Обоснование системы пассивного отвода тепла из объема защитной оболочки АЭС с ВВЭР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Семашко, Сергей Евгеньевич

  • Семашко, Сергей Евгеньевич
  • кандидат науккандидат наук
  • 2013, Санкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ05.14.03
  • Количество страниц 198
Семашко, Сергей Евгеньевич. Обоснование системы пассивного отвода тепла из объема защитной оболочки АЭС с ВВЭР: дис. кандидат наук: 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации. Санкт-Петербург. 2013. 198 с.

Оглавление диссертации кандидат наук Семашко, Сергей Евгеньевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Основные процессы, определяющие эффективность работы теплообменников СЛОТ ЗО. Анализ результатов исследований и состояние проблемы

1.1 Описание объектов исследований

1.1.1 Требования к СЛОТ 30 АЭС с ВВЭР

1.1.2 Описание пассивных систем охлаждения защитных оболочек легководных реакторных установок АЭС

1.1.3 Принципы и структура построения СПОТ 30 ЛАЭС-2

1.2 Закономерности диффузионной конденсации паров из парогазовых смесей. Коэффициенты массо- и теплообмена

1.3 Анализ работ по теплоотдаче при свободной конвекции у вертикальных пластин и труб

1.4 Описание математических моделей, применяемых в расчетных кодах

1.4.1 Модель с сосредоточенными параметрами. Расчетный код КУПОЛ-М

1.4.2 Модель с распределенными параметрами. Расчетные коды ПГС-ТК и STAR-CD

1.5 Основные требования для выбора крупномасштабных стендов

1.6 Выводы по главе 1

2 Экспериментальные исследования СПОТ ЗО

2.1 Описание экспериментальных стендов

2.1.1 Описание экспериментального стенда KMC

2.1.2 Описание экспериментального стенда СМК

2.2 Методика экспериментальных исследований

2.2.1 Система экспериментальных измерений и методика исследований на KMC

2.2.2 Средства измерения и методика экспериментальных исследований на СМК

3 Результаты экспериментальных исследований на крупномасштабных стендах

3.1 Анализ экспериментальных исследований на СМК

3.2 Анализ экспериментальных исследований на KMC

4 Результаты расчетных исследований проведенных экспериментов и натурного объекта

4.1 Уточнение замыкающих соотношений по теплоотдаче при свободной конвекции у вертикальных пластин и труб в коде КУПОЛ-М на основе прямых численных

экспериментов

4.1.1 Свободноконвективный теплообмен на вертикальной плоской пластине: сравнение с экспериментом

4.1.2 Свободноконвективный теплообмен на цилиндре: сравнение с

корреляцией Бейли

4.2 Сравнение результатов расчетов с опытными данными, полученными на интегральных стендах

4.2.1 Сравнение результатов расчетов по коду КУПОЛ-М и CFD кодам с результатами экспериментов на стенде СМК

4.2.2 Сравнение результатов численного моделирования с опытными данными, полученными на стенде KMC

4.3 Обобщение результатов опытных данных, полученных на интегральных стендах

4.4 Численное моделирование работы натурной системы СПОТ 30

Заключение

Список основных сокращений

Список использованных источников

Приложение А. Дополнительная информация для верификации кодов

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», 05.14.03 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование системы пассивного отвода тепла из объема защитной оболочки АЭС с ВВЭР»

ВВЕДЕНИЕ

В новых проектах АЭС с ВВЭР существенное внимание уделяется управлению за-проектными авариями (ЗПА). Для защиты от превышения допустимого давления внутри защитной оболочки (30) здания реактора спроектирована система пассивного отвода тепла (СПОТ) из 30. Основным преимуществом таких систем является отсутствие зависимости их функционирования от наличия источников электроснабжения. СПОТ 30 предназначена для длительного отвода тепла из объема 30 к конечному поглотителю посредством теплообменников-конденсаторов, расположенных в подкупольном пространстве 30 при авариях, связанных с течами теплоносителя из элементов реакторной установки внутри 30.

Эффективность работы СПОТ 30 в значительной мере определяется интенсивностью теплообмена при конденсации пара из парогазовой среды на теплообменных поверхностях. В свою очередь, условия конденсации пара, в основном, определяются характером конвективных течений и распределением неконденсирующихся газов в гермо-объеме 30.

Для расчетного обоснования этой системы были использованы коды в сосредоточенных параметрах, такие как КУПОЛ-М, и трехмерные гидродинамические коды, такие как ПГС-ТК (парогазовая смесь - тепломассообмен и конденсация), STAR-CD. В настоящее время эти коды проходят этап тестирования и верификации применяемых методик и замыкающих соотношений при моделировании процессов тепломассоперено-са в контейнментах АЭС с ВВЭР с учетом функционирования СПОТ 30.

Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью расчетного и экспериментального обоснования работоспособности и эффективности СПОТ 30 проекта АЭС-2006.

Общей целью работы являлось обоснование работоспособности и тепловой эффективности СПОТ 30 проекта АЭС-2006 во всех предполагаемых режимах работы этой системы. Исходя из общей цели, в работе решались следующие задачи:

- проведение комплексного анализа литературных источников, посвященных теплоотдаче и массообмену при свободной и смешанной конвекции у вертикальных обогреваемых пластин и труб;

- экспериментальное исследование теплоотдачи к трубам модельных теплообменников при свободноконвективном течении воздуха в модели подкупольного пространства на стенде СМК (ФГУП "ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова", масштаб 1:4);

- экспериментальное исследование тепломассообмена при конденсации водяного пара на поверхностях модельных теплообменников СПОТ 30 и процессов тепломассо-переноса внутри модели защитной оболочки на крупномасштабном стенде (KMC), (ФГУП «НИТИ им. А.П.Александрова»);

- выработка рекомендаций по выбору зависимостей для расчета поверхностной конденсации пара на вертикальных поверхностях в условиях свободной конвекции;

- валидация компьютерного кода КУПОЛ-М и CFD кодов на полученных экспериментальных данных;

- выполнение расчетного обоснования работоспособности натурного СПОТ 30.

