Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ жидкостных систем воздействия на реактивность 24
1.1. Предпосылки проведения обзора 24
1.2. Классификация ЖСВР 24
1.3. Принципиальные схемы и схемные решения 26
1.3.1. Жидкостные системы с вводом поглотителя в объем реактора (реализованные и проектные решения) 26
1.3.2. ЖСВР с вводом поглотителя в каналы 34
1.3.3. Системы со сливом замедлителя 38
1.3.4. Основные решения ЖСВР различного типа 39
1.4. Завоздушивание и опускное течение газожидкостных смесей в гидравлическом контуре СУЗ ядерного реактора 40
1.4.1. Эжекционный захват воздуха в гидравлическом контуре 40
1.4.2. Экспериментальные исследования характеристик опускных двухфазных потоков 45
1.4.3. Общая характеристика опускного пузырькового течения 46
1.4.4. Истинное объемное газосодержание двухфазного потока 49
1.4.5. Расход эжектируемого газа 51
1.4.6. Режим зависания газовой фазы 56
1.5. Исследования эффективности жидкого поглотителя в каналах охлаждения СУЗ 58
1.6. Экспериментальные исследования по перемешиванию 60
1.6.1. Основные подходы к исследованиям 60
1.6.2. Перемешивание при низких скоростях теплоносителя 61
1.6.3. Перемешивание при больших скоростях теплоносителя 62
1.7. Проблемы создания жидкостных систем воздействия на реактивность 65
1.8. Выводы 67
2. Анализ схем и конструкторские решения ЖСВРНАРУРБМК 69
2.1. Концепция использования жидкостных систем длительного удержания
реактора в подкритическом состоянии на РУ РБМК 69
2.1.1. Структура стержне-приводных систем остановки реактора РБМК 69
2.1.2. Возможность использования жидкостных систем в РУ РБМК 70
2.1.3. Возможность использования каналов СУЗ
для ввода жидкого поглотителя 71
2.2. Структурные схемы 74
2.2.1. Комбинированная СО с жидкостной системой длительного удержания 74
2.2.2. Жидкостная система подкритичности 76
2.2.3. Независимая система остановки с жидкостной (водной) системой удержания 76
2.3. Принципиальные схемы 78
2.3.1. Системы с вводом водных растворов поглотителей в КО СУЗ 78
2.3.2. Водная система удержания 82
2.4. Технологические схемы 84
2.4.1. Состав системы S4
2.4.2. Размещение технологического оборудования 90
2.4.3. Режимы работы 91
2.4.4. Способы выведения поглотителя 95
2.5. Выводы 96
3. Экспериментальные исследования ЖСВР 98
3.1..Исследование влияния геометрии проточной части каналов на их эжекционные характеристики 98
3.1.1. Предпосылки экспериментальных исследований 98
3.1.2. Экспериментальная установка 100
3.1.3. Методика проведения экспериментов 102
3.1.4. Результаты экспериментов 103
3.2. Исследование влияния концентрации ЖП
на его эффективность в каналах СУЗ 106
3.2.1. Экспериментальная установка 106
3.2.2. Методика измерения физической эффективности на критической сборке РБМК 109
3.2.3. Результаты экспериментов 109
3.2.4. Обобщение и анализ экспериментальных данных 112
3.3. Исследование перемешивания ЖП в циркуляционном контуре 115
3.3.1. Цель исследований 115
3.3.2. Экспериментальный стенд 115
3.3.3. Результаты экспериментов 121
3.3.4. Обобщение и обсуждение экспериментальных данных 126
3.4. Выводы 132
4. Расчетно-аналитические методы определения параметров и характеристик ЖСВР 134
4.1. Эжектирование газа и опускное течение водо-воздушных смесей в гидравлическом контуре СУЗ 134
4.1.1. Анализ условий возникновения эжекционного захвата газа 134
4.1.2. Безразмерные комплексы для обобщения данных по эжекционному захвату газа 136
4.1.3. Расход эжектируемого газа и плотность газожидкостной смеси 144
4.1..4. Плотность смеси в режиме с зависанием газовой фазы 144
4.1.5. Примеры расчета расходов эжектируемого газа . в каналах A3 РУ РБМК 144
4.1.6. Эжекционное «набухание» динамического столба 146
4.1.7. Эжекционное «набухание» в системе параллельных каналов 150
4.2. Эффективность жидких поглотителей в каналах СУЗ РУ РБМК 151
4.2.1. Эффективность ЖП в каналах со стержнями-поглотителями 151
4.2.2. Методика оценки поглощающей эффективности ЖП 152
4.2.3. Пример определения эффективности 154
4.2.4. Выбор концентрации поглотителей в активной зоне 156
4.2.5. Влияние количества каналов с ЖП на эффективность 157
4.3. Основные технологические параметры 4.3.1. Порядок определения параметров 158
4.3.2. Массы и объемы вводимого поглотителя 159
4.3.3. Продолжительность ввода ЖП в контур в режиме с циркуляцией ЖП 161
4.3.4. Определение диаметра подводящей трубы 162
4.3.5. Ввод жидкого поглотителя noU-образной схеме 165
4.3.6. Извлечение жидкого поглотителя из контура 165
4.4. Дополнительные характеристики 167
