпусом шахты реактора достигает максимума, т.к. далее поступает конденсат без
содержания борной кислоты.
GШР ВКУ вх
пар
пар
пар
GКПВ вх
h кор
раствор борной кислоты
h кон
d вну
бак-приямок
помещение фильтров
б
к
h под
h КПВ
h цил
H
ш
h оп
пар
Gб
d внш
D
Рисунок 1 – Общая схема расчетной области
Расчетный объем в данной задаче - зазор между корпусом УЛР и внутренней стенкой
шахты реактора. Рассмотрена динамика изменения концентрации борной кислоты в
расчетном объеме, куда через коридор для подачи воды попадает раствор борной кислоты из
помещения фильтров.
Начальная концентрация раствора борной кислоты в расчетном объеме соответствует
содержанию борной кислоты, находившейся в виде раствора в первом контуре в
теплоносителе. Изменение концентрации раствора борной кислоты между корпусом УЛР и
внутренней стенкой шахты реактора при кипении условно разбит на два этапа:
- на первом этапе учитывается поступление раствора борной кислоты только из ГЕ
САОЗ;
- на втором этапе учитывается поступление раствора борной кислоты только из СПЗАЗ.
Варианты расчетов отличаются по начальному содержанию борной кислоты в
теплоносителе первого контура, а также по значениям концентрации раствора борной
кислоты в пассивных системах. Основные результаты для наихудшего варианта максимальной концентрации раствора борной кислоты,- представлены на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2 - Изменение массы борной кислоты и воды в расчетной области
Рисунок 3 - Изменение концентрации раствора борной кислоты и разности уровней между
опускным и подъёмным участками расчетной области
Данный расчет был выполнен при двух заданных уровнях воды в помещении фильтров –
минимальном и максимальном. Было показано, что предельные концентрации раствора
борной кислоты при этом не достигнуты, существование кристаллических образований
маловероятно, теплосъем с корпуса УЛР обеспечен. Соответственно и концентрации
различаются – при максимальном уровне жидкости, т.е. максимальном запасе воды,
концентрации минимальные.
Результаты:
а. максимальные концентрации борного раствора в зазоре между внутренней стенкой
шахты реактора и наружной поверхностью УЛР составили:
165,7 г/кг (
142 г/кг) для первого варианта расчета;
225,6 г/кг (
184 г/кг) для второго варианта расчета.
Указанные концентрации ниже, чем предельные концентрации при расчетной
температуре =380 г/кг;
б. значения массы борной кислоты и массы воды составили:
=18,3∙103 кг и
= 110∙103 кг для первого варианта расчета;
=23,8∙103 кг ,
= 106∙103 кг для второго варианта расчета.
в. значения разностей уровней составили:
= 0,22 м для первого варианта расчета;
= 0,28 м для второго варианта расчета.
г. работоспособность конструкции в рассматриваемом процессе гарантирована.
Задача 2. Начальные условия – результаты задачи 1. Для неизменной массы борной
кислоты, первоначально находившейся в виде раствора, рассматривается процесс снижения
давления и температуры. В задаче 1 постоянные величины - давление
и значение
температуры раствора, соответствующее температуре насыщения воды при заданном
давлении. В задаче 2 рассматривался процесс снижения температуры раствора борной
кислоты поэтапно: сначала до давления
и температуры жидкости,
соответствующей температуре насыщения воды при заданном давлении; затем - при
неизменном давлении
происходит снижение температуры жидкости до
.
Теплофизические параметры процесса представлены на рисунке 4.
Рисунок 4 - Изменение давления в ЗО и температуры жидкости в расчётном объёме
На результаты расчета оказывает влияние существенная зависимость предельной
концентрации раствора борной кислоты от температуры – ее резкое снижение по мере
снижения температуры раствора. Этот факт приводит к появлению твердой фазы.
Двухфазная смесь рассматривается в виде смеси раствора борной кислоты при предельной
концентрации и твердой фазы. Постулируется, что выпадение кристаллов борной кислоты
происходит в донной части расчетной области.
