Анализ проектных аварийных ситуаций в ядерных реакторах сосредоточен на изучении нарушений баланса между тепловыделением в активной зоне и отводом тепла. Такой разбаланс может быть спровоцирован целым рядом событий: утечкой теплоносителя из циркуляционного контура, условиями, ведущими к быстрому вводу положительной реактивности, отказом ключевого оборудования или арматуры, ошибками оперативного персонала, а также внешними воздействиями, такими как пожар, наводнение или землетрясение.
Важно отметить, что независимо от первоначальной причины аварии, благодаря действию систем безопасности (см. раздел 3) и с учетом принципа единичного отказа или одной независимой ошибки персонала, реакторная установка должна быть переведена в безопасное состояние. Это состояние характеризуется гарантированной подкритичностью реактора, эффективным охлаждением активной зоны и соблюдением предельных нормативов по облучению персонала и выбросам радиоактивных веществ в окружающую среду.
Наиболее экстремальные условия с точки зрения нарушения теплового баланса возникают при крупных потерях теплоносителя, за исключением сценариев разгона на мгновенных нейтронах.
Теплогидравлические процессы в системах локализации аварий
Целью теплогидравлического анализа в защитной оболочке (для корпусных реакторов) или в помещениях системы локализации (для канальных реакторов типа РБМК) является оценка максимального давления, которое может возникнуть после разрыва контура циркуляции. Этот анализ необходим для подтверждения целостности последнего физического барьера на пути распространения радиоактивности. Обычно моделируется истечение теплоносителя в замкнутый объем, сопровождающееся сложными процессами конденсации пара на поверхностях бассейнов-охладителей, теплообменников и спринклерных систем. Если анализ преследует цель оценить не только механическую прочность, но и радиологические последствия (включая тяжелые аварии), необходимо дополнительно учитывать перенос аэрозолей и продуктов деления, включая их дисперсный состав, осаждение, агломерацию, распад, смыв и повторное осаждение.
При разрыве первого контура водо-водяного реактора в воздушный объем герметичной защитной оболочки (ЗО) поступает вода и перегретый пар, что приводит к быстрому росту давления и температуры парогазовой смеси, а также нагреву внутреннего оборудования и самой оболочки. Эти процессы носят нестационарный и многокомпонентный характер: струйные течения, естественная конвекция, турбулентные потоки смеси с каплями, перенос тепла излучением, объемная и поверхностная конденсация пара в присутствии неконденсирующихся газов. Интенсивность этих явлений сильно различается. Например, тепловой поток от излучения парогазовой струи при тяжелой аварии может составлять 1–5 кВт/м², в то время как потоки при конденсации пара достигают 1–100 кВт/м².
Внутри ЗО формируется сложная газовая смесь, состоящая из воздуха, водяного пара и водорода. Источниками водорода могут служить радиолиз воды или химическая реакция циркония с паром (пароциркониевая реакция). Кроме того, присутствие борных добавок в теплоносителе влияет на спектр ядер конденсации.
Интенсивность конденсации чистого пара лимитируется скоростью подвода пара к холодной поверхности и отвода тепла от нее. В случае парогазовой смеси ключевую роль играет диффузия пара через пристенный слой неконденсирующихся газов, которые накапливаются у поверхности теплообмена, создавая дополнительное сопротивление.
Развитие аварии с разрывом контура можно условно разделить на два этапа. На первом, наиболее динамичном этапе, основной вклад в рост давления и температуры вносит объемный расход пара и его объемная конденсация. На втором этапе доминирующими становятся процессы стока тепла и конденсации пара на внутренних поверхностях ЗО и оборудования.
Особенности теплообмена в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем при авариях
Кипение натрия
Высокие плотности энерговыделения в активных зонах реакторов на быстрых нейтронах (600 кВт/л и более) создают предпосылки для быстрого роста температуры топлива и теплоносителя при нарушении баланса мощности. В реакторах, охлаждаемых натрием, это может привести к началу кипения. Учитывая, что плотность пара натрия примерно в 2000 раз меньше плотности жидкости, даже незначительное испарение приводит к образованию большого объема пара, способного нарушить или полностью остановить циркуляцию жидкого металла.