4.4.1. Тепловой режим 167
4.4.2. Водный режим и радиолиз в каналах с пленочным охлаждением 168
4.4.3. Влияние диаметра проточной части опоры и параметров потока на взрывобезопасность каналов 172
4.4.4. Водный режим и радиолиз при использовании жидких поглотителей... 174
4.4.5. Коррозионное воздействие жидких поглотителей на конструкционные материалы 176
4.4 Выводы 177
5. Реализация схем и методик расчета параметров и характеристик ЖСВР канальных ЯР 181
5.1. Каналы A3 с пленочным охлаждением 181
5.2 Жидкостные системы удержания реактора РБМК в подкритическом состоянии 183
5.2.1. Жидкостная система подкритичности 5-го энергоблока Курской АЭС. 184
5.2.2. Дополнительная система удержания реактора в подкритическом состоянии 2-го энергоблока Игналинской АЭС 190
Основные результаты и выводы 191
Список литературы
- Жидкостные системы с вводом поглотителя в объем реактора (реализованные и проектные решения)
- Структура стержне-приводных систем остановки реактора РБМК
- Методика измерения физической эффективности на критической сборке РБМК
- Безразмерные комплексы для обобщения данных по эжекционному захвату газа
Введение к работе
В настоящее время в России действует 15 энергоблоков АЭС, которые ос-
^ нащены реакторными установками канального типа, из них 11 энергоблоков
РБМК. Доля электроэнергии, вырабатываемой АЭС с реакторами РБМК, составляет почти половину общей выработки электричества на АЭС России [1]. Постоянно возрастающие требования современных отечественных и международных нормативов безопасности влекут за собой необходимость повышения безопасности реакторов РБМК [2].
В настоящее время безопасность ядерных реакторов (ЯР) обеспечивают,
ҐШ главным образом, за счет увеличения количества систем безопасности и осна-
щения системами, рассчитанными на выполнение функций управления запро-
ектными авариями (ЗПА), а для достижения более высокого уровня безопасно
сти используют разнопринципные системы - активные и пассивные [3-6]. Од
ной из запроектных аварий является отказ стержнеприводной системы
остановки (СО) реактора - неввод стержней системы управления и защиты
(СУЗ) в активную зону [5]. Эту проблему на большинстве реакторов решают с
помощью использования жидкостных систем воздействия на реактивность
4^ " (ЖСВР), построенных на ином принципе действия, чем стержне-приводные
системы остановки [3,4].
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы показывают, что на реакторах типа РБМК для управления аварией, связанной с отказом стержне-приводной СО, актуально применение ЖСВР, использующей каналы контура охлаждения СУЗ [8-17].
Большое количество систем с вводом жидкого поглотителя в объем реакто-
,. ра реализовано и успешно эксплуатируется на всех водо-водяных реакторах с
водой под давлением и кипящих (PWR, ВВЭР, BWR), канальных тяжеловодных (CANDU,PHWR)[16].
Системы с вводом ЖП в отдельные каналы реализованы на тяжеловодных реакторах [3,16]. В НИКИЭТ имеется опыт разработки систем с вводом жидкого поглотителя в автономные или полуавтономные каналы [3].
Однако имеющихся данных по принципиальным схемам, расчетным методикам, экспериментальным обоснованиям существующих ЖСВР для различных РУ недостаточно для разработки и обоснования таких систем на РБМК из-за особенностей реактора [17].
В связи с этим актуальной является разработка работоспособной схемы ЖСВР, которая обеспечит надежное ее функционирование, с учетом условий канальных реакторов.
Особенность ЖСВР канальных ЯР заключается в том, что используемая в них воздействующая на реактивность жидкость (вода) может быть [3,5]:
охладителем;
средой, влияющей на эффективность стержней-поглотителей;
поглотителем нейтронов (при заполнении каналов по высоте активной зоны);
средой, выделяющей радиолитические газы (в том числе взрывоопасные);
средой, эжектирующей и транспортирующей радиолитические, вентилирующие и другие газы в растворенном виде и/или в виде газовых пузырьков;
средой для принятия раствора более эффективного поглотителя и транспортировки его в активную зону реактора.
Существующие результаты экспериментов и методики по определению эжекции газа применительно к условиям каналов охлаждения СУЗ реактора РБМК [18-20] позволяют определять отдельные эжекционные параметры (например, только расход эжектируемого газа или только плотность образующейся двухфазной смеси). Эти методики не учитывают взаимосвязь эжекционных параметров, а также их влияние на положение столбов жидкости и водородную безопасность каналов, что ограничивает их применение.