Цель расчета: проверка обеспечения подвода жидкости через коридоры из помещения
фильтров в зазор между внутренней стенкой шахты реактора и наружной стенкой корпуса
УЛР; проверка обеспечения теплообмена от конической части корпуса УЛР.
Основные результаты расчетов для наибольшей начальной концентрации раствора
борной кислоты представлены на рисунках 5-9.
Рисунок 5 - Изменение концентрации раствора борной кислоты в зависимости от
температуры
Рисунок 6 - Изменение плотности воды и раствора борной кислоты в зависимости от
температуры
Рисунок 7 – Изменение объёмов фаз смеси в зависимости от температуры
Рисунок 8 – Изменение основных масс в расчетном объеме в зависимости от температуры
Рисунок 9 – Изменение объемного содержания твердой фазы и разности уровней между
опускным и подъёмным участками расчетной области в зависимости от температуры
Результаты:
- расчет снижения температуры раствора борной кислоты (третий этап процесса) в
зазоре между внутренней стенкой шахты реактора и наружной поверхностью корпуса УЛР
выполнен от температуры 133,5 oC до температуры 40 oC. Учтено появление твердой фазы –
кристаллов, а также положение уровня в зазоре между внутренней стенкой шахты реактора и
наружной поверхностью корпуса УЛР.
- появление твердой фазы в растворе борной кислоты наблюдается при следующих
температурах:
- Т < 70 оС для первого варианта расчета;
- Т < 80 оС для второго варианта расчета.
- при снижении температуры раствора борной кислоты до 40 оС и выпадении твердой
фазы борной кислоты получены следующие результаты:
масса воды
= 119∙103 кг, масса борной кислоты в растворе
=10,6∙103 кг,
3
масса борной кислоты в твердой фазе
=7,65∙10 кг - для первого варианта расчета;
масса воды
= 115∙103 кг, масса борной кислоты в растворе
=10,3∙103 кг,
3
масса борной кислоты в твердой фазе
=12,6∙10 кг - для второго варианта расчета.
- в процессе охлаждения до температуры раствора борной кислоты, равной 40 оС,
объем твердой фазы борной кислоты в зазоре между внутренней стенкой шахты реактора и
наружной поверхностью корпуса УЛР составил:
= 5,33 м3 для первого варианта расчета;
= 9,45 м3 для второго варианта расчета.
- при температуре раствора борной кислоты T= 40 оС, значения разностей уровней
составили
= 0,119 м для обоих вариантов расчета.
- расчет охлаждения раствора борной кислоты до температуры T= 40 оС, показал, что
высота накопления в основании шахты реактора борной кислоты в твёрдой фазе при
пористости, равной 50%, не превышает величины, равной 0,417 м. Это значительно меньше
высоты проходного сечения коридоров, составляющей 2 м.
- таким образом, проходное сечение для воды, поступающей на охлаждение корпуса
УЛР, остаётся открытым, что обеспечивает охлаждение корпуса УЛР.
Задача 3. Данная задача является аналогом предыдущей задачи 2, но изменены
начальные условия. К моменту начала расчета произошло открытие клапанов подачи воды
(КПВ), в результате раствор борной кислоты заполнил пространство внутри корпуса УЛР
над кориумом. К этому моменту завершилась подача раствора борной кислоты из ШР ВКУ.
Для двух уровней жидкости в помещении фильтров (минимального и максимального)
были произведены расчеты процесса охлаждения раствора борной кислоты. Граничные
условия для этой задачи аналогичны задачей 2 (графическое представление - рисунок 4).
Первый вариант. Расчетная область ограничена зазором между наружной поверхностью
корпуса УЛР и внутренней поверхностью стенки шахты реактора. В этой области
сосредоточена суммарная масса борной кислоты из теплоносителя первого контура,
ГЕ-САОЗ, СПЗАЗ, ШР ВКУ. Второй вариант. Расчетная область первого варианта дополнена
объемом внутри корпуса УЛР над кориумом.
Расчеты выполнены для различного количества чистой воды, поступившей из внешних
источников в шахту реактора: V=1000 м3, V=2000 м3, V=3000 м3. Подача чистой воды из
внешних источников приводит к снижению концентрации борной кислоты.