Научная новизна работы обусловлена следующим:

- разработаны рекомендации по расчету коэффициентов теплоотдачи и массоотда-чи при свободной и смешанной конвекции на вертикальных трубах и пластинах, которые позволили уточнить замыкающие соотношения кода в сосредоточенных параметрах КУПОЛ-М;

- экспериментально исследованы тепломассообмен при свободноконвективном течении сред в подоболочечных пространствах моделей геометрически подобных теплообменников-конденсаторов СПОТ 30 (стенды KMC и СМК);

- проведена валидация специализированного контейнментного кода ПГС-ТК и кода STAR-CD на экспериментальных данных, полученных на стендах KMC, СМК и «СПОТ-ЗО», а также на задачах, в которых реализуются основные процессы, характерные для рассматриваемого случая;

- проведены трехмерные расчеты течения среды в гермообъеме защитной оболочки и конденсации пара из тернарной смеси (пар, воздух, водород) на поверхности теплообменников натурного СПОТ 30.

Достоверность научных положений основывается на следующем:

- эксперименты выполнены на трех крупномасштабных моделях теплообменников-конденсаторов СПОТ 30. Эксперименты выполнены в диапазоне режимных параметров сред внутри 30, охватывающем диапазон этих параметров на всех стадиях протекания аварийных условий;

- предлагаемые выводы и соотношения базируются на результатах экспериментов, проведенных как автором, так и другими исследователями;

- в исследованиях использованы современные средства измерения; выполнен анализ погрешности; предложенные физические модели и соотношения согласуются с современными представлениями о процессах теплообмена;

- выполнена кросс-верификация различных кодов и проведен анализ их чувствительности.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в том, что проведенные исследования позволили обосновать работоспособность СПОТ 30 проекта АЭС-2006, проверить новые инженерные решения, используемые в пассивных системах, получить новые данные для валидации расчетных кодов.

Результаты настоящей работы могут быть использованы при создании других новых конструкций, например, для расчета температурного режима бассейна выдержки отработанного топлива с системой пассивного отвода тепла АЭС БН-1200.

Созданные крупномасштабные стенды будут включены в матрицы валидации и являются базовыми экспериментальными стендами для исследования процессов тепломассообмена в СПОТ 30. Полученные экспериментальные данные позволят организа-

ции-заявителю расширить область применения расчетных кодов при аттестации в Ро-стехнадзоре России.

Основные этапы экспериментальных работ выполнялись по взаимосогласованным техническим заданиям совместно с ведущими организациями в отечественной атомной энергетике: ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова», ОАО «ОКБМ Африкантов» и др.

Личный вклад автора. Автор участвовал в разработке крупномасштабных стендов СМК, «СПОТ-ЗО» и модернизации стенда KMC, разработке методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных.

Участие в проведении валидации кодов ПГС-ТК, STAR-CD на тестовых опытных данных по свободной конвекции на вертикальных пластинах и трубах (включая влияние поперечного потока массы при конденсации пара из парогазовой смеси) и на опытных данных, полученных на стендах СМК, KMC и «СПОТ-ЗО».

Автором проведено сопоставление опытных данных и обобщающих зависимостей по теплоотдаче при турбулентной свободной конвекции на вертикальных обогреваемых пластинах и трубах и разработаны рекомендации по уточнению замыкающих соотношений кода в сосредоточенных параметрах КУПОЛ-М.

Расчетное исследование работоспособности натурного объекта (СПОТ 30). Выбор режимных параметров характерных для функционирования СПОТ 30.

Разработка рекомендаций по размещению теплообменников-конденсаторов во внутреннем объеме 30, выбору их конструктивных параметров и определение тепловой мощности СПОТ.

Внедрение. Результаты работ внедрены в качестве проектных материалов и материалов обоснования безопасности проектов АЭС-2006 и MIR-1200, а также в рабочую документацию сооружаемых АЭС: Ленинградская АЭС (блоки № 1, 2); Балтийская АЭС (блоки № 1,2); Белорусская АЭС (блоки № 1, 2); АЭС «Темелин» (блоки № 3, 4 - тендерное предложение).

Публикации. Результаты диссертации изложены в 28 печатных работах, включая 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента РФ на полезную модель [81-83], 2 авторских свидетельства на программы для ЭВМ.

1 ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННИКОВ СПОТ ЗО. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Описание объектов исследований

В концепции безопасности современных атомных станций используется принцип «защиты в глубину», который предполагает наличие глубокоэшелонированной защиты от распространения радиоактивности за пределы АЭС. Для удержания радиоактивного материала на АЭС с водоохлаждаемыми реакторами устанавливается четыре последовательных барьера: топливная матрица, оболочка твэлов, граница контура теплоносителя, защитная оболочка (контейнмент). Некоторые реакторные установки (РУ) не имеют 30, но используют систему герметичных помещений неполного давления (конфайнмент). Являясь последним барьером на пути распространения радиоактивных продуктов деления в окружающую среду, контейнмент/конфайнмент удерживает радиоактивные выбросы, а также выполняет функции радиационной защиты персонала от облучения.

