Анализ основных проектных аварий предусматривает рассмотрение разбаланса тепловыделения и теплосъема в реакторной установке, вызванных: потерей теплоносителя из контура циркуляции или условиями, которые могли бы привести к быстрому вводу положительной реактивности; отказом основного оборудования и арматуры контура(ов) циркуляции; ошибками операторов; внешними причинами (пожар, наводнение, землетрясение).
Но независимо от исходного события при помощи предусмотренных систем безопасности (см. разд. 3) с учетом принципа единичного отказа или одной, независимой от исходного события ошибки персонала реакторная установка должна быть приведена в состояние с сохранением подкритичности и охлаждения активной зоны при непревышении предельных нормативов по облучению для персонала станции и по возможным выбросам радиоактивных продуктов в окружающую среду.
Наиболее тяжелые условия разбаланса между тепловыделением и теплосъемом в активной зоне реактора реализуются при больших потерях теплоносителя (исключая разгон реактора на мгновенных нейтронах).
Теплогидравлика систем локализации
Целью теплогидравлического анализа процессов в защитной оболочке (корпусные реакторы) или в помещениях системы локализации аварий (канальные реакторы типа РБМК) является оценка максимального давления в них (оценка целостности последнего барьера) после разрыва контура циркуляции. Обычно рассматривается истечение теплоносителя в объем или систему связанных помещений, сопровождающееся эффектами конденсации на поверхностях бассейнов-охладителей, теплообменников и спринклерных устройств. Если анализ процессов в защитной оболочке преследует не только оценку ее целостности, но и возможных радиологических последствий (в том числе и для тяжелых аварий), то необходимо учитывать также перенос аэрозолей и продуктов деления (дисперсный и материальный состав аэрозолей, осаждение и агломерация аэрозолей, распад ПД, их смытие и осаждение).
При разрыве первого контура водоохлаждаемого реактора в воздушный объем герметичной защитной оболочки (30) поступает вода и водяной пар, что вызывает повышение давления внутри 30 и повышение температуры парогазовой смеси, различных элементов оборудования и 30. Эти процессы имеют нестационарный характер, разнообразны по природе: струйные течения, естественная конвекция, турбулентные потоки паровоздушной смеси с каплями, перенос теплоты излучением, объемная конденсация пара, пленочная и капельная конденсация пара на поверхностях в присутствии неконденсирующихся газов. Все эти процессы имеют разную интенсивность.
Так, поток излучения в реальных условиях тяжелой аварии от парогазовой струи имеет порядок 1...5 кВт/м2, а тепловые потоки при конденсации пара из парогазовой среды примерно 1...100 кВт/м2.
В помещении 30 может скапливаться газовая смесь, состоящая из воздуха, водяного пара, водорода. Образование водорода может быть результатом радиолиза воды или следствием пароциркониевой реакции. Кроме того, теплоноситель имеет добавки бора, которые изменяют спектр ядер конденсации.
Интенсивность конденсации чистого пара определяется скоростью подвода пара к поверхности стенки и отвода теплоты от поверхности конденсации. При конденсации из парогазовой смеси определяющее значение имеет скорость подвода пара к поверхности раздела фаз через диффузионный слой неконденсирующихся газов, которые скапливаются на поверхности теплообмена.
На первом этапе развития аварии с разрывом первого контура основным механизмом, определяющим рост давления и температуры 30, является расход пара и объемная конденсация. Именно на этом этапе наиболее быстро растут давление и температура.
На втором этапе основным механизмом тепло- и массообмена является сток теплоты и конденсация пара на поверхностях 30 и оборудования внутри нее.
Теплообмен в реакторах с охлаждением жидкими металлами при нестандартных ситуациях
Кипение натрия
Высокая плотность тепловыделения в активной зоне реакторов на быстрых нейтронах (600 кВт/л и более) при несоответствии между выделяемой и отводимой мощностью может привести к быстрому росту температуры топлива и теплоносителя. В реакторах с охлаждением натрием может начаться кипение. Плотность паров натрия примерно в 2000 раз меньше, чем плотность жидкости. Поэтому испарение даже небольшого количества натрия приводит к образованию значительного объема пара, который может остановить циркуляцию жидкого натрия.
