Оценка работы систем в условиях аварии с полным обесточиванием

Поскольку рассматривается авария с полным обесточиванием энергоблока, то все описанные выше системы работать не будут.

При возобновлении электропитания от каких-либо резервных источников возможно включение вентиляции. Для ее полноценной работы необходима также подача технической воды для охлаждения воздуха, удаляемого из помещений БС, из под плитного настила и некоторых других помещений.

УСГС и в этом случае работать не будет, так как не будут работать паровые эжекторы, отводящие парогазовую смесь из конденсаторов и подсистема, разбавляющая ПГС паром на входе в контактный аппарат. Пар вместе с образующимся водородом будет выходить из конденсатора через специальные трубопроводы в атмосферу над крышей турбинного зала.

В отличие от радиолиза воды при работе реактора на мощности, при котором вместе с водородом генерируется и кислород, в результате чего в реакторе генерируется так называемая гремучая смесь, в паро-циркониевой реакции кислород не генерируется. Т.е. возникновение взрывоопасной концентрации возможно только при контакте образующегося водорода с воздухом. В случае неповрежденного контура МПЦ этот контакт возможен только на выходе из трубопроводов в атмосферу. Вопрос об опасности этого контакта требует отдельного изучения.

Система защиты от превышения давления в РП в рассматриваемой аварии функционирует. В случае разрывов технологических каналов (ТК), которых можно ожидать из-за роста температур в активной зоне даже с учетом снижения давления в КМПЦ водород, генерируемый в ТК, будет поступать в РП вместе с паром, если давление в КМПЦ будет превышать 1.3 атм. Такое давление в РП будет поддерживаться гтдрозатвором на выходе из труб парогазовых сбросов (ПГС).

При попадании пара в РП возможна дополнительная генерация водорода на внешних поверхностях циркониевых труб. Образующийся и попавший в РП водород будет отводиться через ПГС в венттрубу.

Система понижения активности (СПА) газовых выбросов контура охлаждения СУЗ выполняет в нормальных условиях работы также функцию удаления генерируемого в контуре СУЗ радиолитического водорода, включает контактный аппарат (КА) для сжигания водорода.

В случае полного обесточивания система не работает. Однако, из-за обезвоживания контура СУЗ прекращается и генерация радиолитического водорода. В отчете /1/ приведена оценка скорости генерации радиолитического водорода в контуре МПЦ при работе реактора на мощности – 1 кг/час.

Для контура СУЗ оценочно можно принять (при работе на мощности) скорость генерации водорода 0.1 кг/час.

В процессе развития аварии температура труб каналов СУЗ достигает высоких значений со временем превышающих 1000°С. Теоретически, при таких температурах, возможна генерация водорода за счет ПЦР, если имеется источник пара. Вода в обезвоженном контуре СУЗ останется в трубках Фильда каналов охлаждения отражателя. Возможность ее испарения и попадания в каналы СУЗ будет рассматриваться ниже в разделе 3. Здесь можно отметить, что при неработающей СПА возможен выход водорода, образовавшегося или как-то попавшего в контур, в помещения АЭС из контура СУЗ.

 

 

2 Расчеты температурного режима и генерации водорода

Исходное состояние

Для проведения расчетов было взято фактическое состояние реактора 1-го блока Курской АЭС от 15.11.2012г.

Некоторые параметры, характеризующие это состояние, даны в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1.

 

№	Параметр	Величина
	Количество ТВС с обогащением 2.8% (2.6%0	1588 (62)
	Количество кластерных ДП
	Количество стержней КРО
	Количество столбов воды
	Количество стержней УСП
	Количество стержней АЗ
	Радиальный коэффициент неравномерности энерговыделения (max в ячейке)	1.49 (61-33)
	Аксиальный коэффициент неравномерности поля энерговыделения	1.15

 

Радиальное распределение энерговыделения на мощности перед остановкой реактора дано на рис.2.1.

 

Рис.2.1. Радиальное распределение энерговыделения.