Целостность защитной оболочки реакторной установки должна быть сохранена путем удержания внутреннего давления среды в проектных пределах при всем спектре аварий, включая запроектные тяжелые аварии с повреждением активной зоны. Разработка надежных систем отвода тепла из внутреннего объема ЗО является одним из важнейших направлений в развитии современных проектов АЭС.

В настоящее время для АЭС с водоохлаждаемыми реакторами применяется два типа систем охлаждения внутреннего объема 30 — активная и пассивная. Большинство действующих АЭС с РУ под давлением используют активную систему охлаждения (спринклерная система, принудительная вентиляционная воздушная система охлаждения). Однако успешное функционирование активных систем зависит от наличия внешнего электроснабжения, что является их недостатком. Поэтому в современных проектах прилагаются значительные усилия для разработки систем пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки, которые являются более простыми и надежными по сравнению с активными системами.

Эффективная работа теплообменника системы СПОТ 30 определяется процессами тепломассообмена, сопряженными с поверхностной конденсацией. Эти процессы происходят в режиме смешанной конвекции, как правило, с преобладанием свободноконвективного теплообмена внутри защитной оболочки. Основным параметром, определяющим эффективность работы теплообменника, является суммарная тепловая мощность, отводимая во внешний теплоноситель. Если процессы теплообмена внутри трубок теплообменника достаточно просты и прогнозируемы, то анализ теплообмена с атмосферой контейнмента представляет собой непростую задачу, требующую учета следующих факторов:

- турбулентный характер теплообмена, а также возможный ламинарно-турбулентный переход;

- процесс конденсации пара на поверхности теплообменника в присутствии неконденсирующегося газа;

- термическое сопротивление пленки конденсата и ее стекание.

При всей сложности этих процессов, в конечном итоге результат расчета будет сводиться к определению только одного параметра — среднего удельного теплового потока на поверхности теплообменника. Этот тепловой поток состоит из двух основных компонентов (1.1): потока, обусловленного конвективным теплообменом и потока, обусловленного конденсацией пара:

От. = Оконв + 0-КОНД ^

Конденсационный поток равен произведению теплоты фазового перехода на поток пара на стенку (1.2):

Оконд = >' Л ? (1.2)

а конвективный поток равен диффузионному тепловому потоку (1.3):

к;конв Щ1ФФ ~ л ~

Vдп), (1.3)

где Я- коэффициент теплопроводности газовой смеси на поверхности теплообмена, дТ/дп - производная температуры по нормали к этой поверхности.

Оценки показывают, что в условиях, характерных для типичных аварий, конденсационный поток заметно превышает конвективный.

Термодинамические параметры атмосферы при авариях с течами теплоносителя внутри 30 АЭС с ВВЭР рассчитываются с помощью кода КУПОЛ-М [75] и с помощью поддерживающих трехмерных кодов. В процессе создания интегральных расчетных кодов важным моментом является выбор замыкающих соотношений для расчета коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи от парогазовой смеси к поверхности пленки конденсата на поверхности водоохлаждаемых теплообменников, расположенных в подкупольном пространстве. В данной главе приведен обзор работ, посвященных исследованию теплообмена при свободной конвекции.

В интегральных кодах КУПОЛ-М, АНГАР [76] для расчета процесса конденсации пара из смеси с неконденсирующимися газами используется тройная аналогия, которая при значительных величинах поперечного потока нарушается с учетом стефановского потока и имеет вид: ар(1 — У1и,) = а/рср. Центральным вопросом этих методик является определение конвективного коэффициента теплоотдачи. При свободноконвективном течении среды у вертикальных обогреваемых и охлаждаемых поверхностей для обобщения опытных данных по теплоотдаче в области развитой турбулентности используется формула следующей структуры:

Ш1 = с-Ка\/Ъ. (1.4)

Коэффициент "с" по данным из различных источников изменяется в диапазоне от 0,17 до 0,1.

Следует заметить, что Черчилем и Чу [54] для расчета теплоотдачи при смешанном свободноконвективном режиме была получена следующая

аппроксимационная формула:

Num =

f -,л2

9/16 -16/9N

0,825 + 0,387 RaH

1/6^1

(1.5)

которая для воздуха (Рг = 0,7) может быть представлена в виде

Num = {0,825 + 0,324(RaH)1/6}2, (1.6)

и при 0,324(RaH)1/6 » 0,825 эта формула преобразуется в Num = 0,105 х Ra*/3.

Показано, что наряду с тройной аналогией, используемой в кодах, необходимо вводить поправку на искажение профилей скорости, температур и концентраций. Наиболее удобно для этого использовать теоретические решения Кутателадзе С.С. и Леонтьева А.И., Сполдинга Д.Б., Арефьева K.M., а именно:

ЦЧ1 -ад =/(5), (1.7)

Y _V f

где В = ——— — концентрационный параметр проницаемости, введенный Сполдингом

w

Д.Б., верхний индекс «-», указывает на среднее значение по высоте трубы или пластины; NuD0, NuD - диффузионные значения чисел Нуссельта без учета поперечного потока и с его учетом, соответственно; = Pi/P - относительное парциальное давление пара в потоке; Ylw = Pi/P — относительное парциальное давление пара у стенки; Р — общее давление.

В процессе анализа литературных источников было установлено, что количество работ по исследованию конденсации пара из смеси с неконденсирующимися газами на внешней поверхности вертикальных труб (при свободноконвективном течении парогазовой смеси), проведенных на крупномасштабных стендах, по сравнению с конденсацией паров внутри труб относительно мало. Результаты этих исследований, как правило, обработаны в виде эмпирических зависимостей для среднего значения коэффициента теплоотдачи от объёмной или массовой доли неконденсирующегося газа в парогазовой смеси. Упрощения такого подхода не позволяют распространять их за пределы исследованной геометрии и диапазона режимных параметров и применительно к СПОТ 30 не позволяют ответить на все вопросы.