Основные результаты представлены на рисунках 10-13.
Рисунок 10 - Изменение уровня раствора борной кислоты в зазоре между наружной
поверхностью УЛР и внутренней поверхностью шахты реактора, а также объемное
содержание твердой фазы
Рисунок 11 - Изменение объемов фаз борной кислоты
Рисунок 12 - Изменение концентраций раствора борной кислоты
Рисунок 13 - Изменение масс компонентов
Для наиболее консервативного с точки зрения безопасности варианта получены
следующие результаты:
- выпадение твердой фазы произошло после снижения температуры раствора борной
кислоты ниже 90 оС;
- при температуре раствора 40 оС масса твердой фазы борной кислоты составила
M = 20,11 т, значение объема твердой фазы - V = 14 м3 (при нулевом коэффициенте
пористости), а высота осадка h = 0,31 м. В этом случае соприкосновения осадка с нижней
частью УЛР не происходит. При величине коэффициента пористости осадка, равного 0,5,
высота осадка составит h = 0,62 м. В этом случае верхняя отметка осадка твердой фазы
достигает основания корпуса УЛР;
- для обеспечения циркуляции раствора борной кислоты и отвода тепла от УЛР
положение основания корпуса УЛР не должно быть ниже, чем 0,5 метра над полом из-за
осаждения твердой фазы борной кислоты;
- для обеспечения надежной циркуляции раствора борной кислоты и отвода тепла от
УЛР высота коридора между помещением фильтров и шахтой реактора должна составлять не
менее 2 метров.
Для оценки влияния объёма образовавшейся твердой фазы борной кислоты на изменение
проходного сечения коридоров, по которым вода из бака-приямка поступает в шахту
реактора, в расчете принято значение пористости твёрдой фазы борной кислоты равным 0,5,
при этом принято, что твёрдая фаза является неподвижной и непроницаемой для воды.
В этом случае объем твердой фазы увеличивается вдвое и составляет
= 28 м3.
В расчете принято, что местом выпадения твердой фазы в процессе остывания раствора
борной кислоты является нижняя часть расчетной области (основание шахты реактора). Для
значения пористости, равной 0,5, суммарный объем отложений составляет Vmixt=28 м3.
Задача 4. Дополнительным источником раствора борной кислоты в УЛР является
ШР ВКУ. Подача раствора борной кислоты из нее производится после открытия КПВ, когда
пространство над кориумом внутри корпуса УЛР уже объединено через КПВ с зазором
между наружной стенкой корпуса УЛР и внутренней стенкой шахты реактора. Подача
раствора борной кислоты из ШР ВКУ производится в корпус УЛР непосредственно на
кориум. Так как в образующемся паре не содержится борной кислоты, то происходит её
увеличение в охлаждающей воде. При этом рассмотрены различные варианты
конструкторско-технологических решений: количество КПВ, расходы через КПВ, сочетания
теплоотвода от корпуса УЛР и с поверхности кориума, наличие поступления конденсата в
результате функционирования СПОТ; количество подаваемой чистой воды в ШР ВКУ после
слива раствора борной кислоты – V=1000 м3, V=2000 м3, V=3000 м3.
Для демонстрации расчетов данной задачи принимаем наихудший результат для
задачи 1 – начальная концентрация раствора борной кислоты составила 142 г/кг раствора.
Мощность остаточного тепловыделения в кориуме – 19 МВт. Расход пара со свободной
поверхности кориума внутри корпуса УЛР – 2,63 кг/с, остальной пар образуется при
теплоотдаче на внешней поверхности корпуса УЛР. Расход жидкости из ШР ВКУ в УЛР –
3 кг/с, объем раствора борной кислоты в ШР ВКУ – 16 г/кг, расход конденсата из СПОТ
принят равным 0.
Результаты для этого варианта граничных условий представлены на рисунках 14-17.
