Курс лекций по физике ядерного реактора Аварийные ситуации Радиоактивные отходы Термоядерные реакторы Источники радиоактивного облучения

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

Последовательность событий после возникновения разрыва

показана на рис. 4.13-4.17, где проиллюстрирована ситуация во всем контуре реактора. На рис. 4.18 дано более детальное изображение событий в самом корпусе реактора. Можно выделить следующие основные фазы аварии.

Фаза выброса. При нормальном рабочем режиме (см. рис. 4.4 и 4.18,а) вода совершает следующий путь: поступает по входным трубопроводам (холодным трубопроводам) в корпус реактора, опускается по кольцевому зазору, окружающему активную зону, поднимается сквозь активную зону и затем покидает корпус реактора, направляясь по выходным трубопроводам (горячим трубопроводам) в парогенератор Если же в одном из холодных трубопроводов возникает разрыв, то через него начинает происходить выброс содержимого корпуса и первого контура реактора, как это показано на рис. 4.13 и 4.18,6. В первые моменты скорость падения давления очень высока, но затем она уменьшается вследствие образования в контуре и корпусе пароводяной смеси, причем скорость истечения этой смеси через разрыв намного ниже, чем для однофазной жидкости. Примерно через 10 с давление падает настолько, что становится возможной подача воды из системы инжекции высокого давления и гидроаккумуляторов системы аварийного охлаждения, соединенных с холодными трубопроводами.

Т.аблица 4.2. Характерная температура, соответствующая наиболее важным явлениям, происходящим при разогреве активной зоны

Температура, 0С

Явление

350

Примерная температура топливной оболочки при нормальном режиме работы

800 - 450

Перфорация или свеллинг оболочки в результате повышения внутреннего давления газа в стержне в послеаварийный период утечка некоторых газообразных продуктов деления; начало реакции в твердой фазе между нержавеющей сталью и циркалоем. В результате свеллинга оболочек может произойти блокировка некоторых каналов с теплоносителем

1450 - 1500

Реакция циркалоя с паром может привести к выделению энергии превышающей остаточное тепловыделение; охрупчивание циркалоя при поглощении газа, образование водорода. Плавление металлических сплавов

1500—1650

Реакция циркалой - пар может принять автокаталитический характер, если циркалой не будет охлажден поступающей водой.

1900

Плавление циркалоя; при превышении 21500С существенно возрастает утечка продуктов деления из UO2

2700

Плавление UO2 и ZrO2

Фаза байпасирования. Первое время после включения системы аварийного охлаждения активной зоны, начинающегося с ввода в действие системы инжекции высокого давления и гидроаккумуляторов, в кольцевом опускном участке, по которому в нормальных рабочих условиях протекает вода, все еще сохраняется значительное восходящее течение пара, препятствующее поступлению воды из гидроаккумуляторов в область корпуса под активной зоной (нижнюю камеру), так что вода просто обходит вход в кольцевой зазор и вытекает через разрыв, как показано на рис. 4.14 и 4.18,в.

Фаза повторного заполнения нижней камеры. Заполнение нижней камеры (фаза повторного заполнения нижней камеры, см. рис. 4.15 и 4.18,в) начинается после дальнейшего понижения давления, когда восходящий поток пара в кольцевом зазоре становится достаточно малым и перестает ограничивать поступление воды в системы аварийного охлаждения активной зоны. К этому времени должно произойти включение системы инжекции низкого давления. В типичном реакторе PWR повторное заполнение нижней камеры начинается примерно через 23 с после разрыва и занимает 17 с, завершая, таким образом, эту фазу аварии.