Результаты существующих экспериментов по вводу жидкого поглотителя нейтронов (ЖП) в объем теплоносителя-замедлителя и его перемешиванию применимы в основном только для реакторов корпусного типа [21].
Отсутствуют данные по определению основных характеристик ЖСВР. Все эти обстоятельства делают невозможным корректные разработки ЖСВР для канальных реакторов.
В связи с этим актуальны вопросы по обоснованию ЖСВ, а именно, по получению экспериментального обоснования ее параметров и характеристик, по разработке инженерных методик расчета основных параметров (перемешивания и распространения ЖП по контуру, поглощающей эффективности ЖП и его концентрации, временных характеристик, массы и объемов ЖП и т.п.) [21-24].
Объектом исследования данной работы являются жидкостные системы воздействия на реактивность канальных реакторов.
Предмет исследования - принципиальные схемы, технические параметры и характеристики ЖСВР.
Цель работы состоит в следующем:
анализ и разработка схем жидкостных систем воздействия на реактивность канальных реакторов, прежде всего РБМК, использующих каналы контура охлаждения (КО) СУЗ, и их обоснование;
получение параметров ЖСВР экспериментальным и расчетным путем;
разработка физически обоснованных методов расчета комплекса параметров ЖСВР.
Научная новизна работы по жидкостным системам воздействия на реактивность канальных ЯР определяется следующим. Для реактора РБМК впервые разработана жидкостная система удержания реактора в подкритическом состоянии, использующая каналы СУЗ для ввода жидкого поглотителя. При разработке не удалось взять готовых решений по похожим системам, используемым на реакторах другого типа. В связи с этим проведен обзор и критический анализ существующих отечественных и зарубежных реализованных и возможных решений по системам с жидким поглотителем нейтронов. Систематизированы известные данные по ЖСВР ЯР.
Разработана классификация ЖСВР по основным характерным признакам; определены проблемы и задачи, которые требуется решать при создании этих систем.
Обоснованы принципиальные схемы ЖСВР, использующих проточные части каналов СУЗ для ввода жидкого поглотителя (растворов борной кислоты, нитрата гадолиния, обычной воды), и которые могут входить в состав дополнительных СО, как системы длительного удержания реактора в подкритическом состоянии, или являться самостоятельными системами управления ЗПА.
Несмотря на то, что литература, которая привлекалась в процессе работы, содержит отдельные принципиальные положения, расчетные рекомендации и экспериментальные данные по ряду вопросов, для жидкостных систем воздействия на реактивность канальных реакторов пришлось разрабатывать расчетные методики, получать экспериментальные значения определяющих критериев, параметров и характеристик.
К настоящему времени для установления полуэмпирических закономерностей и получения численных значений, определяющих критериев и параметров проведены экспериментальные исследования. Получены представительные пневмо-гидравлические и нейтронно-физические характеристики и зависимости в стендовых и реакторных (на критсборке) условиях. В процессе получения этих характеристик изучены: влияние формы профилирования проточной части канала на эжекционные характеристики; влияние концентрации жидкого поглотителя и типа вытеснителей стержней СУЗ на эффективность канала с ЖП; процесс ввода ЖП в циркуляционный контур, перемешивание и распространение поглотителя по контуру, влияние параметров контура (расхода, объема, конфигурации).
В работе впервые проведено подробное исследование процессов ввода ЖП в циркуляционный контур, его распространения и перемешивания по контуру с использованием визуализации течения. Обобщение экспериментальных данных (собственных и других авторов) проведены с использованием критериальных методов обработки.
При разработке расчетно-аналитических методик определения параметров ЖСВР использованы основные законы механики жидкости и газа и методы оценки нейтронно-физической эффективности поглотителей, а также ап .пробированные физические модели и математические методы.
При этом:
выведены расчетные формулы и выбраны критерии для определения эжек-ционных параметров (расхода газа и плотности газожидкостной смеси, эжекци-онного «набухания» динамического газожидкостного столба) каналов с опускным течением в режимах со спутным движением фаз и зависанием газовой фазы.
наряду с использованием известных параметров, характеризующих течение двухфазных потоков (расходного и истинного газосодержаний, критериев Рейнольдса, Архимеда и Фруда), выведены новые критерии, характеризующие эжекционныи захват и количество жидкости в канале и представляющие собой простые симплексы; предложена новая методика определения эжекцион-ных параметров;
предложена методика оценки эффективности (поглощающей способности) жидких поглотителей нейтронов в каналах СУЗ, позволяющая на начальных стадиях разработки системы определять эффективность водных растворов борной кислоты и нитрата гадолиния в каналах СУЗ с разными типами вытеснителей стержней поглотителей;
определены расчетные выражения параметров для ЖСВР с вводом концентрированного поглотителя в циркуляционный контур: концентрации, массы и объемов ЖП, размеров баков и подводящих трубопроводов, продолжительности ввода поглотителя в контур и вывода из контура; установлено их взаимное влияние, и показан порядок их определения.
