Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Постановка проблемы и анализ литературы 12
1.1 Cистема быстрого ввода бора как средство повышения безопасности АЭС 12
1.2 Вытеснение раствора борной кислоты из емкостей системы 14
1.3 Анализ совместной работы ГЦНА с каналами СБВБ 18
1.4 Перемешивание теплоносителя в реакторе 23
Выводы по Главе 1 26
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование процесса вытеснения раствора борной кислоты из емкостей СБВБ 28
2.1 Конструкция модели и основы моделирования 28
2.2 Методика проведения экспериментов и обработки результатов 33
2.3 Результаты экспериментов 39
2.4 Анализ результатов экспериментов на стенде 48
Выводы по Главе 2 49
ГЛАВА 3. Испытания системы быстрого ввода бора на АЭС 51
3.1 Методика проведения испытаний и обработки результатов 51
3.2 Результаты испытаний и их анализ 61
3.3 Сравнение результатов экспериментов на стенде с измерениями во время пусконаладочных работ на АЭС 78
Выводы по Главе 3 85
ГЛАВА 4. Расчетный анализ вытеснения раствора борной кислоты из емкостей СБВБ 87
4.1 Расчетное моделирование процесса вытеснения 87
4.2 Сравнение результатов расчетов и экспериментов 89
4.3 Влияние разницы плотностей теплоносителя первого контура и раствора борной кислоты в емкостях на процесс вытеснения раствора 94
4.4 Влияние геометрии корпуса и внутрикорпусных устройств емкости на процесс
вытеснения раствора 98
Выводы по Главе 4 108
Выводы по диссертации 110
Список литературы 113
- Вытеснение раствора борной кислоты из емкостей системы
- Методика проведения экспериментов и обработки результатов
- Сравнение результатов экспериментов на стенде с измерениями во время пусконаладочных работ на АЭС
- Влияние разницы плотностей теплоносителя первого контура и раствора борной кислоты в емкостях на процесс вытеснения раствора
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии со "Стратегией развития атомной энергетики России в первой половине ХХI века" прогнозируется ускоренное строительство АЭС в густонаселенной европейской части страны, где имеется значительная потребность в электроэнергии. Основная часть этих АЭС будет оснащена РУ с ВВЭР, при эксплуатации которых необходимо обеспечить высокую степень безопасности. Безопасность современного поколения реакторов обеспечивается, главным образом, повышением надежности различных систем безопасности, ужесточением требований к оборудованию и персоналу.
Основанием для включения в проекты реакторных установок системы быстрого ввода бора явился пункт 2.3.1.4 НП-082-07 (ПБЯ РУ АЭ), устанавливающий, что "в проекте РУ должно быть предусмотрено по меньшей мере две системы остановки реактора, каждая из которых должна обеспечивать перевод реактора в подкритическое состояние и поддержание его в подкритическом состоянии с учетом принципа единичного отказа или ошибки персонала".
Поскольку в проекте РУ В-412 предполагалось использовать реакторную установку ВВЭР-1000 повышенной безопасности, то в нем в качестве резервной системы при отказе срабатывания СУЗ было решено применить систему быстрого ввода бора (СБВБ). Эта система, использующая перепад давления на ГЦНА как естественную движущую силу, может за короткое время повысить концентрацию борной кислоты в первом контуре до пределов, достаточных для глушения реактора. При этом исходили из следующих особенностей данной пассивной системы, повышающей свойства внутренней самозащищенности РУ:
– меньшая чувствительность к ошибкам оператора по сравнению с активными системами;
– независимость от внешних источников электроэнергии;
– простая конструкция системы;
– малый вклад в стоимость АЭС при существенном вкладе в повышение безопасности.
Система быстрого ввода бора не имеет прототипа в России, поэтому обоснование е работоспособности и эффективности потребовало выполнения экспериментальных исследований. С точки зрения гидродинамики для обоснования эффективности работы системы было необходимо:
– исследовать протекание процесса вытеснения раствора борной кислоты из емкости СБВБ и его перемешивания с теплоносителем первого контура;
– подтвердить проектные величины расходов теплоносителя через каналы СБВБ;
– исследовать межпетлевое перемешивание потоков теплоносителя в реакторе при различных комбинациях срабатывания каналов системы (в том числе при выбеге ГЦНА).
