Исследование процессов распространения и горения водорода в герметичных помещениях энергоблока ВВЭР-440 в случае тяжелой аварии | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №13 (93) июль-1 2015 г.

Дата публикации: 19.06.2015

Статья просмотрена: 114 раз

Библиографическое описание:

Оганесян О. А. Исследование процессов распространения и горения водорода в герметичных помещениях энергоблока ВВЭР-440 в случае тяжелой аварии // Молодой ученый. — 2015. — №13. — С. 158-162. — URL https://moluch.ru/archive/93/20528/ (дата обращения: 21.07.2018).

На примере Арм. АЭС исследованы процессы накопления водорода в случае тяжелой аварии. Определено влияние внедрения каталитических рекомбинаторов водорода (КРВ) и уставки автоматического отключения спринклерной системы на концентрацию водорода в герметичных помещениях АЭС. Показано, что установка КРВ и внедрение уставки приводит к значительному понижению риска детонации водорода.

Ключевые слова: безопасность атомных станций, водород, каталитический рекомбинатор водорода, спринклерная система.

 

Введение. В свете последних событий на АЭС “Фукусима” проблема накопления водорода в герметичных помещениях стала одним из ключевых аспектов исследований, связанных с моделированием и управлением тяжелых аварий на АЭС.

Крупные аварии, сопровождающиеся расплавлением активной зоны, ведут к выделению водорода, образующегося, в частности, по причине пароциркониевой реакции при окислении топливной оболочки. Анализ последовательности аварии на АЭС “Фукусима” показал, что выделение водорода в герметичных помещениях привело к возгоранию и взрыву и, как следствие, к потере последнего барьера на пути распространения радиоактивных веществ.

В настоящее время на ААЭС планируется значительно повысить уровень водородной безопасности герметичных помещений. С этой целью намечается установка КРВ, внедрение уставки автоматического отключения спринклерной системы и повышение плотности герметичных помещений.

В частности, КРВ, установленные внутри защитной оболочки АЭС, позволяют значительно уменьшить накопление водорода, которое может иметь место при возможной аварии с расплавлением активной зоны. Пластины каталитического преобразователя водорода, покрытые платиной и палладием, ускоряют реакцию взаимодействия водорода с кислородом воздуха с образованием воды. Выявлено, что рекомбинатор эффективно действует в атмосфере, содержащей, кроме кислорода, водорода и паров воды, продукты, выделяющиеся при аварии в защитную оболочку в виде газов и аэрозолей. Что касается внедрения уставки автоматического отключения спринклерной системы, в настоящий момент такая уставка на ААЭС отсутствует, из-за чего система непрерывно конденсирует пар. Непрерывная конденсация пара способствует понижению давления в герметичных помещениях ниже атмосферного и увеличению концентрации кислорода вследствие притока воздуха из атмосферы через неплотности указанных помещений. Кроме того, длительная и непрерывная работа спринклерной системы приводит к сильному разрежению в герметичных помещениях, что может вызвать разрушение конструкций.

Исходя из значимости указанных модернизаций, с точки зрения безопасности ААЭС, целью данной работы является исследование влияния возможного внедрения уставки автоматического отключения спринклерной системы и установки КРВ на процессы накопления и распространения водорода в герметичных помещениях 2-го блока ААЭС.

Для исследования была выбрана авария с разрывом дыхательной трубки компенсатора давления эквивалентным диаметром 200 мм, которая является запроектной для ААЭС. Выбор данного аварийного сценария обусловлен тем, что в настоящий момент ААЭС поставила целью увеличение предела максимальной проектной аварии до разрыва с эквивалентным диаметром 200 мм. Для достижения указанной цели были проведены анализы для следующих вариантов конфигураций герметичных помещений:

-                    вариант 1 с фактической конфигурацией герметичных помещений;

-                    вариант 2 с учетом установки КРВ;

-                    вариант 3 с учетом установки КРВ и внедрения уставки автоматического отключения спринклерной системы.

Методика расчетов. С целью проведения расчетов была разработана схема герметичных помещений ААЭС для кода COCOSYS [1, 2]. Помещения были смоделированы при помощи 23-х узлов, соединенных между собой 54 атмосферными и дренажными соединениями. Для моделирования облицовки стен помещений были использованы 53 тепловые структуры. Также была смоделирована работа спринклерной системы, взрывных клапанов герметичных помещений и каталитических рекомбинаторов водорода (рис.1).

