Основы метода повышения эффективности управления тяжелыми авариями в

Основы метода повышения эффективности управления тяжелыми авариями в
корпусных реакторах для предотвращения парогазовых взрывов
Д.В. Билей, С.В. Васильченко, А.В. Шавлаков, А.А. Ключников*), В.И. Скалозубов*)
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:
dTТСМ diТСМ
,
 0,
(1)
dt
dt
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:
dM П
0.
(2)
dt
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:
dP  dP 

(3)
  Pкр .
dt  dt  кр
Значения Pкр
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.
GУТ
GЖО, iЖО
Р
МТ, iТ(TТ)
VПГ
GПЖ
GР
VЖ, iЖ(ТЖ)
МР, iР(TР)
Рис. 1. Теплогидродинамическая модель условий парогазовых взрывов
в процессе ТА.
С учетом принятых допущений теплогидродинамическая
возникновения парогазовых взрывов имеет вид:
dM П
 GПЖ  GУТ  GКОН
dt
dM Т
 GР
dt
модель
условий
(4)
(5)
dM ЖО
 G ЖО  GКОН
dt
dM П iП
 GПЖ iП  q ПТ П ПТ  qКОН П КОН
dt
dM T iT
 q ПТ П ПТ  QV iТ   q ЖОТ П ЖОТ  GPiT
dt
dM ЖО i ЖО
 qКОН П КОН  q ЖОТ П ЖОТ
dt
dM Ж
 GПЖ  G ЖО  GКОН
dt
dM P
 GP
dt
dM Ж i Ж
 GПЖ i  q ЖР П ЖР  G ЖО  GКОН i ЖО
dt
dM Р iР
 GP iT  q ЖР П ЖР  QVP iP  ,
dt
(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; Ж, П –
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 = Ж(ТР – ТЖ)
(15)
qПТ = П(ТТ – ТП)
(16)
qЖОТ = ЖО(ТТ – ТЖО)
(17)
С учетом сжимаемости и термодинамической неравновесности пара
dM П
dV
dР  1  П iП 

,
  П ПГ  VПГ

dt
dt
dt  аП2 iП Р 
(18)
где П, 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)  GУТ(t) + GКОН(t)
(19)
QVT(iT) < qПТППТ + qЖОТПЖОТ
(20)
QVР(iР) < qЖРПЖР – GP(iT – iР
(21)
GПЖ (1   П /  Ж )  GКОН (1   П /  Ж )  GУТ  G ЖО  П /  Ж
<1
 1  П iП 
Ркр

VПГ  2 

 а П iП Р 
(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:
F1  GПЖ t   GКОН t   0
(23)
F2  q ЖОТ П ЖОТ GЖО   qПТ П ПТ  QVT iT   0
(24)
F3  q ЖР П ЖР GЖО   GP iT  iP   QVP iP   0


GПЖ 1  П
 Ж
F4  Pкр 
Fk
(25)


 

  GКОН 1  П   GУТ  П G ЖО
Ж

 Ж 
0
 1  П iП 

VПТ  2 
 а П iП Р 
(26)
Область эффективного
регулирования взрывобезопасности
Fk > 0
F1
F4
F3 GЖО
Оптимальные расходы охлаждения
F2
Область неэффективного
регулирования взрывобезопасности
Fk < 0
.
Fk
F4
Область эффективного
регулирования взрывобезопасности
Fk > 0
GУТ
Оптимальные
расходы
F1
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. В.И. Скалозубов, А.А. Ключников, В.Н. Ващенко, С.С. Яровой «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.