Актуальность настоящей диссертационной работы заключается в проведении комплекса экспериментальных и расчетных исследований, моделирующих срабатывание системы быстрого ввода бора, а также подтверждение полученных данных результатами испытаний головного образца системы на АЭС.
Целью диссертационной работы являлось получение данных об эффективности процесса вытеснения раствора борной кислоты из емкостей системы быстрого ввода бора и характере его перемешивания с теплоносителем первого контура как на экспериментальной модели, так и на натурной системе, установленной на АЭС, а также расчетное моделирование срабатывания СБВБ с помощью CFD-кода ANSYS CFX.
Научная новизна работы. Получены экспериментальные данные об изменении концентрации борной кислоты на выходе из емкостей СБВБ при срабатывании системы. Определено время полного вытеснения борного раствора из емкости в зависимости от расхода поступаемого теплоносителя. Успешно использована температурная методика исследования вытеснения раствора борной кислоты из емкостей СБВБ как на экспериментальной установке, так и на АЭС. Результаты экспериментов на модели подтверждены натурными испытаниями в период пусконаладочных работ на вводимом в эксплуатацию энергоблоке.
На этапе ПНР получены данные по распределению концентрации борной кислоты на входе в активную зону при различных комбинациях срабатывания каналов СБВБ, включая режимы с выбегом главных циркуляционных насосов (ГЦНА) и режим полного обесточивания.
Выполнено расчетное моделирование процесса вытеснения борного раствора из емкости СБВБ с помощью CFD-кода. Результаты расчетов достаточно хорошо совпали с результатами измерений на моделях и на АЭС. Описано влияние режимных и геометрических параметров на процесс вытеснения раствора из емкости.
Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных методов измерений, проведением большого числа экспериментов, анализом погрешностей измерений, сравнением результатов экспериментов и расчетов, хорошим совпадением результатов экспериментов на модели и испытаний на АЭС.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований вытеснения раствора борной кислоты из модели емкости СБВБ;
результаты испытаний головного образца СБВБ на энергоблоке с РУ проекта В-412;
результаты исследований по перемешиванию потоков с разной температурой (разной концентрацией бора) в опускном канале и нижней части реактора;
результаты расчетного моделирования процесса вытеснения борного раствора из емкости СБВБ с помощью CFD-кода ANSYS CFX.
Практическая значимость работы. Результаты работы позволяют оценить характер и продолжительность процесса вытеснения раствора борной кислоты из емкостей системы быстрого ввода бора, а также изменение концентрации бора в первом контуре при ее срабатывании. Полученные данные могут быть использованы для обоснования работоспособности и эффективности СБВБ в проектах РУ.
Личный вклад автора. Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в подготовке экспериментального стенда для исследования процесса вытеснения раствора борной кислоты из емкостей СБВБ, в разработке программы и методики проведения экспериментов, в проведении экспериментов, в обработке результатов исследований и их анализе с использованием расчетного кода ANSYS CFX.
Во время пусконаладочных работ на АЭС автор лично участвовал в монтаже и наладке СПНИ, измерениях и обработке результатов на головном образце СБВБ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и опубликованы в материалах следующих научно-технических конференций и семинаров:
5-я Международная научно-техническая конференция “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР”, Подольск, Россия, 29 мая – 01 июня, 2007.
6-я Международная научно-техническая конференция “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР” ОКБ “ГИДРОПРЕСС”, Подольск, Россия, 26-29 мая, 2009.
International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2011) "Performance & Flexibility: The Power of Innovation", Nice, France, May 2-5, 2011, Paper 11026.
8-я Международная научно-техническая конференция “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР” ОКБ “ГИДРОПРЕСС”, Подольск, Россия, 28-31 мая, 2013.