Основываясь на консервативном подходе, выбраны начальные и граничные условия в герметичных помещениях ААЭС. Начальная температура атмосферы принята равной 70 °C в шахте реактора и 65 °С — во всех других герметичных помещениях. Начальная температура в окружающей среде принята равной 20 °С. Давление принято равным 100 кПа во всех герметичных помещениях и в окружающей среде. Начальная атмосфера определена как состоящая из азота и кислорода в соответствии с природным составом (79 и 21 % соответственно).

Для расчетов была выбрана тяжелая авария с разрывом дыхательной трубки компенсатора давления эквивалентным диаметром 200 мм и неработоспособной системой аварийных питательных насосов (АПН).


Рис. 1. Расчетная схема герметичных помещений 2-го блока ААЭС

 


Консервативно принято, что система АПН неработоспособна. Также принято, что два насоса спринклерной системы работоспособны, поскольку работа двух насосов приведет к увеличению конденсации пара, а также повышению вероятности возгорания водорода по причине высокой концентрации кислорода.

Выбросы энергии и массы для данной аварии были рассчитаны при помощи кода MELCOR [3]. Расчеты проводились до 65000 секунд. Расчеты взаимодействия расплавленной активной зоны и бетона шахты реактора проводились при помощи кода MEDICIS [4].

Моделирование процессов накопления водорода. Для расчета потоков газа через атмосферные соединения используется следующее уравнение, основанное на законе сохранения импульса:

где индекс s показывает исходную зону, а индекс t — целевую зону соединения j; G (м3/с) — расход газа с весом w (кг) через соединение длиной l м, площадью сечения A (м2) и гидравлическим сопротивлением K. Отношение  показывает разницу давлений в соединении.

Вес столба газа в соединении рассчитывается по уравнению

где  — средняя плотность газа в соединении, а отношение  показывает разницу высот между исходной и конечной зонами.

Кроме того, в расчетах учитывалась диффузия газов:

где D — коэффициент диффузии газа в воздухе.

Интерпретация результатов расчета. Течение тяжелой аварии с плавлением активной зоны можно разделить на две временные фазы — внутрикорпусную и внекорпусную. Внутрикорпусная фаза характеризуется оголением и нагревом активной зоны, а также плавлением конструкций с относительно низкой температурой плавления (оболочек ТВЭЛ, поглотителей) с последующим плавлением керамических топливных таблеток, формированием расплавленной массы, перемещением расплава в нижнюю часть реактора и повреждением корпуса реактора. Внекорпусная фаза характеризуется перемещением расплава в шахту реактора и началом взаимодействия расплавленной массы и бетона шахты реактора. В данной работе было в полной мере исследовано течение обеих фаз.

В первом варианте рассмотрена фактическая конфигурация герметичных помещений. Уже после 825-й секунды с начала аварии комбинация концентраций водорода и кислорода в атмосфере герметичных помещений удовлетворяла параметрам возгорания (рис.2: I — возгорание, II — дефлаграция, III — детонация).

Рис. 2. Комбинация концентраций водорода и кислорода (вариант 1): а — в верхней части герметичных помещений, б — в нижней части герметичных помещений

 

Как видно из графиков, к началу внекорпусной фазы концентрации водорода и кислорода удовлетворяют параметрам детонации. Однако к концу внекорпусной фазы кислород, необходимый для горения, вытесняется водородом, который генерируется вследствие взаимодействия расплавленной массы и бетона шахты реактора.

Во втором варианте была рассмотрена конфигурация герметичных помещений с учетом установки КРВ. Как показали расчеты, установка каталитических рекомбинаторов водорода значительно снижает риск детонации, однако все еще существует риск дефлаграции водорода, так как разрежение в герметичных помещениях, создаваемое непрерывно работающей спринклерной системой, способствует притоку кислорода (рис.3).

Рис. 3. Комбинация концентраций водорода и кислорода (вариант 2): а — в верхней части герметичных помещений, б — в нижней части герметичных помещений

 

В третьем варианте рассмотрена возможность внедрения уставки автоматического отключения спринклерной системы. Как показали результаты, внедрение уставки автоматического отключения позволяет удерживать давление в герметичных помещениях на уровне атмосферного, что предотвращает приток большого количества кислорода, необходимого для возгорания, в герметичные помещения. Вследствие этого комбинация концентраций водорода и кислорода в атмосфере герметичных помещений удовлетворяла параметрам возгорания только в трех узлах модели с 845-й секунды до 1043-й секунды и с 1950-й секунды до 2193-й секунды (рис.4).