Рисунок 14 – Изменение концентрации раствора борной кислоты
Рисунок 15 Массы борной кислоты
Рисунок 16 - Накопление воды в гермозоне, поступающей из внешнего источника на
охлаждение УЛР, после опорожнения ШР ВКУ
Рисунок 17 - Суммарные массы борной кислоты и воды в расчетном объеме
Результаты:
- при расходе из ШР ВКУ 3 кг/с опорожнение ШР ВКУ происходит за 27,7 часов, т.е.
1,16 суток. Это означает, что через сутки после начала слива раствора борной кислоты из ШР
ВКУ опорожнения не произошло. Через 3 суток после начала слива раствора борной кислоты
из ШР ВКУ из внешних источников подано 478 т чистой воды в УЛР;
- концентрация раствора борной кислоты внутри корпуса УЛР (в зазоре между стенкой
шахты реактора и корпусом УЛР) через 1 сутки составила 136 (141) г/кг;
- концентрация раствора борной кислоты внутри корпуса УЛР (в зазоре между стенкой
шахты реактора и корпусом УЛР) к моменту опорожнения ШР ВКУ, т.е. через 1,16 сут
составляла 135 (141) г/кг;
- концентрация раствора борной кислоты внутри корпуса УЛР (в зазоре между стенкой
шахты реактора и корпусом УЛР) к моменту опорожнения ШР ВКУ, т.е. через 3 суток
составляла 37 (116) г/кг;
- время с начала расчета, когда в ШР УЛР подано 1000 м3 чистой воды - 5,01 суток;
- время с начала расчета, когда в ШР УЛР подано 2000 м3 чистой воды - 8,87 суток;
- время с начала расчета, когда в ШР УЛР подано 3000 м3 чистой воды – 12,7 суток;
Из результатов представленного варианта расчета следует, что концентрация раствора
борной кислоты внутри корпуса УЛР снижается до пренебрежимо малых величин за 67 суток после начала подачи раствора борной кислоты из ШР ВКУ. Для зазора между
корпусом УЛР и шахтой реактора это происходит через 12-13 суток. Концентрации раствора
борной кислоты около 16 г/кг наступают после подачи 3000 м3, т.е. через 12,7 суток с
момента начала слива из ШР ВКУ.
Список условных обозначений
m, M – масса, кг;
c’ (c) - концентрация г/кг раствора (г/кг воды);
– ортоборная (борная) кислота;
H2O – вода;
ρ – плотность, кг/м3;
V - объем, м3;
p- давление, МПа;
T – температура, оС;
h ( ) – уровень (разность уровней), м;
α () – объемное (массовое) содержание твёрдой фазы, 1
e – коэффициент пористости, 1.
Список индексов
cry – твердая фаза;
liq – жидкая фаза;
mixt - смесь.
Список сокращений
НЭ – нормальной эксплуатации;
ШР ВКУ – шахта ревизии внутрикорпусных устройств;
УЛР – устройство локализации расплава;
КПВ – клапан подачи воды;
СПОТ – система пассивного отвода тепла;
ГЕ-САОЗ – гидроемкости системы аварийного охлаждения активной зоны реактора;
СПЗАЗ – система пассивного залива активной зоны;
ЗПА – запроектная авария;
ПА – проектная авария;
ГЕ-2 (ГЕ-3) – гидроемкости второй (третьей) ступени;
Список литературы
1. NW2O.B.110.&.0UJA05.JMR10.022.CA.0001.
Нововоронежская
АЭС-2
с
энергоблоками №1 и №2. Устройство локализации расплава. Пояснительная записка.
422.00.000 ПЗ. ОАО «СПбАЭП». Санкт-Петербург, 2008.
2. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и
водяного пара: Справочник. ГСССД Р-776-98. М.: Издательство МЭИ. 1999. 168 с.
3. Jari Tuumanen. Thermal-Hydraulic Studies on the Safety of VVER-440 type Nuclear Power
Plants. Thesis for the Doctor Degree of Technology. Lappeenranta, Finland, 1994.
4. Справочник химика. В 5 т.: Т. 4. Справочник химика. В 5 т.: Т. 3. Редакционная
коллегия Никольский Б.П. (гл. редактор ) и др. – М., Химия: 1965, 1168 с.