Отраслевой научно-технический семинар “Пассивные системы безопасности АЭС”, ГНЦ РФ-ФЭИ, Обнинск, 2008.
Отраслевой научно-технический семинар “Пассивные системы и водородная безопасность АЭС с ВВЭР”, ГНЦ РФ-ФЭИ, Обнинск, 29-30 ноября 2010.
Отраслевой научно-технический семинар “Пассивные системы и водородная безопасность ядерных реакторов”, ГНЦ РФ-ФЭИ, Обнинск, 20-22 ноября 2012.
По результатам выполненных по теме диссертации исследований выпущено 8 научно-технических отчетов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, в том числе три статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 26 наименования; диссертация содержит 115 страниц машинописного текста, включая 65 рисунков.
Вытеснение раствора борной кислоты из емкостей системы
В соответствии со "Стратегией развития атомной энергетики России в первой половине ХХI века" [3] прогнозируется ускоренное строительство АЭС в густонаселенной европейской части страны, где имеется значительная потребность в электроэнергии. Основная часть этих АЭС должна быть оснащена РУ с реакторами типа ВВЭР.
В условиях массовой эксплуатации АЭС повышается как вероятность отказов по общим причинам, так и ошибок оперативного персонала. При этом вопросы повышения безопасности за счет применения пассивных систем, повышающих свойства внутренней самозащищенности РУ, становятся особенно актуальными.
Основанием для включения в проекты реакторных установок системы быстрого ввода бора является пункт 2.3.1.5 ПБЯ РУ АЭС [1], устанавливающий требование, что "по крайней мере одна из систем остановки реактора (не выполняющая функцию АЗ) при нормальной эксплуатации, нарушениях нормальной эксплуатации и проектных авариях должна обладать: – эффективностью, достаточной для перевода активной зоны реактора в подкритическое состояние и поддержания подкритического состояния с учетом возможного высвобождения реактивности; – быстродействием, достаточным для перевода активной зоны реактора в подкритическое состояние без нарушения проектных пределов повреждения твэлов, установленных для проектных аварий (с учетом действия систем аварийного охлаждения активной зоны)".
Необходимо также учитывать требование пункта 4.1.7 ОПБ – 88/97, что "при проектировании систем (элементов) АС и РУ должно отдаваться предпочтение системам (элементам), устройство которых основано на пассивном принципе действия и свойствах внутренней самозащищенности (саморегулирование, тепловая инерционность и другие естественные процессы)." Из анализа литературы следует, что в зарубежных проектах реакторов PWR (аналог ВВЭР) подобные системы не применялись, за исключением, может быть, АЭС «Sizewell B» в Великобритании [4]. Первоначально для строительства был предложен стандартный проект четырехпетлевого PWR фирмы Вестингауз, который был уже использован для строительства АЭС «Callaway» , Missoury (USA). Однако, затем по просьбе английской стороны в проект была добавлена вторая защитная система для отключения реактора в аварийных ситуациях. Она была названа «Passive Emergency Boration Systems и содержала четыре гидроаккумулятора, заполненных раствором борной кислоты с высокой концентрацией 7000 ppm. Давление в гидроаккумуляторах поддерживалось азотом на уровне 4,5 МПа.
В России до 1990 г. подобные системы на реакторах ВВЭР не применялись. Имеющаяся в проектах реакторных установок активная система безопасности, предусматривающая возможность подачи в ГЦТ борного раствора насосами, вследствие малой производительности насосов и большой задержки на их подключение, не позволяет обеспечить выполнение указанных выше требований ПБЯ РУ АС. Она может быть использована при авариях типа ATWS только как дополнительное средство для перевода реактора в подкри-тическое состояние.