Кипение, как правило, начинается в верхней части активной зоны, где температура теплоносителя максимальна. Изначально мелкие пузырьки пара уносятся потоком и конденсируются. Однако с ростом температуры пузыри увеличиваются, и расширяющиеся пары могут вызвать «опрокидывание» потока, останавливая движение жидкости.
В связи с этим возникают две важные инженерные задачи: расчет скорости генерации паровой фазы в активной зоне и определение момента наступления кризиса теплообмена (сухого кипения). Объемное кипение может наступить примерно через 10 минут после остановки главного циркуляционного насоса, когда расход теплоносителя упадет до ~10% от номинального. При дальнейшем снижении расхода канал постепенно заполняется паром, после чего может начаться опасный режим периодического осушения поверхности тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), сопровождающийся пульсирующими выбросами жидкости.
Стоит отметить, что в тепловыделяющей сборке (ТВС) кипение может начаться при более высоких расходах, чем в одиночном канале, из-за inherent неравномерности распределения расхода по сечению сборки.
Плавление оболочек ТВЭЛов и топлива
В ходе развития аварии возможно расплавление оболочек ТВЭЛов. Количество расплава определяется балансом между тепловыделением в топливе и теплоотводом через оболочку к теплоносителю. Движение расплавленного материала оболочки определяется противодействием двух сил: силы тяжести, стремящейся стечь расплаву вниз, и силы трения со стороны восходящего потока пара натрия. Это явление, известное как проблема захлебывания падающей пленки, может привести к затвердеванию материала в верхней части ТВС, образованию местной блокировки, последующему осушению и расплавлению нижних участков ТВЭЛов, создавая новую блокировку внизу.
Расплавленное топливо, находящееся под действием силы тяжести, также стремится сползти вниз. На него дополнительно действуют градиенты давления, трение потока натрия, давление газообразных продуктов деления и паров конструкционных материалов. Нерасплавившиеся фрагменты ТВЭЛов могут обрушиваться в нижнюю часть активной зоны.
Взаимодействие расплавленного топлива с теплоносителем
Паровой взрыв
Тяжелая авария с расплавлением активной зоны водоохлаждаемого реактора включает в себя каскад последовательных явлений: прекращение или резкое сокращение охлаждения, перегрев топлива, окисление циркониевых оболочек с выделением водорода, расплавление оболочек и топлива с образованием многокомпонентного расплава (кориума), его взаимодействие с остаточным теплоносителем, возможную фрагментацию, генерацию ударных волн (паровой взрыв) и, наконец, охлаждение фрагментов разрушенной активной зоны.
Паровой взрыв — это процесс чрезвычайно быстрого (порядка 1 мс) парообразования, приводящий к локальному скачку давления, при котором тепловая энергия, затрачиваемая на испарение жидкости и расширение пара, преобразуется в механическую работу.
Для возникновения и развития крупномасштабного парового взрыва необходимо одновременное выполнение нескольких условий:
- Образование компактной смеси расплава и теплоносителя ячеистой структуры, способной передавать ударную волну.
- Наличие в смеси достаточного количества теплоносителя для интенсивного парообразования.
- Наличие инициирующего импульса давления (спускового механизма), который разрушит стабилизирующую паровую пленку на каплях расплава и резко интенсифицирует теплообмен.
В условиях тяжелой аварии паровой взрыв может произойти при контакте кориума с водой или остаточным теплоносителем. Наибольший практический интерес представляет разрушительный потенциал такого взрыва, который зависит от скорости генерации пара. Эта скорость, в свою очередь, определяется интенсивностью теплообмена между расплавом и водой. Количество теплоты, переданное от расплава к воде за характерное время t0, описывается соотношением:
где η — коэффициент конверсии, показывающий долю тепловой энергии, преобразованной в механическую.
Максимальная интенсивность взаимодействия наблюдается при соотношении объемов расплава и воды около 1,5–2,0. При других соотношениях интенсивность снижается: либо из-за недостатка тепловой энергии в малом количестве расплава, либо из-за дефицита воды для реализации взрыва.