Кипение начинается в верхней части активной зоны, где температура теплоносителя имеет максимальное значение. Сначала пузыри пара уносятся потоком и конденсируются. По мере повышения температуры теплоносителя пузырьки пара становятся более крупными, а затем расширяющиеся пары натрия останавливают и «опрокидывают» поток жидкости.
Здесь возникают две задачи: расчета скорости образования паровой фазы в активной зоне; определения момента наступления кризиса теплообмена. Условия объемного кипенья достигаются примерно через 10 мин после выбега насоса, когда расход будет составлять примерно 1/10 номинального. При спаде расхода при спокойном режиме кипения происходит постепенное заполнение канала паром, затем начинается режим периодического высыхания ТВЭЛа с пульсирующими выбросами жидкости.
Кипение в ТВС может начаться при более высоких расходах, чем в одиночном канале, за счет неравномерностей расхода по сечению ТВС.
Плавление оболочки ТВЭЛа и топлива
В ходе аварии оболочка ТВЭЛов может расплавиться. Количество расплавленной оболочки определяется тепловым балансом между количеством теплоты, которое выделяется топливом, и количеством теплоты, отводимым через оболочку в теплоноситель. Движение расплавленной оболочки определяется взаимодействием двух сил: силой тяжести расплава и силой трения восходящего потока пара натрия. Это - проблема захлебывания и уноса падающей пленки восходящим потоком. Такое явление может привести к отвердеванию материала оболочки и образованию блокировки в верхней части ТВС, после чего возникает осушение ТВЭЛа, расплавление нижней части оболочки и блокировка внизу.
Топливо, находящееся только под действием силы тяжести в процессе плавления, сползает вниз. Другие силы, действующие на расплав топлива, - градиенты давления, трение потока натрия, давление продуктов деления, паров стали и топлива. Нерасплавившиеся части ТВЭЛа могут провалиться вниз.
Взаимодействие расплава топлива с теплоносителем
Паровой взрыв
Явления, составляющие собственно тяжелую аварию РУ с расплавлением активной зоны водоохлаждаемого реактора, следующие: прекращение (или сокращение) охлаждения; перегрев топлива; окисление оболочек ТВЭЛов, химическая реакция циркония с паром, выделение водорода; расплавление оболочек и топлива, образование кориума; взаимодействие кориума с теплоносителем; фрагментация расплава, образование ударных волн, паровой взрыв; охлаждение фрагментов разрушенной активной зоны.
Паровым взрывом называют резкое (быстрое) за время 1 мс образование больших количеств пара, сопровождающееся местным повышением давления, вследствие перехода тепловой энергии (затрачиваемой на испарение жидкости и расширение пара) в механическую.
Для возникновения и развития крупномасштабного парового взрыва необходимо:
- образование такой смеси расплава и теплоносителя ячеистой структуры, которая была бы достаточно компактной, чтобы волна давления могла распространиться внутри нее;
- смесь должна иметь достаточное количество теплоносителя для образования пара;
- наличие спускового механизма (импульс давления), который привел бы к срыву пленки пара на каплях расплава, резкой интенсификации теплообмена.
В условиях тяжелой аварии паровой взрыв может происходить при контакте расплавленных материалов активной зоны - кориума с теплоносителем. Наибольший интерес представляет потенциал разрушения, который зависит от скорости образования пара. Последняя определяется теплообменом расплава с водой. Количество теплоты, передаваемое от расплава к воде и пару за период т0 :
где n - коэффициент конверсии - доля тепловой энергии, перешедшая в механическую энергию.
Максимальная интенсивность взаимодействия реализуется при соотношении объемов расплава и воды 1,5...2,0. При других соотношениях интенсивность меньше: либо мало расплава, следовательно, недостаточно запасенной теплоты, либо недостаточно воды для реализации парового взрыва.