1.1.1 Требования к СПОТЗО АЭС с ВВЭР

Система пассивного отвода тепла из объема защитной оболочки относится к техническим средствам преодоления ЗПА и должна выполнять следующие функции [1]:

- снижение и поддержание в заданных проектом пределах давления внутри защитной оболочки при запроектных авариях, включая аварии с тяжелым повреждением активной зоны;

- длительный отвод к конечному поглотителю тепла, выделяющегося под защитную оболочку, при запроектных авариях, включая аварии с тяжелым повреждением активной зоны;

- обеспечение резерва активной спринклерной системе в случае ее отказа.

Производительность системы должна быть выбрана с учетом принципа резервирования, исходя из условий наиболее вероятных сценариев запроектных аварий, рассматриваемых в проекте АЭС. Система должна состоять из 4 полностью независимых один от другого каналов производительностью 4x33,3%, т.е. трех работоспособных контуров циркуляции СПОТ 30 достаточно для осуществления системой своих функций в полном объеме в любом требующем ее работы режиме [2].

Функционирование системы основывается на пассивных принципах. Выбранная конструкция системы обеспечивает ее полностью автономную работу без управляющих действий автоматики и участия оператора, а также подвода электроэнергии в течение, как минимум, 24 часов.

Теплообменники-конденсаторы и трубопроводы системы пассивного отвода тепла внутри защитной оболочки рассматриваются как граница защитной оболочки.

Исходя из условия обеспечения сохранности барьера безопасности, препятствующего выходу радиоактивных веществ за границу ЗЛА, в случае разуплотнения оборудования системы, расположенного в контейнменте, на трубопроводах связи теплообменников-конденсаторов и баков аварийного отвода тепла должна быть установлена локализующая арматура.

Элементы системы, расположенные внутри защитной оболочки, должны быть защищены от возможной переопрессовки контура циркуляции в случае аварийного закрытия локализующей арматуры.

Запуск системы в работу должен осуществляется пассивным способом, без подвода извне электроэнергии и управляющих воздействий.

В помещениях системы, расположенных за пределами защитной оболочки, должны поддерживаться требуемые для нормального функционирования оборудования параметры окружающей среды, а также исключение возможности замерзания циркуляционного тракта.

Компоновка системы и взаимное расположение элементов должны быть выполнены с учетом следующих основных принципов:

- взаимное расположение оборудования системы должно позволять осуществлять передачу тепла от защитной оболочки к бакам аварийного отвода тепла посредством естественной циркуляции теплоносителя;

- теплообменники-конденсаторы должны располагаться над подкрановыми путями в верхней части защитной оболочки, по ее периметру;

- сокращение до минимума технологических коммуникаций;

- обеспечение работоспособности системы при максимально расчетном землетрясении, падении самолета, воздействии ударной волны экстремальных условий окружающей среды;

- при размещении оборудования системы вне защитной оболочки должен соблюдаться принцип физического разделения каналов системы (оборудования, трубопроводов, элементов управления, систем управления, обеспечивающих систем, кабелей и т.д.);

и

- для оборудования, размещенного за пределами защитной оболочки, должен быть обеспечен доступ и условия для проведения технического обслуживания и ремонта при работе реактора на мощности.

1.1.2 Описание пассивных систем охлаждения защитных оболочек

легководных реакторных установок АЭС

Для различных типов защитных оболочек в литературе приводятся различные концептуально-технические и проектные решения [3,4]. В первую очередь это зависит от материала 30 - сталь или бетон.

При использовании стали в виде основного материала первичной 30 (проекты ВВЭР-640 (ОАО «СПбАЭП»), АР-600, АР-1000 (Westinghouse Electric Company)), кроме функции обеспечения герметичности и прочности, стальная оболочка выполняет функцию охлаждения контейнмента благодаря большому коэффициенту теплопроводности и относительно малой толщине стенки.

Бетонные защитные оболочки, имея значительную толщину (около 1 метра), помимо своих функций по радиационной защите, являются пассивными поглотителями тепла.

При рассмотрении существующих систем охлаждения 30 различных реакторных установок можно выделить следующие основные виды:

- система наружного охлаждения 30;

- система подавления избыточного давления;

- система охлаждения с внутренними теплообменниками-конденсаторами

В проекте ВВЭР-640 применена система отвода тепла от металлической 30 [5]. Система предназначена для отвода во внешнюю среду тепла из герметичной оболочки при авариях с течами теплоносителя первого контура или с течами из второго контура внутри защитной оболочки.

Структура системы отвода тепла от стальной защитной оболочки (рисунок 1.1а) представляет собой четыре независимых друг от друга канала с резервированием 4 х 33%.

Каждый канал системы включает:

- две секции бака аварийного отвода тепла (БАОТ);

- охладители;

- соединительные трубопроводы;

- локализующую и ремонтную арматуру.

Общим элементом для каналов системы СПОТ является металлическая защитная оболочка, на которой размещаются охладители. Охладители размещаются в два ряда по вертикали на внешней поверхности металлической защитной оболочки в местах наиболее интенсивного теплообмена. Охладители подключаются к соответствующему баку аварийного отвода тепла, образуя независимые каналы системы отвода тепла из герметичного объема реакторного отделения.