Система быстрого ввода бора с гидроемкостями была предложена в проекте РУ В-392 в конце 80-х годов, а впервые реализована в составе РУ В-412. Проект данной АЭС имеет повышенные характеристики безопасности, достигаемые за счет максимального использования пассивных систем. Поэтому именно в нем было принято решение применить пассивную систему, использующую в качестве естественной движущей силы перепад давления на ГЦНА. При этом исходили из следующих особенностей данной системы, повышающих свойства внутренней самозащищенности РУ [5]: – достаточно простая конструкция системы; – малый вклад в стоимость АЭС при существенном вкладе в повышение безопасности; – практически полная независимость от внешних источников электроэнергии; – меньшая чувствительность к ошибкам оператора по сравнению с активными системами. Проектные основы системы достаточно подробно рассмотрены в [6]. По требованию Болгарского Заказчика система СБВБ была включена в проект РУ В-466Б, разработанный для АЭС «Белене» в Болгарии. Это требование в значительной степени было обусловлено ситуацией, которая имела место на АЭС «Козлодуй», когда при срабатывании аварийной защиты «зависли» 22 органа регулирования СУЗ (ОР СУЗ) из 61-го.
Зависания ОР СУЗ при срабатывании АЗ случались и ранее. Так на блоке 1 Калининской АЭС в период ПНР было зависание всех ОР СУЗ по причине попадания механических примесей из системы аварийного и планового расхолаживания РУ в направляющие каналы поглощающих элементов. Попадание механических частей из аналогичной системы в активную зону имело место и на АЭС «Бушер-1» во время физического пуска, что потребовало разборки и промывки активной зоны.
Методика проведения экспериментов и обработки результатов
Остальные элементы внутрикорпусных устройств натурной емкости (штуцера и элементы КИП, люк для доступа внутрь емкости) на исследуемый процесс влияния практически не оказывают и на модели не имитировались.
Во время срабатывания каналов СБВБ имеют место перетечки из верхней части емкостей в КД по "дыхательному" трубопроводу Ду 25. На процесс вытеснения раствора из емкостей эти перетечки влияют мало, так как величина расхода через трубопровод Ду 25 составляет не более 0,7-0,8 % от расхода теплоносителя через емкость, что несущественно с точки зрения выполнения системой своих функций. Кроме того, трубопровод Ду 25 подключен в районе выхода потока теплоносителя первого контура из колена входного патрубка, и раствор борной кислоты при срабатывании системы в него почти не попадает.
Сравнение основных геометрических размеров емкостей СБВБ установленной на АЭС и модели представлено в таблице 2.1. Объм модели мкости составлял 0,102 м3, объм натурной мкости - 7,8 м3. То есть геометрический масштаб модели был равен 1:4,24. [11] Таблица 2.1 – Основные геометрические характеристики модели емкости СБВБ
Наименование параметра Значение параметра в натуре на модели Внутренний диаметр корпуса, D мм 1984 464 Высота корпуса (по оси), Н мм 2954 690 Внутренний диаметр патрубков, d мм 201 50 Смещение торца выходного патрубка относительно оси корпуса, мм 540 125 Объем емкости, V м3 7,8 0,102 В ходе экспериментов на модели проверялось влияние на процесс вытеснения раствора борной кислоты из емкостей следующих факторов: - расстояния от колена входного патрубка до верхнего днища корпуса; - выгородки ТЭН в нижней части корпуса. Для проведения экспериментов при трх вариантах расстояния от торца колена входного патрубка до внутренней поверхности верхнего эллиптического днища: h/d = 0,5; 1,0; 2,0 (где d - внутренний диаметр патрубка, h – расстояние до днища) колено входного патрубка было выполнено сменным.
Исследование процесса вытеснения раствора борной кислоты из мко-стей СБВБ на модели проводилось с использованием температурной методики путм подачи горячей воды с температурой 70 - 80 оС в модель, заполненную холодной водой порядка 20 оС. То есть изменение концентрации раствора борной кислоты на выходе мкости моделировалось изменением температуры воды. Натурное соотношение плотностей раствора борной кислоты в объеме емкостей СБВБ и теплоносителя первого контура, равное 1,36, на модели не моделировалась. Ее влияние на процесс вытеснения оценивается в Главе 4 на основе расчетных оценок.