Рис. 4. Комбинация концентраций водорода и кислорода (вариант 3): а — в узлах модели, где возможно возгорание, б — в остальных узлах

 

Необходимо отметить также, что в расчетах не было смоделировано уменьшение количества водорода вследствие горения, и имеется вероятность, что горение водорода в указанных выше временных отрезках снизит концентрацию водорода и предотвратит дефлаграцию.

Заключение. В результате исследования были получены данные о поведении водорода в герметичных помещениях при тяжелых авариях. Показана эффективность влияния установки КРВ и внедрения уставки автоматического отключения спринклерной системы на процессы накопления водорода в герметичных помещениях. Полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

-        на ААЭС существует опасность возгорания водорода при тяжелых авариях с плавлением топлива;

-        в варианте с фактической конфигурацией герметичных помещений уже после 825-й секунды с начала аварии комбинация концентраций водорода и кислорода в атмосфере герметичных помещений удовлетворяет параметрам возгорания;

-        установка каталитических рекомбинаторов водорода значительно снижает риск детонации, однако все еще существует риск дефлаграции водорода, так как разрежение в герметичных помещениях, создаваемое непрерывно работающей спринклерной системой, способствует притоку кислорода;

-        внедрение уставки отключения спринклерной системы приводит к значительному понижению риска возгорания водорода.

 

Литература:

 

1.     COCOSYS V1.2 User's Manual /W. Klein-Heßling, S. Arndt, G. Weber, et al; Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS).- July, 2000.- 576 p.

2.     Malakyan Ts., Hovhannisyan H. Investigation of ANPP confinement response to BDBA (LOCA DN200) taking into account hydrogen safety: RT-GRS-01/09–A4-A6–001, NRSC.- December, 2011.- 124 p.

3.     Malakyan Ts., Amirjanyan A. Analysis of pressurizer surge line break with ECCS failure for the Armenian NPP: NRSC-DTI-A21–01, NRSC.- 2005.- 183 p.

4.     Spengler Claus, COCOSYS/MEDICIS calculation for ANPP /Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS).- 2010.- 73 p.

Основные термины (генерируются автоматически): спринклерная система, помещение, автоматическое отключение, комбинация концентраций водорода, кислород, водород, активная зона, тяжелая авария, фактическая конфигурация, эквивалентный диаметр.


Ключевые слова

водород, безопасность атомных станций, каталитический рекомбинатор водорода, спринклерная система

Похожие статьи

Результаты экспертного обследования технологического...

Установка имеет в своем составе собственную систему газоочистки, которая обеспечивает чистоту водорода 99,999 %.

Целью обследования было исследование металлической трубы диаметром 12,0 мм толщиной стенки 1,0 мм для определения химического состава, подбора...

Краткий обзор опытно-конструкторских работ по использованию...

Эквивалентная углеводородная формула БВТК.

Характеристики некоторых металлогидридных систем хранения водорода.

Основные термины (генерируются автоматически): смесь, добавок водорода, фаза сгорания, получение синтез-газа, водород...

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего...

Перспективой системой хранения водорода при работе автомобиля на ДВС является использование энергоносителей на основе

Такие циклы могут повторяться многократно. При прекращении теплоподвода (по команде или вследствие аварии) выделение Н2 прекращается.

Селективная функционализация технического углерода...

Селективная функционализация технического углерода активными формами кислорода.

Средний диаметр глобул, нм. 27.

Основные термины (генерируются автоматически): технический углерод, группа, кислород, водород, раствор перекиси водорода, озон...

Повышение безопасности при аварии с выбросом горящих облаков

Библиографическое описание: Астафьева Н. В. Повышение безопасности при аварии с

Е — энергия активации; R — гaзовая постоянная». Т — температура в зоне горения.

- изоляция очага горения от воздуха или снижение концентрации кислорода в воздухе путем...

Разработка методики настройки автоматизированной системы...

Фактическое значение технологического параметра измеряется внешним датчиком.

В случае возникновения аварийной ситуации преобразователь частоты отключается и происходит автоматический перезапуск системы.