Фаза повторного затопления активной зоны. На самом раннем этапе фазы выброса происходит осушение активной зоны и температура топливных элементов начинает быстро повышаться, после чего она относительно медленно понижается в результате охлаждения активной зоны потоком пара. В типичном случае температура топливных элементов достигает примерно 1000 0С, что ведет к их разрушению, сопровождающемуся утечкой газообразных продуктов деления в первый контур и через разрыв - в защитную оболочку. Поведение типичного топливного элемента при изменении температуры показано в табл. 4.2. После заполнения нижней камеры начинается фаза повторного затопления активной зоны (см. рис. 4.16 и 4.18,г), в ходе которой происходит повторное смачивание топливных элементов в направлении снизу вверх. На этом этапе во входе в кольцевой зазор по-существу сохраняется постоянный напор жидкости, а избыток поступающей из системы аварийного охлаждения воды вытекает через разрыв, как это показано на рисунке. По мере повторного смачивания топливных элементов происходит образование значительного количества пара, так что уносимые им капли жидкости опережают фронт повторного смачивания и выносятся в верхнюю камеру. Отсюда парожидкостная смесь поступает в парогенератор и затем через циркуляционный насос снова в холодный трубопровод, вытекая в итоге через разрыв. В парогенераторе капли жидкости частично испаряются обратным потоком тепла, поступающим от теплоносителя второго контура (все еще находящегося в горячем состоянии). Сопротивление контура, по которому проходит парожидкостная смесь, приводит к образованию а верхней камере противодавления, которое ограничивает скорость повторного затопления активной зоны. Это явление часто называют паровой пробкой. Наибольшее сопротивление на пути из верхней камеры через парогенератор и циркуляционный насос к разрыву создается в том случае, когда все капли, вылетающие из активной зоны, попадают в парогенератор, а ротор циркуляционного насоса находится в заблокированном состоянии. Однако сопротивление значительно уменьшается, а скорость затопления существенно возрастает, если капли оседают на конструкциях верхней камеры и, таким образом, не выносятся из корпуса, а ротор насоса находится во вращающемся состоянии.

Долговременное охлаждение. По истечении достаточного промежутка времени ситуация становится такой, как это показано на рис. 4.17. Насосы системы инжекции низкого давления подают воду в неповрежденный холодный трубопровод, в результате чего создается напор жидкости, под действием которого происходит движение воды через активную зону в режиме естественной циркуляции. В активной зоне возможно образование пара и его дальнейший вынос с вытекающей через разрыв водой, как показано на рисунках. Этот образующийся пар конденсируется под оболочкой струями воды, также разбрызгиваемыми насосами системы инжекции низкого давления.

При проектировании реакторов PWR обычно выполняются два типа расчетов, в основе которых лежит либо оценочная модель, либо наиболее совершенные расчетные методы. В оценочной модели для описания различных явлений используются уравнения и предпосылки, которые, как полагают, приводят к наихудшему воображаемому результату. Например, обычно предполагают, что в фазе выброса вода из системы аварийного охлаждения не поступает в корпус реактора. В наиболее совершенных расчетных методах различные явления описываются наилучшими имеющимися физическими моделями, и делается попытка на их основе рассчитать поведение системы. Следует, однако, отметить, что расчет двухфазных потоков, особенно при быстрых переходных процессах и в трубопроводах большого диаметра, обычно используемых в реакторах, все еще связан со значительной неопределенностью. Как указывалось в гл. 3, двухфазные потоки имеют очень сложный характер и во многих отношениях плохо изучены. Поэтому было бы нецелесообразно особенно полагаться на моделирование двухфазных течений в качестве основы для проектирования реактора. Некоторые критически настроенные специалисты заявляют, что существующая неопределенность описания двухфазных потоков означает отсутствие безопасности работы реактора. Значительный опыт нашей работы согласуется с такой оценкой современного состояния моделирования двухфазных течений, однако мы не можем согласиться с тем, что конструкция реактора основана только на результатах этого моделирования. Конструкция должна удовлетворять критериям, установленным с очень большим запасом надежности, не зависящим от наших представлений о детальных характеристиках двухфазных потоков.

На рис. 4.19 показано изменение со временем максимальной температуры оболочки топлива, рассчитанное по оценочной модели и наиболее совершенным методикам, соответственно. Сплошной линией обозначены результаты, полученные при использовании весьма осторожного подхода к оценке безопасности; результаты наилучших методик приведены с диапазонами погрешностей.

Рис. 4.19. Изменение со временем максимальной температуры оболочки топлива при аварии с потерей теплоносителя через крупный разрыв:

1 - лучшая оценка максимальной температуры и времени ее достижения (в пределах погрешности); 2 - расчеты, используемые при лицензировании; 3 - лучшая оценка момента повторного охлаждения (в пределах погрешности)

Рис..4.20. Распухание оболочки топлива под действием внутреннего давления:

1 - нормальные топливные стержни; 2 - распухание топливных стержней; 3 - топливные таблетки; 4 - оболочка; 5 - дистанционирующая решетка


На главную страницу. Реакторы атомных станций