Подобие изучаемого на модели процесса вытеснения раствора борной кислоты натурному (подобие полей скоростей и концентрации раствора борной кислоты) обеспечивалось определнной, заранее заданной, величиной расхода горячей воды через модель. При соблюдении геометрического подо-30 бия натурной емкости и ее модели характер протекания процесса вытеснения в их объемах характеризуется силами инерции, вязкости и подъемной силой, то есть критериями Рейнольдса и Архимеда [10]:
При этом для модели и натурной емкости должно быть выдержано равенство критериев гидродинамической гомохронности, характеризующих скорость протекания исследуемого процесса: W -т W мод мод (2-5) из которого следует, что в случае равенства времн вытеснения раствора борной кислоты из натурной емкости и холодной воды из ее модели, должно иметь место следующее соотношение скоростей в их объеме Gмод = Gнат M3. (2-7) В случае срабатывания системы в стационарном режиме при работе четырех циркуляционных петель расходы по каналам СБВБ составляют 1330 м3/ч. Данной величине должны соответствовать следующие величины расходов горячей воды на входе модели: – согласно (2-4) – 17,6 м3/ч; – согласно (2-7) – 10,8 м3/ч. Расходы горячей воды через модель емкости, соответствующие расходам теплоносителя через натурную мкость в основных стационарных режимах работы РУ при работе четырех, трех и двух циркуляционных петель приведены в таблице 2.2.
Характеристика выбега ГЦНА до его полной остановки, полученная во время стендовых испытаний, представлена в таблице 2.3. Здесь же приведены соответствующие им расходы через емкость СБВБ согласно зависимости (2.8). Изменение расхода через модель емкости согласно (2-7) аналогичное его изменению при срабатывании всех четырех каналов СБВБ представлено на рисунке 2.3.
Сравнение результатов экспериментов на стенде с измерениями во время пусконаладочных работ на АЭС
Проведение испытаний системы на данном этапе пусконаладочных работ обеспечивало возможность раннего выявления несоответствия ее фактических и проектных характеристик.
Во время предпусковых наладочных работ в реактор была загружена имитационная зона, состоящая из имитаторов ТВС, конструкция которых полностью соответствовала конструкции штатных ТВС. Различие между ними заключалось лишь в том, что вместо топлива внутри твэлов имитаторов ТВС находились свинцовые таблетки, имитирующие вес топлива. Гидравлическое сопротивление имитаторов и штатных ТВС было одинаково. Благодаря этому напоры ГЦНА и расходы теплоносителя по циркуляционным петлям соответствовали проектным величинам.
Целью испытаний системы быстрого ввода на АЭС являлось: - измерение величин расходов теплоносителя через каналы СБВБ и сравнение их с проектными величинами; - получение зависимости изменения во времени относительной температуры (концентрации борной кислоты) на выходе емкостей СБВБ и ее сравнение с результатами полученными на экспериментальной установке; - получение данных об изменении температуры (концентрации борной кислоты) на входе имитационной зоны при срабатывании СБВБ. Одновременно с характеристиками СБВБ контролировались напоры ГЦНА и расходы теплоносителя по циркуляционным петлям.
Измерение расходов теплоносителя по каналам СБВБ всех циркуляционных петель осуществлялось с помощью накладных ультразвуковых расходомеров FLUXUS модели ADM 7407 (рисунок 3.2), стационарно установленных на трубопроводах системы. Использование накладных ультразвуковых датчиков позволяло проводить измерение расходов без нарушения целостности трубопроводов и прерывания технологического процесса. При определении величин расходов использовался время–импульсный метод измерения скорости потока теплоносителя в трубопроводах, основанный на том, что время прохождения ультразвукового сигнала через текущую среду прямо пропорционально скорости потока. Цифровая обработка сигналов позволяла измерять расходы с погрешностью до 0,5%. Данные расходомеры включены в Государственный реестр средств измерения РФ и имеют сертификат Госстандарта. – волновой инжектор, 2 - теплоотводящая пластина с датчиком, 3 - расходомер
Получение зависимости изменения во времени концентрации борной кислоты на выходе емкостей СБВБ, как и на экспериментальной установке (раздел 2.2), проводилось с использованием температурной методики путм заполнения ее емкостей водой с более низкой температурой, чем у теплоносителя первого контура. Для получения зависимости изменения во времени температуры (концентрации борной кислоты) на выходе емкости СБВБ петли № 1 была установлена погружная термопара (рисунок 3.3).