Разработанные схемы ЖСВР с вводом поглотителя в каналы СУЗ, ее расчетные параметры и характеристики могут использоваться при создании и внедрении такой системы на реакторах РБМК.
Их применение на РУ РБМК обеспечит реактор дополнительным средством управления запроектной аварией, соответствующим современным требованиям нормативных документов по безопасности [12].
Методики определения эжекционных параметров и рекомендации могут быть использованы для оптимизации нижней проточной части каналов охлаждения аварийной защиты с пленочным течением в них охлаждающей жидкости, с точки зрения обеспечения их нормальной эксплуатации (эффективной вентиляции от радиолитических газов, положения уровней и др.)[24].
Созданный научный задел, состоящий из принципиальных схем, методик расчета и расчетных зависимостей, экспериментальных характеристик, может быть использован при разработке и обосновании различных жидкостных систем воздействия на реактивность, создаваемых для разных реакторов.
По жидкостным системам воздействия на реактивность ЯР при участии автора выпущено 10 отчетов, 5 технических заданий, 3 проекта для отечественных реакторов РБМК (для ЛАЭС, КуАЭС), 1 техническая спецификация для зарубежного реактора (для ИАЭС), опубликовано 6 статей.
В соответствии с решаемыми задачами настоящая работа имеет следующую структуру.
В главе I рассматривается состояние вопроса по ЖСВР различных РУ, анализируются схемы, имеющие ценность в конструкционном, теоретическом и экспериментальном отношениях, предлагается классификация систем и определяются проблемы их разработки.
В главе II проводится анализ схем и конструкторско-технологических решений по ЖСВР РУ РБМК: схемы ввода-вывода; режимы работы; размещение баков, запорной арматуры и средств контроля.
В главе III описываются: экспериментальная установка и методика проведения исследований по влиянию формы проточной части канала с пленочным охлаждением на его эжекционные характеристики; экспериментальная установка и методика получения экспериментальных данных по поглощающей эффективности растворов нитрата гадолиния в каналах СУЗ реактора РБМК;
23 работы по исследованию процессов ввода поглотителя в циркуляционный контур и перемешивания, методика проведения экспериментов на стенде КО СУЗ-ЖСП, и получение необходимых опытных данных.
Проводится анализ результатов экспериментальных исследований и сравнение их с данными других авторов.
В главе IV приводятся расчетно-аналитические методы определения основных параметров жидкостных систем с использованием данных главы III: методика расчета параметров эжекционного захвата в каналах с опускным течением (расхода эжектируемого газа, плотности газожидкостной смеси) и величины набухания динамического столба в каналах с пленочным охлаждением; методика оценки поглощающей эффективности ЖП в каналах СУЗ в зависимости от концентрации ЖП и типа вытеснителя стержней СУЗ; методика определения основных технологических параметров (массы, объемов, продолжительности ввода, вывода поглотителя); подходы в определении дополнительных параметров.
Жидкостные системы с вводом поглотителя в объем реактора (реализованные и проектные решения)
ЖСВР с вводом жидкого поглотителя нейтронов в объем теплоносителя используются в основном в корпусных реакторах типа PWR, BWR и ВВЭР (рис.1.1,а,б). При этом в большинстве систем впрыск поглотителя осуществляется насосами [31,48]. Пассивные системы с впрыском поглотителя в объем замедлителя реализованы на всех тяжеловодных и на некоторых экспериментальных кипящих реакторах (рис.1.1,в)[3,16,25-28].
В реакторах с водой под давлением ЖП используется в основном для компенсации медленных эффектов реактивности таких, как выгорание топлива и компенсации температурных эффектов. Помимо регулирования жидкий поглотитель используется для остановки реактора в случае отказа стержне-приводной системы остановки. В корпусных одноконтурных кипящих и тяжеловодных реакторах жидкостные системы применяются для остановки ЯР, в случае отказа основной стержнеприводной системы.
Борная кислота является наиболее подходящим поглотителем нейтронов для использования в реакторах благодаря коррозионной стойкости контактирующих с ней материалов и ее радиационной стойкости в больших потоках нейтронов и у-излучения. Однако в кипящих реакторах в качестве поглотителя используется пентаборат натрия. Это объясняется тем, что у пентабората натрия растворимость существенно выше, чем у борной кислоты. В связи с этим раствор пентабората натрия с необходимой рабочей концентрацией можно держать при комнатной температуре, не опасаясь выпадения его в осадок [11].
В тяжеловодных реакторах применяется нитрат гадолиния, обладающий хорошей растворимостью и высокой поглощающей способностью. Использование нитрата гадолиния в кипящих реакторах и в реакторах с водой под давлением невозможно из-за его термической нестабильности: при t 140 С растворы нитрат гадолиния разлагаются с выпадением в осадок [33].
