Введение к работе
Актуальность темы. Развитие и безопасная эксплуатация реакторных установок атомного ледокольного флота и плавучих энергоблоков, основанных на применении судовых технологий, связаны с разработкой и применением систем, надежно выполняющих функции безопасности в любых аварийных условиях и внешних воздействиях. При этом приоритет отдаётся пассивным системам, не требующим функционирования обеспечивающих, управляющих систем и эксплуатирующего персонала. Особенно это актуально для атомных станций малой мощности, которые, являясь единственными источниками энергии (электрической, тепловой) в регионах с децентрализованным энергоснабжением, должны иметь повышенный уровень безопасности. Подобными системами оснащается большинство современных проектов АЭС, в частности АЭС-2006 (ЛАЭС-2) и АЭС региональной энергетики, что повышает устойчивость их ядерной установки не только к отказу систем электроснабжения, но и к возможным внешним экстремальным воздействиям (падения воздушных транспортных средств, землетрясения и цунами, акты террористического характера и т.д.).
В обеспечении высокого уровня безопасности в проекте атомной теплоэлектростанции на базе плавучего энергоблока с РУ КЛТ-40С специалистами ОАО «ОКБМ Африкантов» разработана пассивная система снижения аварийного давления в защитной оболочке (ССАД 30). Функционирование системы основывается на естественной циркуляции (ЕЦ) и не требует дополнительных источников энергии.
Анализ существующих подобных систем и расчетные исследования определили ряд проблемных позиций, связанных с гидродинамической неустойчивостью ЕЦ теплоносителя в контуре охлаждения при низких давлениях и обеспечением эффективного теплоотвода при различных состояниях системы. Они обусловлены, в первую очередь, общеконтурной неустойчивостью ЕЦ при близком к нулю балансном паросодержании в подъёмной ветви контура циркуляции, когда незначительное изменение выходной энтальпии вызывает существенное изменение плотности пароводяной смеси в тяговом участке, который, в основном, и определяет движущий напор ЕЦ. При давлении, близком к атмосферному, этот вид неустойчивости, предсказанный д.т.н. Б.И. Моторовым, усугубляется значительным градиентом гидростатического давления и энтальпии насыщения воды, определяющим при незначительном падении давления бурное вскипание и гейзерный выброс воды из тягового участка контура ЕЦ, расположенного над участком с теплоподводом. Гейзер всегда связан с перегревом воды в нижней части тягового участка и в верхней части ТК относительно температуры насыщения в баке, расположенном над контуром ЕЦ.
Существенную опасность также представляют конденсационные гидроудары в трубопроводах контура охлаждения системы при контакте
паровых включений с водой, имеющей температуру существенно ниже линии насыщения
Со стороны охлаждаемой парогазовой смеси в 30 ухудшение теплоотвода вызывается наличием неконденсирующихся газов, препятствующих эффективному току пара к поверхности трубной системы ТК. В связи с этим, в ряду актуальных стояла задача экспериментального обоснования эффективности работы рассматриваемой системы, разработка решений, устраняющих негативные проявления и получение экспериментального материала для верификации программных средств, используемых при обосновании проектов рассматриваемой системы. Актуальным являлось и создание на базе кода КУПОЛ-М кода КУПОЛ-МТ, адаптированного к проектам судовых РУ.
Целью работы является обеспечение и обоснование безопасности ядерных энергетических установок в авариях с потерей теплоносителя первого контура за счет применения в проектах пассивной системы снижения аварийного давления в защитной оболочке, а также модернизация и усовершенствование адаптированного к проектам транспортных РУ кода КУПОЛ-МТ, его верификация на основе экспериментальных данных, полученных в настоящей работе.
Исходя из общей цели, в работе решались следующие задачи:
разработка основных технических решений пассивной системы отвода тепла из защитной оболочки;
разработка экспериментального стенда и экспериментальной модели системы;
исследования гидродинамической неустойчивости течений в контуре охлаждения, отработка предложенных технических решений по повышению эффективности системы и исключения возникновения конденсационных гидроударов;
разработка функциональных зависимостей по теплоотдаче при конденсации пара из паровоздушной смеси на внешней поверхности теплообменных труб, уточнение параметров моделей по теплообмену в ПС КУПОЛ-МТ;
верификация расчетных кодов (КУПОЛ-МТ, РАСНАР-2);
обоснование безопасности реакторных установок в авариях с потерей теплоносителя применительно к плавучей АТЭС и универсальному атомному ледоколу.