ВОЗДУХ

а) проект ВВЭР-640 б) проект АР-600/1000

1 - стальная ЗО; 2 - реактор; 3 - БАОТ; 4 - 1 — стальная 30; 2 — реактор; 3 - бассейн теплообменники охладители; 5 - опускной охлаждающей воды; 4 -пассивная

трубопровод от БАОТ к т/о; 6 - спринклерная система; 5 - воздушное

подъемный трубопровод от т/о до БАОТ. охлаждение внешней поверхности 30; 6 -

движение пара, 7 - движение конденсата.

Рисунок 1.1 - Система пассивного отвода тепла с наружным охлаждением ЗО.

Все это обеспечивает преимущество этой системы перед системами отвода тепла из внутреннего объема бетонных защитных оболочек. Поверхностное охлаждение упрощает конструкцию 30. так как не требует дополнительного количества гермопроходок ЗО.

На рисунке 1.16 изображена принципиальная схема наружного орошения ЗО от напорного бака для проекта АР600/1000 [3,4]. Для уменьшения давления в контейнменте и отвода тепла во время аварий с течами теплоносителя (LOCA) используется пассивная спринклерная система, распыляющая воду на наружную поверхность стальной 30, кроме того, используется охлаждение конвективным потоком воздуха, поступающего из специальных проемов во вторичной бетонной оболочке.

В этом проекте эффективность охлаждения обеспечивается несколькими механизмами отвода тепла от металлической поверхности ЗО - это испарение капельной влаги, отвод тепла конвективным воздушным потоком, тепловое излучение 30.

В этой системе предусмотрено разбрызгивание воды пассивным спринклером на наружную часть ЗО по разомкнутой схеме. Поэтому для длительного охлаждения потребуется пополнение запасов воды, что в условиях аварийной потери всех источников энергоснабжения создает дополнительные трудности. Кроме того, для срабатывания системы требуется сигнал, приводящий в действие систему открытия клапана подачи охлаждающей воды.

Принципиальная схема пассивной системы подавления избыточного давления представленна на рисунке 1.2а. Система используется в проектах с кипящими реакторами (BWR) уже многие годы [4].

Принцип ее действия заключается в том, что для снятия избыточного давления и понижения температуры используется специальный бассейн, расположенный внутри 30, в который направляется пар, где он конденсируется. В таких системах реактор располагают в небольшом гермообъеме со специальными каналами, через которые при авариях с течами теплоносителя из РУ пар из-за резкого увеличения давления в этом гермообъеме самопроизвольно сбрасывается в бассейн.

Преимущество таких систем заключается в эффективности охлаждения в начальной стадии аварии. Это обеспечивается конденсацией в объеме бассейна, простотой и надежностью системы. Кроме того, не требуется никаких сигналов для ее ввода в действие. Но, несмотря на эффективность охлаждения в начальной стадии, через определенное время наступает тепловое и массовое равновесие между паром и водой бассейна, их температуры становятся одинаковыми, и эффективность охлаждения резко падает.

Кроме того, в компоновке 30 необходимо заранее учесть выделение соответствующего гермообъема и систему подводящих каналов для движения пара, что не позволяет использовать систему как автономный модуль для внедрения в уже существующих проектах.

Система с открытым контуром для французского кипящего реактора SWR-1000 представлена на рисунке 1.26 [4]. Пар конденсируется на наружной поверхности так называемого внутреннего конденсатора, расположенного в объеме ЗО. Охлаждающая вода, нагреваясь, образует пар, который движется вверх, выходит в бассейне и конденсируется при непосредственном контакте с его водой.

шахта (гермообъем); 2-реактор; 3-нижний оболочка; 2- реактор; 3 - бассейн; 4 -объем 30; 4-бассейн снятия давления. внутренний конденсатор..

в) Система охлаждения с внешними конденсаторами: 1 - защитная оболочка; 2-реактор; 3 - бассейн внутри 30; 4 -наружный бассейн запаса воды; 5 -наружный конденсатор.

г) СПОТ 30 с замкнутым контуром: 1 — первичная 30; 2 - реактор; 3 - бассейн; 4 -внутренний конденсатор; 5 - внешний конденсатор

Рисунок 1.2 - Системы пассивного отвода тепла с внутренним охлаждением 30

СПОТ концепция с использованием внешних конденсаторов (рисунок 1.2в) заимствована от концепции изолированного конденсатора в обычных В\\П. Похожая система используется для Е8В\\П. [4]. Паровоздушная смесь поступает в пароприемник, где пар конденсируется в воду во внешних конденсаторах, передав тепло в бассейн. Недостатком систем с открытым контуром охлаждения является опасность попадания неконденсирующихся газов в контур, что неминуемо приведет к уменьшению проектной производительности системы за счет ухудшения теплоотдачи.

На рисунке 1.2г показан один из вариантов системы СПОТ 30 с замкнутым контуром охлаждения, разработанный в проекте ЕРЯ-1000. Дополнительно к водяному охлаждению через бассейн используется воздушное охлаждение внешних т/о при снижении уровня теплоносителя в бассейне. Необходимо отметить, что при воздушном охлаждении ухудшается герметичность вторичной 30 из-за создания воздушных проемов для циркуляции воздуха.

В таблице 1.1 представлен перечень проектов современных АЭС, в которых применяются пассивные системы безопасности с отводом тепла от ЗО.

Таблица 1.1- Перечень РУ с пассивными системами безопасности

Похожие диссертационные работы по специальности «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», 05.14.03 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Семашко, Сергей Евгеньевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Технический проект ЛАЭС-2. Тепломеханические решения.Том 1, книга 6, глава 5. ОАО «СПбАЭП». Арх. № LN2-T-9368.