В тяжеловодных реакторах ввод раствора нитрата гадолиния в тяжелой воде производят в объем замедлителя по горизонтальным трубам через систему сопел (рис. 1.1,в). Удержание ЖП в баках осуществляется гидростатическим давлением столба замедлителя в каландре реактора. Для исключения попадания раствора в замедлитель предусмотрена линия выравнивания давления, связывающая газовые объемы над замедлителем и над уровнем жидкого поглотителя в баке. Впрыск ЖП в замедлитель осуществляется давлением гелия с после открытия запорной арматуры, соединяющей бак с ЖП и газовые аккумуляторы, что обеспечивает быстродействие системы.
Жидкостные системы остановки (реализованные): а-в -с вводом жидкого поглотителя в объем теплоносителя-замедлителя: насосами (PWR, ВВЭР) (а), давлением газа (BWR) (б,в), со сливом замедлителя (CANDU, PHWR)(B);r - с вводом поглотителя в приемные камеры (исполнение А-давленисм управляющего газа; Б-самотеком): 1 - а.з.; 2- линия ввода поглотителя; 3 - насос подачи поглотителя; 4 - бак с поглотителем для регулирования; 5 - бак аварийного запаса поглотителя; 6 - холодная ветка теплоносителя; 7 - направление подачи поглотителя; 8 - аккумулятор системы охлаждения; 9 - быстродействующий клапан; 10 -аккумулятор с поглотителем; И -ресивер со сжатым газом; 12 -распределительный трубопровод с соплами; 13 - замедлитель 14 - приемная камера (канал); 15 - трехходовой быстродействующий клапан. Быстродействие этой системы превышает быстродействие основной СО реактора, что позволяет использовать в ней завышенные уставки значений аварийных сигналов срабатывания. Этим снижается частота срабатывания этой системы, что сглаживает основной ее недостаток - неоперативный возврат в исходное состояние. Для предотвращения попадания газа в объем замедлителя при срабатывании системы, в баках с поглотителем установлены запирающие поплавковые устройства, в виде плавающих шаров [3,16]. В некоторых индийских реакторах канадского типа инжекция раствора поглотителя производится по трубам, расположенным не только в нижней части каландра, но и в верхней [16]. Это сделано для уменьшения времени распространения поглотителя по объему замедлителя.
В проектах современных реакторов повышенной безопасности {HSBWR(G.E.)[30], ВПБЭР[35], АР-600 (США)[45], MS-600 (Япония) [76], В-392 [16], ВК-300[16] и др.} большое внимание уделяется разработке систем с пассивным вводом жидкого поглотителя в активную зону. При этом используются принципиальные и конструкторские решения, принятые в системах аварийного охлаждения реактора, такие как ввод поглотителя нивелирным перепадом и/или давлением газа (рис. 1.2, рис. 1.3).
Использование нивелирного перепада для ввода поглотителя позволяет обеспечить ввод поглотителя в реактор, например, при снижении давления в объеме реактора или открытии запорной арматуры на линии ввода ЖП, и не допускает попадания управляющего газа в объем реактора.
Если ввод поглотителя осуществляется давлением газа, то необходимо использовать устройства, препятствующие попаданию управляющего газа в реактор (см.рис.1.3,б).
В большинстве систем высококонцентрированный ЖП размещается в отдельных баках, вынесенных за пределы реактора (см.рис.1.2, 1.3,а,в). Концептуальные особенности некоторых реакторов позволяют размещать жидкий поглотитель в бассейне защитной оболочки, сообщающейся с объемом реактора (см.рис.1.3,в) [16,45].
Структура стержне-приводных систем остановки реактора РБМК
В настоящее время для управления и аварийной остановки реактора РБМК используются две независимые системы остановки: быстрого снижения мощности (БСМ) и аварийной защиты (A3). A3 и БСМ осуществляют быстрое автоматическое прекращение цепной реакции и длительное удержание РУ в подкритическом состоянии во всех аварийных ситуациях, предусмотренных техническим проектом РУ (п.2.3.1.4, 2.3.1.5 ПБЯ РУ АЭС). В этих системах в качестве органа воздействия на реактивность используются твердотельные стержни-поглотители.
При обосновании безопасности РУ РБМК рассматривается запроектная авария - гипотетический отказ по общей причине системы БСМ, т.е. неввод стержней БСМ в зону, например, в результате отказа автоматики, деформации каналов [65,66].
В соответствии с современными подходами к обеспечению безопасности ядерных реакторов на РУ должны быть предусмотрены технические средства и меры, предназначенные для управления такой запроектной аварией (п. 1.2.3,п.4.1.3 ОПБ АС 88/97; п.2.1.6 ПБЯ РУ АС).