 

Среднее по активной зоне аксиальное распределение энерговыделения показано на рис.2.2.

 

 

 

 

Рис.2.2. Среднее по активной зоне аксиальное распределение энерговыделения.

 

Температурный режим

Расчет температурного режима выполнен, начиная с описанного выше состояния. Предполагается, что в момент t = 0 происходит полное обесточивание энергоблока. Реактор заглушается. Давление в КМПЦ в течение 1 часа принимается равным 70 атм, а затем в течение следующего часа линейно снижается до атмосферного.

Теплоноситель предполагается находящимся на линии насыщения. Температура насыщения определяется как функция давления.

На рис.2.3 и 2.4 приведены средние и максимальные температуры топлива и графита. Для графита осреднение охватывает также и отражатели. Поэтому различие между средней температурой топлива и графита является заметным на всем временном интервале. Максимальные температуры, напротив, при разогреве сближаются.

В расчетной модели предполагается, что температура оболочки твэл совпадает с температурой топлива, а температура графита с температурой канальной трубы. Обоснование такого предположения (для обезвоженного реактора) дано в отчете /1/.

 

 

Рис.2.3. Средние температуры топлива и графита.

 

 

Рис.2.4. Максимальные температуры топлива и графита.

 

 

Вид зависимостей температур от времени объясняет рис.2.5. На нем показано поведение уровня теплоносителя, отсчитываемого от верха графитовой кладки.

 

 

Рис.2.5. Изменение уровня теплоносителя во времени.

В течение начального интервала, длительностью около 70 мин уровень находится выше указанной отметки. Теплоноситель в КМПЦ выпаривается. На рисунке этому соответствуют нулевые значения. Затем в течение около 50 мин уровень проходит активную зону и уходит под реактор. Величина 1000 см соответствует в модели нижней границе схемы ОР. После оголения верха активной зоны температура топлива быстро нарастает, и вслед за ней растет и температура графита (рис.2.3 и 2.4).

На рис.2.6 показано изменяющееся во времени количество тепла, подводимое к воде от топлива, графита и суммарное значение.

 

 

 

Рис.2.6. Изменение во времени количество тепла, подводимое к воде
от топлива, графита и суммарное значение.

В момент около 140 мин с начала аварии уровень уходит под реактор. Количество тепла подводимого к воде от топлива и графита обращается в ноль. Дальнейшее выпаривание происходит благодаря теплу, подводимому к воде от схемы ОР (см. рис.2.7). Данная величина почти скачкообразно возрастает при снижении температуры воды с 285 до 100°С (на начальном участке температуры воды и ОР практически равны), а затем снижается из-за движения уровня воды вниз.

 

 

Рис.2.7. Изменение во времени количество тепла, подводимого к воде от схемы ОР.

Колебания на кривой – расчетный эффект, так как ОР в аксиальном направлении поделена на 20 зон.

На рис. 2.8 показано как изменяются температуры схемы ОР во времени.

 

 

Рис.2.8. Изменение во времени температуры схемы ОР.

Рис.2.9 показывает аксиальные распределения температур в схеме ОР для трех моментов времени (даны средние по площади аксиальные распределения).

 

Рис.2.9. Изменение аксиального распределения температуры в схемы ОР для трех моментов времени.

В момент 600 мин уровень находится на отметке несколько ниже середины высоты схемы ОР. Этим объясняется излом на кривой. К моменту 1200 мин уровень приближается к нижней границе схемы ОР. Верхняя граница при этом начинает греться утечкой тепла из разогревающейся активной зоны, и ее температура оказывается выше соответствующего значения при t = 600 мин.

На рис.2.10 показаны температуры схемы Е. Так как схема Е обезвоживается значительно раньше, то здесь снижение температур заметно медленнее, чем в схеме ОР.

 

 

Рис.2.10. Изменение во времени температуры схемы Е.

На рис. 2.11 и 2.12 показаны средние по объему температуры зон НВК и ПВК.