Величина поверхности теплообмена сильно зависит от степени дробления (фрагментации) расплава. Именно фрагментация расплава приводит к увеличению площади контакта в 106... 108 раз и интенсивной генерации пара за 10-4...10-3 с.
Механизмы фрагментации расплава связаны с локальными тепловыми и гидродинамическими явлениями на границе расплава и теплоносителя. Периодический рост и схлопывание паровых пузырей, разница в скоростях капли и расплава приводят к силам, вызывающим дробление капель. Образующиеся ударные волны при взаимодействии с каплями расплава также приводят к дроблению капель.
В явлении парового взрыва выделяются четыре стадии-фазы:
1) смешение теплоносителя и крупных капель расплава. Образование паровой пленки на поверхности расплава («фаза задержки»);
2) фаза интенсивного взаимодействия -прорыв пленки пара, фрагментация капель, возникновение ударной волны;
3) фаза распространения парового взрыва - распространение фронта ударной волны, размельчение капель расплава за счет ударной волны, интенсификация перемешивания, увеличение энергии волны (2, 3 - собственно фаза парового взрыва);
4) фаза затухания импульсов давления, кипения на застывших фрагментах.
Охлаждение расплавленного кориума и корпуса реактора. Если при аварии возникает «озеро» расплавленного однородного кориума, то внутри него возникают токи естественной конвекции, интенсивность которых зависит от чисел Gr,Pr или их произведения
Следует полагать, что озеро расплава не будет однородным. Более вероятно расслоение составляющих компонентов расплава по плотности. Поэтому результаты расчетов отвода тепла будут зависеть от предположений о толщинах и теплофизических свойствах различных слоев и обладают значительной степенью неопределенности.
Для обеспечения сохранения целостности корпуса реактора при аварии с расплавлением активной зоны необходимо интенсивное охлаждение корпуса. Это может быть достигнуто охлаждением корпуса водой снаружи. Целостность корпуса обеспечивается, во-первых, достаточной прочностью материала корпуса и, во-вторых, приемлемыми термическими напряжениями. Для оценки надежности необходимо рассчитать среднюю температуру стенки корпуса и перепад температур в различных местах.
Конденсационные гидроудары
Природа таких гидроударов связана с быстрой конденсацией пара в контуре, содержащем двухфазную среду. Это может происходить при: впрыске недогретой до температуры насыщения воды в объем, заполненный паром; впрыске пара в недогретую жидкость; встречном потоке пара и жидкости; разгоняемой паром водяной пробке (снаряде); вскипании в перегретой трубе и других подобных процессах.
При движении в трубе, первоначально недогретой до температуры насыщения жидкости, последняя нагревается за счет конденсации пара на поверхности жидкости и теплообмена с нагретой стенкой трубы. Разная интенсивность конденсации приводит к перепаду давления (p1-p2) и возникновению потока пара навстречу поступающей жидкости. При этом возникает волна жидкости, перекрывающая сечение трубы. Эта волна делит паровое пространство трубы на две области с различной интенсивностью конденсации пара. В результате жидкость, содержащаяся в волне, разгоняется за счет возникающего перепада давления с последующим гидроударом при ее торможении.
Скачок давления при торможении жидкостного снаряда равен:
Образование жидкого снаряда может происходить при возникновении в трубе расслоенного течения жидкости и паровой фазы, когда на поверхности раздела фаз возникают волны и жидкие пробки. «Снаряды» образуются также при взаимодействии потока жидкости с препятствиями на его пути (повороты). Главным параметром, определяющим величину гидроудара, являются условия, обеспечивающие интенсивность конденсации. Последняя определяется комплексом процессов теплообмена.
Другим параметром является температура поступающей в трубу жидкости. C уменьшением недогрева жидкости величина интенсивности гидроударов уменьшается, что связано с уменьшением скорости конденсации на поверхности жидкости.