Для этого возможно использование любых имеющихся в работоспособном состоянии технических средств, предназначенных для нормальной эксплуатации, обеспечения безопасности при проектных авариях или специально предна значенных для уменьшения последствий запроектных аварий (см.определение №54, ПБЯ РУ АС).
Поэтому для предотвращения развития такой запроектной аварии требуется система, построенная на ином принципе действия, чем существующие СО, которая будет осуществлять удержание расхоложенного, разотравленного реактора, остановленного стержнями A3, в подкритическом состоянии. Необходимость ввода такой системы в действие возникает только при отказе стержневой системы БСМ.
Следует отметить, что оснащение РБМК системой удержания в подкрити ческом состоянии при отказе стержней БСМ будет являться дополнительной (страховочной) мерой по обеспечению безопасности РУ на случай запроектной аварии [8].
Возможность использования жидкостных систем в РУ РБМК
На основе положительного опыта кипящих реакторов в качестве возможного средства дополнительного обеспечения подкритического состояния РУ РБМК рассматривалось введение высококонцентрированного водного раствора поглотителя в контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ). При этом жидкий поглотитель перемешивается с контурной водой и циркулирует по контуру охлаждения, удерживая реактор в подкритическом состоянии. Трудность реализации такого решения заключается в сложных условиях эксплуатации КМПЦ: высокие значения температуры до 280 С и давления 7 МПа. Поэтому для обеспечения ввода раствора поглотителя в КМПЦ требуется установка сосудов высокого давления (с давлением больше 7 МПа), аналогичных баллонам системы аварийного охлаждения реактора, с большими запасами поглотителя (до 300 м3).
Нитрат гадолиния в контуре КМПЦ использовать не возможно из-за его термической и химической нестабильности при высоких температурах.
Однако при введении раствора борной кислоты в КМПЦ возможно образование отложений на твэлах и концентрирование коррозионно-агрессивных соединений. Возможен также унос борной кислоты с паром на турбину и загрязнение конденсатно-питательного тракта. Кроме того, из-за сильной разветвленное КМПЦ возможна сорбция борной кислоты коррозионными пленками, находящимися на поверхности конструкционных материалов, и шламом продуктов коррозии, который будет осаждаться в застойных зонах КМПЦ. К тому же для выведения ЖП из КМПЦ потребуется значительное количество ионообменной смолы и, соответственно, многократная перегрузка фильтров. На основании выше сказанного можно сделать вывод о нецелесообразности реализации ЖСВР с вводом в контур КМПЦ.
Наиболее целесообразной является схема с вводом жидкого поглотителя в контур охлаждения СУЗ, который меньше разветвлен, чем КМПЦ (общий заполняемый объем составляет 200-300 м3) и имеет низкие теплогидравли-ческие параметры: давление в контуре составляет 0,1-0,35 МПа и температура контурной воды - 40- 75С.
Через проточную часть каналов, в которых размещены исполнительные механизмы системы управления и защиты, циркулирует охлаждающая вода. Объемы воды в этих каналах зависят от размеров кольцевых зазоров между каналом и стержнем, вытеснителем, соединяющей их тягой (рис.2.1). В таблице 5 представлены среднее количество каналов с разными видами стержней поглотителей, используемых на реакторе РБМК, и объемы воды в этих каналах в области активной зоны (V .), отнесенные к объему пустого канала (VK), при размещении стержней-поглотителей в крайнем верхнем положении [16].
Из таблицы 5 видно, что объем воды в каналах СУЗ в области активной зоны может составлять от 8 до 47% от полного объема канала.
Вода является сильным поглотителем в уран-графитовых реакторах. Считается, что поглощающая способность столба воды составляет —1/3 от поглощающей способности стержня СУЗ [3]. Тогда в зависимости от типа используемых стержней, находящихся в рабочем положении, положительный эффект реактивности при аварийном обезвоживании каналов СУЗ может достигать -1-4 Р [10].
На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы: - в каналах СУЗ имеются достаточные объемы воды для размещения в нем водного раствора другого более эффективного, чем вода поглотителя; - благодаря достаточно сильным поглощающим свойствам охлаждающая вода в каналах СУЗ может использоваться как поглотитель нейтронов.
Методика измерения физической эффективности на критической сборке РБМК
Экспериментальная установка Критсборка РБМК. Эксперименты проводятся на критсборке стенда РБМК (РНЦ «Курчатовский Институт»), представляющей собой физическую модель фрагмента начальной загрузки реактора РБМК, при комнатной температуре и атмосферном давлении.
Сборка собрана в графитовой кладке с размерами 4,5 х 4,5 х 4,1 м. В кладке расположены 324 вертикальных канала с трубами 088/80 мм из сплава САВ-6; решётка каналов - квадратная с шагом 250 мм. Высота активной зоны по топливу - 3,46 м.