Научная новизна:
впервые предложена и обоснована пассивная система снижения аварийного давления в 30 применительно к транспортабельным реакторным установкам;
получены экспериментальные данные по устойчивости работы контура охлаждения;
впервые предложена конструкция паросбросного устройства, исключающего возникновение конденсационных гидроударов;
- на основе экспериментальных исследований разработаны новые
функциональные зависимости по теплообмену.
Обоснованность положений, сформулированных в диссертации основывается на следующем:
эксперименты выполнены на крупномасштабной полновысотной модели ССАД 30. Диапазон изменения параметров существенно перекрывал диапазон параметров для моделируемой системы;
предлагаемые выводы и соотношения базируются на результатах экспериментов, проведенных как автором, так и другими исследователями на разных установках. В экспериментальных исследованиях использованы современные апробированные средства измерения;
предложенные физические модели и соотношения согласуются с современными представлениями о процессах теплообмена и гидродинамики;
верификация расчетного кода КУПОЛ-МТ проведена на большом объёме локальных и интегральных экспериментов и аналитических тестов.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные автором результаты позволили внедрить в проекты ПАТЭС с РУ КЛТ-40С и универсального атомного ледокола с РУ РИТМ-200 пассивную систему ССАД 30.
Результаты расчетно-экспериментальных исследований использованы при техническом обосновании безопасности проектов РУ КЛТ-40С и РУ РИТМ-200 в авариях с потерей теплоносителя первого контура.
Усовершенствованное и верифицированное автором ПС КУПОЛ-МТ находит широкое практическое применение при обосновании проектов судовых и стационарных АЭС с водо-водяными РУ, использующих системы, подобные ССАД 30.
Личный вклад автора. В процессе выполнения диссертационной работы автором было сделано следующее:
разработан контур охлаждения ССАД ЗО РУ КЛТ-40С и основные компоненты данной системы (теплообменник-конденсатор, трубопроводы контура охлаждения, паросбросное устройство);
разработаны основные требования к крупномасштабному стенду СПОТ 30 и программа проведения испытаний на данном стенде;
выполнена обработка и анализ результатов экспериментов с обоснованием проектных характеристик системы;
разработаны функциональные зависимости, описывающие интенсивность рассматриваемых процессов теплообмена;
уточнены параметры моделей по теплообмену на внешней поверхности S-образных труб теплообменника-конденсатора в ПС кода КУПОЛ-МТ, и выполнена его верификация;
выполнено расчетное обоснование безопасности РУ КЛТ-40С и РУ РИТМ-200 по параметрам в ЗО в максимальной проектной аварии с потерей теплоносителя первого контура.
Положения, выносимые на защиту:
конструктивное решение контура охлаждения пассивной системы снижения аварийного давления в защитной оболочке;
экспериментальные данные по тепловым характеристикам теплообменника-конденсатора, работающего в режиме конденсации пара из парогазовой смеси при ЕЦ теплоносителей как охлаждаемой, так и нагреваемой сред;
экспериментальные данные по теплогидравлическим характеристикам и устойчивости контура охлаждения модели ССАД 30;
функциональные зависимости по расчёту теплоотдачи при конденсации пара в присутствии воздуха;
результаты верификации программного средства КУПОЛ-МТ;
результаты расчетно-экспериментального обоснования безопасности РУ КЛТ-40С и РУ РИТМ-200 в авариях с потерей теплоносителя первого контура.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлялись автором: на 5-й, 6-й и 7-й международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», соответственно, 29.5-1.6.2007, Подольск; 26-29.5.2009, Москва; 17-20.5.2011, Подольск; на международной конференции «Ядерная энергетика в Республике Казахстан» ЯЭ-2008», Курчатов, 11-13.06.2008; на III международной конференции «АЭС: проектирование, строительство, эксплуатация» 1.12.2009., Москва; на семинаре «Пассивные системы и водородная безопасность АЭС с ВВЭР» 23-24.11 2010, Обниск, 5-ой РНКТ, 25-29.10.2010, МЭИ (ТУ), Москва.
Публикации. По теме диссертации опубликовано двадцать отчетов о НИР и 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК, 2 патента на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация содержит 177 страниц основного текста (введение, 6 глав с выводами, заключение по работе), 86 рисунков, 12 таблиц. Список литературных источников содержит 113 наименований, в том числе 31 работа с участием автора. Общий объем диссертации -188 страниц.