По условиям обеспечения прочности узлов врезки трубопроводов СБВБ в ГЦТ температура теплоносителя первого контура во время испытаний не должна была превышать температуру воды в емкостях СБВБ более, чем на 90…100 С. Во время циркуляционной промывки первого контура разница температур в емкости СБВБ и первом контуре РУ обеспечивалась путем заполнения емкости холодным теплоносителем с помощью системы продувки–подпитки первого контура. При этом горячий теплоноситель через дыхательный трубопровод сбрасывался в компенсатор давления.
Во время горячей обкатки разница температур в емкости СБВБ и первом контуре оборудования реакторной установки обеспечивалась за счет естественного остывания теплоносителя в емкости СБВБ при закрытой арматуре на трубопроводах подключения.
Для контроля равномерности температуры воды по высоте емкости СБВБ петли № 1 после заполнения в ней был установлен зонд с девятью термопарами по высоте (рисунок 3.4).
Расположение термопар в мкости СБВБ петли № 1 При частичной работе петель РУ, а также в случае отказа одной из мко-стей СБВБ на входе активной зоны возможно наличие неравномерной концентрации бора. В результате перемешивания петлевых потоков теплоносителя в опускном кольцевом канале и в районе днища шахты реактора эта неравномерность частично снижается. Для ее оценки в ходе настоящих испытаний проводилось измерения температуры на входе имитационной зоны при различных вариантах срабатывания СБВБ. Так как штатные средства термоконтроля на имитаторах ТВС отсутствовали, то для регистрации изменения температуры на входе имитационной зоны через штатные каналы КНИТ (канал нейтронно-измерительный температурный) были установлены 36 зондов с термопарами, расположенными в хвостовиках имитаторов ТВС (рисунок 3.5).
Влияние разницы плотностей теплоносителя первого контура и раствора борной кислоты в емкостях на процесс вытеснения раствора
Протекание процесса вытеснения раствора борной кислоты из емкостей СБВБ во время предпусковых наладочных работ на этапе циркуляционной промывки (при соотношении плотностей равном СБВБ / 1 = 1,1) практически не отличается от процесса вытеснения во время экспериментов на стенде с моделью емкости СБВБ, где соотношении плотностей СБВБ / 1 = 1 (рисунок 4.6). Теплоноситель первого контура при данных соотношениях плотностей одинаково глубоко проникает вдоль стенок цилиндрической обечайки внутрь емкости. В верхней части емкости образуется примерно одинаковая вихревая область, способствующая перемешиванию раствора с теплоносителем. К 5-й секунде эта вихревая область охватывает практически весь объем емкости, и в выходной патрубок начинает поступать раствор бора перемешанный с теплоносителем. На 7 10 с концентрация борной кислоты во всем объеме емкости становится примерно одинаковой. Зависимости изменения во времени относительной концентрации борной кислоты на выходе мкостей в случае срабатывания СБВБ при СБВБ / 1 = 1 и СБВБ / 1 = 1,1 представлены на рисунке 4.7. Они также свидетельствуют об идентичности протекания процесса вытеснения.
В реальных условиях при срабатывании СБВБ температура раствора борной кислоты в емкостях СБВБ - 60+5 оС, температура теплоносителя первого контура - 290 оС. Соотношение плотностей раствора борной кислоты в емкостях системы и теплоносителя первого контура, обусловленное в основном различием их температур, составляет 1,36.