2. ПООБ ЛАЭС-2. Системы безопасности. Глава 12, книга 1. ОАО «СПбАЭП». Арх. № LN2-T-326.

3. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Natural Circulation In Water Cooled Nuclear Power Plants. IAEA-TECDOC-1474. Vienna. 2005.

4. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Passive Safety System and Natural Circulation in Water Cooled Nuclear Power Plants. IAEA-TECDOC-1624. Vienna 2009.

5. Кухтевич И.В., Безлепкин B.B., Солодовников A.C., Молчанов A.B., Семашко C.E. Обоснование конструктивных и технологических решений, применяемых в пассивной системе отвода тепла от гермооболочки. В сб. Процессы тепломассообмена и гидродинамики в системах безопасности АЭС с ВВЭР-640. С.-Петербург. — 1997.

6. Онуфриенко C.B., Безлепкин В.В., Молчанов A.B., Светлов C.B., Солодовников A.C., Семашко С.Е. Особенности концепции безопасности проекта АЭС-2006 на площадке ЛАЭС-2 М.: Тяжелое машиностроение. 2008. № 2. С. 6-10.

7. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М.: Изд-во иностр. лит., 1962.

8. Гиршфельдер Дж., Кортисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961.

9. Гребер Г.,Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. М.: Изд-во иностр. лит., 1968.

10. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат, 1985.

11. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение воды. М.: Госэнергоиздат, 1957.

12. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- массообмена. М.-Л., Госэнергоиздат, 1961.

13. Сполдинг Д.Б. Конвективный массоперенос. М.: «Энергия», 1965.

14. Кейс В.М. Конвективный тепломассообмен. М.: «Энергия», 1972.

15. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: «Химия», 1974.

16. Кректунов О.П., Савус A.C. Процессы конденсации и конденсаторы масложирового производства.СП-б: 1998.

17. Арефьев K.M. Явления переноса в газе и плазме. Л.: Энергоатомиздат, ленингр. отд-ние, 1983.

18. Арефьев K.M. Исследование конденсации паров металлов из смесей с газами. Диссертация на соискание уч. ст. д. т. н., Л.: 1974.

19. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987.

20. Лыков A.B. Тепломассообмен (Справочник). М.: Энергия, 1971.

21. Берман Л.Д. Теплоэнергетика, 1954, №5.

22. Берман Л.Д. Теплоэнергетика, 1955, №8.

23. Берман Л.Д. Теплоэнергетика, 1962, №1.

24. Берман Л.Д. Теплоэнергетика, К определению коэффициента массотдачи при расчете конденсации пара, содержащего примесь воздуха. 1969, №10, с. 74-83.

25. Берман Л.Д. Теплоэнергетика, 1972, №11.

26. Берман Л.Д. Журнал технической физики, 1958, 28, №11, с. 2617 - 2629.

27. Берман Л.Д. Журнал технической физики, 1959, 29, вып. I.

28. Берман Л.Д.Теплофизика высоких температур, 1972, №3, 10.

29. Бобе Л.С., Малышев Д.Д. К расчету конденсации пара при поперечном омывании труб парогазовой смесью. Теплоэнергетика, 1971, №12, с. 84-86.

30. Маньковский О.Н., Толчинский А.Р., Александров М.В. Теплообменная аппаратура химических производств. Л.: Химия, 1976.

31. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. М.: Химия, 1982.

32. Чжен П. Отрывные течения, т.З. М.: Мир, 1973, 333 с.

33. Михеев М.А., Синельников А.С. Теплоотдача труб в свободном потоке воздуха. I. Трубы малого размера. НТУ ВСНХ №311. Тр. Гос. физ.-техн. лаб., 1929, вып. 8, стр. 33 -52.

34. Эйгенсон Л.С., Михеев С.П. Теплоотдача труб в свободном потоке воздуха. II. Трубы большого размера. НТУ ВСНХ №311. Тр. Гос. физ.-техн. лаб., 1929, вып. 8, стр. 53 - 69.

35. Кирпичев М.В., Гухман А.А. Теплоотдача труб в свободном потоке воздуха. III. Теоретические выводы. НТУ ВСНХ №311. Тр. Гос. физ.-техн. лаб., 1929, вып. 8, стр. 70 -74.

36. Жуковский B.C. Теплоотдача плоских стенок в свободном потоке воздуха. НТУ ВСНХ №311. Тр. Гос. физ.-техн. лаб., 1929, вып. 8, стр. 75 - 87.

37. Эйгенсон Л.С. Теплоотдача вертикальных труб в свободном потоке воздуха. ЖТФ, 1931, т. 1, вып. 2-3, с. 228-239.

38. Эйгенсон Л.С. Законы теплоотдачи от вертикальных цилиндров к двухатомным газам в условиях естественной конвекции. ДАН СССР, 1940, XXVI, №5, с.447 - 450.

39. Михеев М.А. Теплоотдача при свободном движении жидкости. Известия АН СССР, Отделение технических наук, 1947, №10, с.1357 - 1361.

40. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973, 320 с.

41. Tsuji, Т., Nagano, Y. Characteristics of a turbulent natural convection boundary layer along a vertical flat plate // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1988, Vol. 31, No. 8, pp. 1723-1734.

42. Hattori Y., Tsuji Т., Nagano Y., Tanaka N. Turbulence characteristics of natural-convection boundary layer in air along a vertical plate heated at high temperatures. International Journal of Heat and Fluid Flow 2006, 27, №3,445-455.