Для измерения основных характеристик сборки - нейтронных полей, реактивности, положения стержней СУЗ - используется многоканальная система внутриреакторного контроля. Система содержит 68 измерительных каналов с нейтронными камерами КНТ-5 для исследования пространственного распределения плотности потока тепловых нейтронов.
Кроме того, для измерения реактивности используется реактиметр ПИР-4. В качестве нейтронных детекторов реактиметра применяются борные ионизационные камеры КНК-56. Подробное описание стенда приведено в работе [68].
Для экспериментов использовалась одна из ячеек критсборки. Предварительно из канала был извлечен имитатор стержня СУЗ, а труба канала 088/80 мм заменена на алюминиевую трубу 086/82 мм. Труба в нижней части была заглушена - имела уплотнение и не соединялась с водяной коммуникацией стенда. Заполнение трубы необходимым количеством раствора нитрата гадолиния требуемой концентрации и последующее погружение в нее элемента загрузки происходили вне кладки стенда. Затем вся композиция устанавливалась в ячейку сборки (рис. 3.5).
Растворы нитрата гадолиния. В экспериментах использована дистиллированная вода стенда РБМК при температуре 21 ± 2С. Для экспериментов были выбраны следующие значения концентрации нитрата гадолиния Gd(N03)3 6Н20 в воде: 0; 1; 1,5; 2,5; 4 и 8 г/л . При переходе от воды к первому значению концентрации (1 г/л) в 30 л воды растворяли необходимое количество нитрата гадолиния.
После завершения экспериментов с этим раствором в него добавляли количество соли, необходимое для получения раствора следующей концентрации; так повторялось до значения концентраций нитрата гадолиния 8 г/л. Перед растворением очередной порции нитрата проводился анализ значения рН раствора, и при рН 5,5 раствор "подкислялся" добавлением азотной кислоты.
Перед началом экспериментов с раствором данной концентрации и после их окончания проводился анализ для определения значения концентрации нитрата комплексометрическим методом. Погрешность определения концентрации нитрата оценена в ± 0,02 г/л и гадолиния ± 0,007 г/л.
При загрузке в канал с раствором вытеснителя и стержня СУЗ, а также при организации в канале "столба" жидкости, количество раствора в канале составляло 4,40 л, 10,95 л и 20,65 л, соответственно.
Исследованные элементы загрузки. В качестве макета штатного стержня СУЗ используется стержень из трех поглощающих звеньев в оболочке из алюминиевого сплава с наружным диаметром 70 мм и толщиной стенки 2 мм. Внутри звеньев - втулки из карбида бора размером 065,7x7,65 мм.
Общая длина такого стержня по поглотителю составляет 3036+5 мм. В местах соединения звеньев выполнен разрыв между втулками по 75 мм. Для исключения "столба" жидкости стержень имеет в нижней части укороченный вытеснитель диаметром 74 мм. При заполнении канала жидкостью она поступает и во внутреннюю полость звеньев поглотителя диаметром 46 мм.
Макет штатного вытеснителя состоит из трёх штатных звеньев и укороченного звена в нижней части макета. Оболочка звена выполнена из алюминиевого сплава 074x2,5 мм; внутри звена установлен фафитовый вкладыш диаметром 68 мм (см. рис. 3.5, а). При заполнении канала жидкостью она поступает в кольцевой зазор между вытеснителем и каналом. Толщина зазора составляет 4 мм.
Для определения эффектов реактивности при заполнении водой и раствором нитрата гадолиния канала с моделями штатных поглотителя и вытеснителя СУЗ, а также незафуженного канала (эффективность "столба" жидкости), использован модифицированный метод "опорного периода" ("опорной реактивности"). Суть его - в определении разности значений реактивности сборки при одном положении стержней СУЗ, но разной зафузке (состоянии) экспериментального канала. За исходные, "опорные", принимаются значения реактивности сборки с поглотителем и вытеснителем СУЗ в канале без жидкости, или с неза-фуженным каналом без жидкости.
Влияние концентрации гадолиния в растворе на эффективность элемента канала СУЗ можно наглядно представить величиной приращения эффективности (Дрс) при добавлении в воду разного количества нитрата гадолиния, как это было сделано в экспериментах с борной кислотой (см.. 1.5): Аре = Рс - ро, где Ро - реактивность канала с водой (без гадолиния) при выбранном положении стержней сборки с элементом зафузки; рс. реактивность канала с раствором нитрата гадолиния с тем же элементом загрузки.
Безразмерные комплексы для обобщения данных по эжекционному захвату газа
В настоящей работе для обобщения экспериментальных данных по эжекционному захвату используются безразмерные комплексы фундаментальных чисел подобия и комплексы, полученные объединением нескольких переменных на определенной логической основе.
За основу взяты безразмерные комплексы, применяемые разными авторами [18, 19,51-57] при анализе и обобщении экспериментальных данных по опускным течениям водо-воздушных смесей.