На экспериментальной установке натурная разность плотностей раствора борной кислоты в емкостях и теплоносителя первого контура не моделировалась, так как создать внутри модели емкости раствор необходимой плотности (например при помощи солевой методики) и обеспечить его равномерное перемешивание внутри объема емкости без выпадения осадка практически невозможно. при равенстве плотностей при соотношении плотностей 1,1 с
Все дальнейшие расчеты при помощи кода ANSYS CFX проводились без изменения методики наложения расчетной сетки и модели турбулентности.
Для получения зависимости изменения концентрации раствора борной кислоты во времени при срабатывании СБВБ на номинальных параметрах РУ был проведен расчет с заданными натурными плотностями внутри емкости и теплоносителя первого контура на входе (= 990 и 746 кг/м3 для 60 и 290 оС соответственно). Расход через емкость соответствовал проектному расходу 1330 м3/ч. Полученные результаты приведены на рисунках 4.8 и 4.9.
Результаты расчета с моделированием разницы плотностей раствора борной кислоты в емкостях и теплоносителя первого контура показали, что за время однократного заполнения мкости теплоносителем первого контура из не вытесняется около 83% раствора. Это на 10 % больше, чем в экспериментах проведенных без учета разности плотностей [21], [25].
Таким образом, подтверждена возможность значительного снижения консерватизма экспериментальных зависимостей. 1 c На рисунке 4.8 показано как отличается характер перемешивания внутри емкости при наличии разницы плотностей. Приведены контурные графики распределения борной кислоты в одинаковые моменты времени протекания процесса вытеснения, из которых видно, как менее плотный теплоноситель первого контура при поступлении в емкость не так интенсивно перемешивается с раствором борной кислоты. В целом картина вытеснения похожа на ту, что мы видели на картограммах при малом расходе. Разница заключается во времени заполнения (при проектном расходе время заполнения одного объема 21 с, а при малом расходе 131 с).
Как уже было сказано выше, в идеале процесс вытеснения из емкости должен быть близок к поршневому. Дальнейшими расчетными исследованиями была сделана попытка найти оптимальное сочетание высоты емкости СБВБ к диаметру (H/D), а также оптимизировать ее внутреннею конструкцию для достижения максимально эффективного вытеснения из нее раствора борной кислоты. Для удобства сравнения полученных результатов во всех вариантах расчетов изменялась только геометрия емкости - отношение H/D и ВКУ (внутренний объем емкости при этом оставался постоянным), а расход через нее, температуры внутри и на входе оставались постоянным. Все расчеты проводились для условий натурного срабатывания с учетом разницы плотностей и при проектном расходе. Как показали эксперименты на стенде влияние выгородки ТЭН внутри емкости на процесс вытеснения незначительно. С целью уменьшения числа расчетных ячеек и увеличения скорости расчетов выгородка ТЭН в дальнейших расчетах не моделировалась (рисунок 4.10).
В натурной емкости СБВБ H/D=1.5. Увеличение отношения высоты к диаметру должно уменьшить перемешивание внутри емкости и приблизить процесс вытеснения к поршневому. Это предположение было проверено расчетным путем. Были проведены расчеты для вариантов отношения H/D=1.5; 2; 3 (рисунок 4.11). Результаты расчетов приведены на рисунке 4.12. Из рисунка видно, что при увеличении H/D процесс вытеснения действительно улучшается и количество раствора борной кислоты вытесняемой из емкости за время одного заполнения увеличивается.
Зависимости изменения концентрации борной кислоты на выходе мкости СБВБ при различных отношениях H/D На рисунке 4.13 приведены контурные графики распределения температуры внутри емкости для трех вариантов отношения H/D. Картина перемешивания внутри емкости идентична для всех вариантов геометрии, но можно сделать вывод, что при увеличении H/D более легкому теплоносителю первого контура, поступающему в емкость, легче формировать в верхней части область с меньшей плотностью и более эффективно вытеснять борную кислоту. Поэтому чем больше у емкости будет соотношение высоты к диаметру (при сохранении внутреннего объема), тем более эффективной будет СБВБ при срабатывании.