43. Bayleya F. J. An analysis of turbulent free-convection heat transfer, Proc. Instn Mech. Engrs 169 (20), 1955,361.

44. Warner C. Y., Atpaci V. S. An experimental investigation of turbulent natural convection in air at low pressure along a vertical heated flat plate. Int. J. Heat Mass Transfer.-1968, Vol. 11, pp. 397-406.

45. Saunders O. A. The Effect of Pressure upon Natural Convection in Air, Proceedings, Royal Society, Series A, Vol. 157, 1936, pp. 278—291.

46. Saunders O. A. Natural Convection in Liquids. Proceedings, Royal Society, Series A, 1939, Vol. 172, pp. 55-71.

47. М-А. Мак-Адамс В.Х. Теплопередача. М.: Металлургиздат.1961. 686 с.

48. Cheng Xu. Inhärent sicheres Nachwärmeabfuhrsystem (PASCO) fur Leichtwasserreaktoren der nächsten Generation Entwicklung experimentell gestützter analytischer Verfahren zur Auslegung der Containmentkühlung mit Luft durch Naturkonvektion. Institut für Angewandte Thermo- und Fluiddynamik Forschungszentrum Karlsruhe. Wissenschaftliche Berichte. FZKA 6056, 1997, 1 -31.

49. Клаузинг, Кемпка. Влияние изменения свойств на свободную конвекцию у вертикальных поверхностей, Теплопередача, № 4, 1981, с. 1-6.

50. Клаузинг. Корреляции для свободной конвекции около вертикальных поверхностей, учитывающие влияние переменности свойств. Теплопередача, 1983, т.105, №1, с.123 — 128.

51. Eckert Е. R. G., Jackson Т, W. Analysis of Turbulent Free-Convection Boundary Layer on Flat Plate, NACA Technical Report 2207, 1950,22 p.

52. Чумаков Ю.С. Экспериментальное исследование свободноконвективного течения около вертикальной поверхности. Научно технические ведомости. 2004, №2, 27 с.

53. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомиздат, 1986. 472 с.

54. Churchill S.W., Chu H.H.S. Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate. Int. J. Heat Mass Transfer. - 1975, Vol. 18, pp. 1323-1329.

55. Delarochelambert T. Transition to turbulence in strongly heated vertical natural convection boundary layers. Eurotherm Seminar 74 Proceedings March 23-26, 2003. Eindhoven (The Netherlands), pp. 183 - 188.

56. Aziz A., Na T.Y. Improved Perturbation Solution for Laminfr Natural Convection in a Vertical Cylinder. Wärme- und Stoffübertragung. 1982, 16, 83-87.

57. Popiel C.O., Wojtkowiak J., Bober K. Laminar free convective heat transfer from isothermal vertical slender cylinder. Experimental Thermal and Fluid Science 2007, 32, 607613.

58. Fujii, T, Takeuchi, M., Fujii, M., Suzaki, K., and Vehara, H. Experiments on Natural Convection Heat Transfer From the Outer Surface of a Vertical Cylinder to Liquids. Int. J. Heat Mass Transfer. - 1970, Vol. 13, pp. 753 - 787.

59. Al-Arabi M., Khamis M. Natural convection heat transfer from inclined cylinders, Int. J. Heat Mass Transfer- 1982, Vol. 25, pp. 3-15.

60. S.M. Yang. General correlating equations for free convection heat transfer from a vertical cylinder, in: Proceedings of the International Symposium on Heat Transfer, Hemisphere Publ. Corp., Peking, 1985, pp. 153-159.

61. Бахметьев A.M.,. Болыпухин M.A,. Вахрушев B.B, Хизбулин A.M., Макаров O.B., Безлепкин В.В., Семашко С.Е.,. Ивков И.М. Экспериментальное обоснование контура охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки проекта АЭС-2006 для площадки Ленинградской АЭС. Атомная энергия. 2009. Том 106. Вып. 3. С. 148— 152.

62. Бахметьев A.M., Болыпухин М.А., Бабин В.А., Хизбуллин A.M.,Макаров О.В., Светлов С.В., Семашко С.Е., Ивков И.М.,Алексеев С.Б. Задачи расчетно-экспериментального обоснования СПОТ 30 для АЭС нового поколения. — В Сб. 5-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР". Подольск. 2007. С.54.

63. Безлепкин В.В., Затевахин М.А., Семашко С.Е., Ивков И.М.,Матюшев Л.А.,Семидетнов Н.В., Юрае С.Ф. Применение многоточечной системы ЛДА при экспериментальном исследовании системы отвода тепла из контейнмента. - В сб. 11-й МНТК "Оптические методы исследования потоков Москва. 2011. С.32.

64. Lien, F.S., Chen, W.L., and Leschziner, M.A. Low-Reynolds-Number Eddy-Viscosity Modelling Based on Non-Linear Stress-Strain/Vorticity Relations. Proc. 3rd Symp. on Engineering Turbulence Modelling and Measurements, Crete, Greece. 1996.

65. Код КУПОЛ-М. Версия 1.10. Паспорт аттестации № 199 от 23.06.2005

66. Зайцев Д.К., Смирнов Е.М., Смирновский A.A., Безлепкин В.В., Затевахин М.А., Симакова О.И., Семашко С.Е., Шарапов P.A. Численное моделирование течения парогазовой смеси в защитной оболочке АЭС с ВВЭР при пассивном отводе тепла. Атомная энергия. 2013. Том 115. Вып. 4. С. 205-211.

67. Василенко В.А., Мигров Ю.А., Засуха В.К., Ефимов В.К., Безлепкин В.В., Семашко С.Е. Значение и место крупномасштабного стенда KMC в решении проблем безопасности АЭС с ВВЭР. Атомная энергия. 2013. Том 115. Вып. 4. С. 189-192.