На основе исследований по эжекционному захвату можно сделать вывод, что образование двухфазных смесей эжекционным способом состоит из двух последовательных процессов захвата газа текущей жидкостью и уноса пузырьков газа вниз по потоку (см. рис,4Л). При этом полагается, что весь захваченный газ уносится потоком жидкости, тогда в качестве безразмерного параметра, характеризующего захвата газа эжекционным способом, предлагается использовать расходное газосодержание р [см.выражение (1.1)], которое характеризует отношение расхода эжектируемого газа, к общему расходу газожидкостной смеси.
С другой стороны в работах [53-55] отмечается, что на унос пузырьков газа текущей жидкостью с приведенной скоростью \уж0 оказывает влияние гидродинамическая сила, действующая со стороны жидкости Рг, и выталкивающая сила Архимеда А (см. рис.4.1,а), которые определяются, соответственно, критериями Рейнольдса Re=w 6/v и Архимеда Ar=gd /v
Комбинация этих критериев дает обобщенное число Фруда, которое характеризует взаимодействие архимедовой силы и динамического напора текущей жидкости: Для каналов, в которых эжекция обусловлена суммарной проточной частью трубы вставки и кольцевого зазора между опорой и каналом, при определении числа Фруда используется эквивалентный диаметр [24]: d3Ke = / /0,785 t где Fm — суммарная площадь поперечного сечения проточной части канала.
На основе представленных выше рассуждений для обобщения экспериментальных данных по эжекционному захвату в качестве обобщающих параметров предлагается использовать расходное газосодержание и критерий Фруда [см.выражение (4.1а)].
Учитывая зависимость расхода эжектируемого газа от температуры воды (см. рис.1.12), существующие экспериментальные данные разных авторов (см.рис. 1.11-1.14), и на рис.3.3, полученные в диапазоне параметров 1ж=10-60С, шжо=0,15-0,7 м/с, р=0,1-0,22МПа, d = 40-82 мм, достаточно хорошо обобщаются зависимостью расходного газосодержания р [см. выражение (1.1)] от температуры воды t для разных чисел Фруда [см. выражение (4.1а)] (рис.4.2).
Как видим, зависимости р=Р(1ж;Ргж0) (см.рис.4.2) удовлетворительно группируются вдоль соответствующих линий постоянного значения числа Фруда, рассчитанного по приведенной скорости жидкой фазы. С увеличением температуры воды расходное газосодержание увеличивается.
С уменьшением числа Фруда уменьшается влияние инерционных сил, вследствие чего уменьшается унос газа в канал. При температурах выше 50С влияние числа Фруда меньше сказывается на расходном газосодержании, чем при более низких температурах.
Имеющийся массив различных экспериментальных данных (см.рис.4.2), полученных в работах [18,19,70], и которые представлены на рис.3.3, аппроксимируется зависимостью безразмерного отношения р к Кгж0 в функции температуры со среднеарифметической погрешностью ±11% (рис.4.3):
Знание значение расходного газосодержания /? позволяет очень просто оп ределять расход эжектируемого газа в канале [см. выражение (1.2)], а так же может быть использовано для определения истинного (объемного) газосодер жания в канале.
Для этого экспериментальные данные по истинному и расходному газосо держанию, полученные в каналах различных диаметров и при различных условиях эжектирования газа в канал [18,19,55-57] обобщаются с помощью зависимости p=f(f5 FrCM), предложенной в работе [55] (рис.4.4).
При этом они удовлетворительно группируются вдоль соответствующих линий постоянного значения критерия Фруда смеси: где w см = 4(0г+ ж)/жІк2 - скорость газожидкостной смеси, м/с; g =9,8 м/с -ускорение силы тяжести; dK - диаметр канала, м. Для кольцевых каналов в числе Фруда используется эквивалентный диаметр [55]: &шв — нар "ен , где d,IBpH d Ш1 - диаметры наружной и внутренней труб. р=0,12-0,22 МПа. На полях указаны значения критерия Фруда смеси.
Как видим, при малых значениях FrCM истинное газосодержание превышает расходное. Этот эффект объясняется влиянием архимедовых сил, способствующих всплытию газовых пузырей в жидкости, и действием сил поверхностного натяжения.
С увеличением числа Фруда усиливается влияние инерционных сил, вследствие чего истинное газосодержание приближается к расходному. При величинах FrCH больших 2 истинное газосодержание практические перестает зависеть от критерия Фруда, т.е. наступает автомодельная зона.
По данным работы [53] наступление автомодельной зоны, как правило, сопровождается переходом в другой режим течения. В данном случае будет происходить переход от пузырькового режима течения в пробковый. Такое явление наблюдалось в экспериментах, представленных в работах [70].
Для обобщения данных, представленных на рис. 4.4, предлагается зависимость безразмерного симплекса р/ф от числа Фруда смеси FrCM, которая позволяет свести этот веер значений в единую зависимость (рис.4.5).