Площадь поверхности теплообмена критически зависит от степени дробления (фрагментации) расплава. Именно фрагментация, увеличивающая площадь контакта в миллионы и миллиарды раз, позволяет генерировать огромное количество пара за доли миллисекунды.
Механизмы фрагментации связаны с локальными тепловыми и гидродинамическими явлениями на границе раздела фаз. Периодическое образование и схлопывание паровых пузырей, разность скоростей капли и окружающей жидкости, а также воздействие ударных волн — все это создает силы, приводящие к дроблению капель расплава.
В развитии парового взрыва выделяют четыре последовательные фазы:
1. Фаза смешения и задержки: формирование смеси крупных капель расплава с теплоносителем и образование стабилизирующей паровой пленки вокруг капель.
2. Фаза инициирования: прорыв паровой пленки, начало интенсивной фрагментации капель и возникновение ударной волны.
3. Фаза распространения: распространение фронта ударной волны, дальнейшее измельчение капель под ее воздействием, интенсификация перемешивания и рост энергии волны (фазы 2 и 3 составляют суть самого взрыва).
4. Фаза затухания: рассеивание импульсов давления и кипение на поверхности застывших фрагментов.
Охлаждение расплавленного кориума и корпуса реактора. Если в результате аварии образуется «озеро» однородного расплава, внутри него возникают интенсивные конвективные потоки, сила которых определяется критериями Грасгофа (Gr) и Прандтля (Pr) или их произведением.
Однако более вероятен сценарий расслоения расплава по плотности на отдельные фазы (например, оксидную и металлическую). Поэтому результаты расчетов теплоотвода сильно зависят от допущений о толщине и свойствах этих слоев и сопряжены со значительной неопределенностью.
Для сохранения целостности корпуса реактора при аварии с расплавлением активной зоны критически важно обеспечить его интенсивное внешнее охлаждение, например, заливкой водой шахты реактора. Целостность определяется двумя факторами: достаточной прочностью материала корпуса при повышенных температурах и допустимым уровнем термических напряжений. Для оценки надежности необходимо рассчитывать среднюю температуру стенки корпуса и локальные перепады температур в наиболее нагруженных областях.
Конденсационные гидроудары
Природа таких гидроударов связана с быстрой, почти мгновенной конденсацией пара в контуре, содержащем двухфазную среду. Это может происходить в различных ситуациях: при впрыске недогретой воды в объем, заполненный паром; при впрыске пара в недогретую жидкость; при встречном движении пара и жидкости; при разгоне водяной пробки («снаряда») паром; при вскипании в перегретой трубе и других аналогичных процессах.
Рассмотрим типичный сценарий: движение по трубе, первоначально заполненной паром, струи недогретой жидкости. Жидкость нагревается за счет конденсации пара на своей поверхности и теплообмена со стенками трубы. Неравномерность конденсации по длине создает перепад давления, который заставляет пар двигаться навстречу потоку жидкости. В результате формируется волна жидкости, перекрывающая сечение трубы. Эта волна разделяет паровое пространство на две зоны с разной интенсивностью конденсации, что приводит к разгону жидкостного «снаряда» под действием возникшего перепада давлений и последующему гидроудару при его торможении.
Скачок давления Δp при торможении такого снаряда можно оценить по формуле:
Образование жидких снарядов возможно также в условиях расслоенного течения, когда на границе раздела фаз возникают крупные волны и пробки, или при взаимодействии потока с препятствиями (например, поворотами трубы). Ключевым параметром, определяющим силу гидроудара, являются условия, обеспечивающие высокую интенсивность конденсации, которая, в свою очередь, зависит от комплекса процессов тепло- и массообмена.
Другим важным параметром является температура поступающей жидкости. С уменьшением степени недогрева (т.е. с приближением температуры жидкости к температуре насыщения) интенсивность и амплитуда гидроударов снижаются, так как уменьшается движущая сила процесса — скорость конденсации пара на поверхности жидкости.