68. Василенко В.А., Мигров Ю.А., Засуха В.К., Ефимов В.К., Безлепкин В.В., Семашко С.Е. Стенд KMC - крупномасштабная модель защитной оболочки АЭС с ВВЭР. Атомная энергия. 2013. Том 115. Вып. 4. С. 192-196.

69. БезлепкинВ.В., Затевахин М.А., Кректунов О.П., Крылов Ю.В.,Матюшев Л.А., Семашко С.Е. Экспериментальное исследование системы отвода тепла из защитной оболочки на СМК. Атомная энергия.. 2013. Том 115. Вып. 4. С. 197-200.

70. Пискунов В.Н. Теоретические модели кинетики формирования аэрозолей. Саров 2000. 209 е.]

71. IAPWS (1992) Revised Supplementary Release on Saturation Properties of Ordinary Water Substance. - The International Association for the Properties of Water and Steam, St.Petersburg, Russia. September 1992. -http://www.iapws.org.

72. Отчет НИР, per. № 12/14.2.1/0-268, ФТУП «НИТИ им. А.П. Александрова», г. Сосновый Бор, 2012 г.

73. БезлепкинВ.В., Затевахин М.А., Кректунов О.П., Крылов Ю.В., Масленникова О.В., Семашко С.Е., Шарапов P.A. Расчетно-экспериментальное обоснование системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки АЭС с ВВЭР-1200. Атомная энергия. . 2013. Том 115. Вып. 4. С. 183-189.

74. Безлепкин В.В., Затевахин М.А., Игнатьев A.A., Кректунов О.П., Крылов Ю.В., Семашко С.Е., Данин В.В. Исследование теплоотдачи при свободной конвекции применительно к замыкающим соотношениям для расчетных кодов. Атомная энергия. 2013. Том 115. Вып. 4. С. 201-205.

75. Отчет по НИР. Код «КУПОЛ-М». Версия 1.1. Методика расчета. Отчет ГНЦ РФ ФЭИ инв. №82.055/5-1.

76. Программное средство АНГАР. Отчет о верификации и обосновании программного средства. Инв.№9207, ОАО «Атомэнергопроект», Москва, 2009 г.

77. Отчет по НИР. Разработка трехмерного гидродинамического контейнментного кода. НИР.0-0-22-ОТ-034/1. ОАО "СПбАЭП". 2011 г. Арх. № НИР-Т-40/1.

78. Отчет по НИР. Интегрированный аэрозольно-гидродинамический контейнментный код. Верификация и кросс-верификация кода. НИР.0-0-22-ОТ-Ю4. ОАО "СПбАЭП". Арх. № НИР-Т-120 от 14.12.2012.

79. ССМ USER GUIDE. STAR-CD VERSION 4.18. CD-adapco. 2012. 468 p

80. METHODOLOGY. STAR-CD VERSION 4.18. CD-adapco. 2012. 420 p.

81. Пат. 85029 Российская Федерация. Система пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки / Безлепкин В.В., Семашко С.Е. [и др.]-№ 2009108307/22; заявл. 26.02.2009; опубл. 20.07.2009, Бюл. № 20.

82. Пат. 96283 Российская Федерация. Система пассивного отвода тепла через парогенератор/ Безлепкин В.В., Сидоров В.Г., Алексеев С.Б., Светлов С.В., Кухтевич

B.О., Семашко С.Е., Варданидзе Т.Г., Ивков И.М-№ 2010110445/22, заявл. 16.03.2010; опубл. 20.07.2010, Бюл.№20.

83. Пат. 100328 Российская Федерация. Система пассивного отвода тепла от теплообменника устройства локализации расплава./ Семашко С.Е., Варданидзе Т.Г., Сидоров В.Г., Астафьева В.О, Андреев В.В.- № 2010124317/07, заявл. 17.06.2010; опубл.10.12.2010, Бюл.№ 34.

84. Ефанов А.Д, Лукьянов А.А., Шаньгин Н.Н., Зайцев А.А., Безлепкин В.В., Семашко

C.Е. Верификация кода КУПОЛ-М по результатам экспериментов. Теплоэнергетика. 2004. №2. С. 12-16.

85. С.Е.Семашко, В.В.Безлепкин, М.А.Затевахин, Симакова О.И., И.М.Ивков. Расчетно-экспериментальное моделирование процессов в защитной оболочке при наличии пассивного конденсатора в системе пассивного отвода тепла. Атомная энергия. 2010. Том 108. Вып. 5. С. 308-312.

86. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979, 416 с.

87. АЭС-2006 Ленинградская АЭС-2. Стенд экспериментальный СПОТ 30. Описание. Арх. № LEN2-®- 20607, ОАО «СПбАЭП», 2008

88. АЭС-2006 Ленинградская АЭС-2. Стенд экспериментальный СПОТ 30. Экспериментальные исследования. Арх. № LEN2-®-20606, ОАО «СПбАЭП», 2008

89. АЭС-2006 Ленинградская АЭС-2. Стенд экспериментальный СПОТ ЗО. Экспериментальные исследования (заключительный). Арх. № LEN2-®-21134, ОАО «СПбАЭП», 2008

90. Отчет о НИР. Отработка технических решений по системе СПОТ ЗО. Проведение испытаний, обработка и анализ результатов испытаний. Арх. № ТЕШ-Ф-23128, ОАО «СПбАЭП», 2010

91. АЭС-2006 Ленинградская АЭС-2. Программа и методика испытаний (дополнительные испытания). Арх. № LEN2^-21152, ОАО «СПбАЭП», 2008

158

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.