Температуры НВК в начальный период процесса быстро снижается, но и через 1200 мин остается немного выше температуры воды. Это объясняется значительной теплоемкостью самих НВК, а также их подогревом от схемы ОР и бетонного основания (см. рис.2.13)

 

Рис.2.11. Средняя по объему температура зоны НВК.

 

 

Рис.2.12. Средняя по объему температура зоны ПВК.

 

На рис.2.13 показаны температуры зоны, описывающей бетонное основание реактора.

 

 

Рис.2.13. Изменение температуры зоны, описывающей бетонное основание реактора.

 

В начальных условиях зоне бетонного основания соответствовала температура 100°С. Ее верх нагревается от зоны НВК и затем медленно остывает.

Генерация водорода

В расчетной модели предполагается, что генерация водорода в данной расчетной ноде (количество расчетных нод равно количеству каналов х16, т.е. 16 аксиальных нод в каждом канале) начинается, когда температура топлива в ней превышает уровень 500°С. Рис. 2.14 показывает количество нод, генерирующих водород.

Вначале оно быстро нарастает, затем скорость роста снижается.

На рис.2.15 показано как изменяется во времени масса окислившегося циркония.

Рис.2.16 с массой образовавшегося водорода практически дублирует 2.15.

На рис 2.17 показана скорость генерации водорода, которая на протяжении рассмотренного интервала в 1200 мин вначале растет, достигая значения 10 г/с, затем начинает снижаться из-за уменьшения скорости генерации пара, когда уровень теплоносителя приближается к низу схемы ОР.

 

 

Рис.2.14. Количество нод, генерирующих водород.

 

 

 

Рис.2.15. Изменение во времени массы окислившегося циркония.

 

Рис.2.16. Изменение во времени массы образовавшегося водорода.

 

 

 

Рис.2.17. Скорость генерации водорода.

 

Скорость генерации пара показана на рис.2.18 (а) и (б).

 

а).

 

б).

Рис.2.18. Скорость генерации пара.

В течение первых 60 мин скорость генерации снижается из-за снижения во времени подводимой к воде мощности (см. рис. 2.6).

При снижении давления после 60 мин растет теплота испарения воды.

После 70 мин, когда уровень выходит на верхний срез активной зоны и начинает двигаться вниз, снижение скорости генерации объясняется также уменьшением площади, по которой топливо и графит “контактирует” с водой. После момента около 700 мин генерируемого пара начинает не хватать. Это объясняет уменьшение скорости генерации водорода на рис.2.17. Скачок на кривой рис.2.17 в окрестности 800мин объясняется скачкообразным уменьшением мощности, подводимой к воде из-за ухода уровня воды в схеме ОР в следующую аксиальную ноду (т.е. это расчетный эффект). Аналогично происхождение скачка в районе t = 1100мин. Также объясняются и нерегулярности на рис.2.18.

Тем не менее, количество генерируемого водорода к моменту 1200 мин, как видно на рис.2.16, достигает 300 кг и продолжает расти со скоростью примерно 6.5кг/час.

Далее на больших временах, поведение скорости генерации зависит от величины давления в КМПЦ. При атмосферном давлении кипение в каналах внутри схемы ОР будет продолжаться в течение десятков часов (запас воды в этой части каналов около 7 т, скорость испарения 70 кг/час) обеспечивая примерно постоянную скорость генерации водорода на уровне 6 – 7 кг/час. При давлении около 2 атм кипение прекратится к моменту около 30 – 40 час с начала аварии.

Однако и в этом случае поддержания повышенного давления через некоторое время кипение может возобновиться, так как схема ОР начнет нагреваться теплом, уходящим из разогревающейся активной зоны. От нее будет нагреваться НВК.

Кроме того, поддержание давления выше атмосферного в условиях разорванных каналов представляет угрозу для реакторного пространства.

Таким образом, генерация водорода будет продолжаться до полного испарения воды в КМПЦ.