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

Водород и кислород генерируют соответственно с помощью электронов зоны проводимости и дырок валентной зоны, полученных при

Из приведенных данных зависимостей изменения концентрации ионов водорода в водных суспензиях полупроводников системы CdS–ZnTeпри...

Экспериментальное исследование горения малой примеси...

Было обнаружено, что конфигурация электродов, представленная на рис. 1, является

Система железных электродов помещалась в камеру, в

При низких давлениях светящиеся облака возникали при концентрации водорода 3,8–9 %, концентрации пропана 1,24 % и при...

Результаты экспертного обследования технологического...

Установка имеет в своем составе собственную систему газоочистки, которая обеспечивает чистоту водорода 99,999 %.

Целью обследования было исследование металлической трубы диаметром 12,0 мм толщиной стенки 1,0 мм для определения химического состава, подбора...

Краткий обзор опытно-конструкторских работ по использованию...

Эквивалентная углеводородная формула БВТК.

Характеристики некоторых металлогидридных систем хранения водорода.

Основные термины (генерируются автоматически): смесь, добавок водорода, фаза сгорания, получение синтез-газа, водород...

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего...

Перспективой системой хранения водорода при работе автомобиля на ДВС является использование энергоносителей на основе

Такие циклы могут повторяться многократно. При прекращении теплоподвода (по команде или вследствие аварии) выделение Н2 прекращается.

Селективная функционализация технического углерода...

Селективная функционализация технического углерода активными формами кислорода.

Средний диаметр глобул, нм. 27.

Основные термины (генерируются автоматически): технический углерод, группа, кислород, водород, раствор перекиси водорода, озон...

Повышение безопасности при аварии с выбросом горящих облаков

Библиографическое описание: Астафьева Н. В. Повышение безопасности при аварии с

Е — энергия активации; R — гaзовая постоянная». Т — температура в зоне горения.

- изоляция очага горения от воздуха или снижение концентрации кислорода в воздухе путем...

Разработка методики настройки автоматизированной системы...

Фактическое значение технологического параметра измеряется внешним датчиком.

В случае возникновения аварийной ситуации преобразователь частоты отключается и происходит автоматический перезапуск системы.

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

Водород и кислород генерируют соответственно с помощью электронов зоны проводимости и дырок валентной зоны, полученных при

Из приведенных данных зависимостей изменения концентрации ионов водорода в водных суспензиях полупроводников системы CdS–ZnTeпри...

Экспериментальное исследование горения малой примеси...

Было обнаружено, что конфигурация электродов, представленная на рис. 1, является

Система железных электродов помещалась в камеру, в

При низких давлениях светящиеся облака возникали при концентрации водорода 3,8–9 %, концентрации пропана 1,24 % и при...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Результаты экспертного обследования технологического...

Установка имеет в своем составе собственную систему газоочистки, которая обеспечивает чистоту водорода 99,999 %.

Целью обследования было исследование металлической трубы диаметром 12,0 мм толщиной стенки 1,0 мм для определения химического состава, подбора...

Краткий обзор опытно-конструкторских работ по использованию...

Эквивалентная углеводородная формула БВТК.

Характеристики некоторых металлогидридных систем хранения водорода.

Основные термины (генерируются автоматически): смесь, добавок водорода, фаза сгорания, получение синтез-газа, водород...

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего...

Перспективой системой хранения водорода при работе автомобиля на ДВС является использование энергоносителей на основе

Такие циклы могут повторяться многократно. При прекращении теплоподвода (по команде или вследствие аварии) выделение Н2 прекращается.

Селективная функционализация технического углерода...

Селективная функционализация технического углерода активными формами кислорода.

Средний диаметр глобул, нм. 27.

Основные термины (генерируются автоматически): технический углерод, группа, кислород, водород, раствор перекиси водорода, озон...

Повышение безопасности при аварии с выбросом горящих облаков

Библиографическое описание: Астафьева Н. В. Повышение безопасности при аварии с

Е — энергия активации; R — гaзовая постоянная». Т — температура в зоне горения.

- изоляция очага горения от воздуха или снижение концентрации кислорода в воздухе путем...

Разработка методики настройки автоматизированной системы...

Фактическое значение технологического параметра измеряется внешним датчиком.

В случае возникновения аварийной ситуации преобразователь частоты отключается и происходит автоматический перезапуск системы.

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

Водород и кислород генерируют соответственно с помощью электронов зоны проводимости и дырок валентной зоны, полученных при

Из приведенных данных зависимостей изменения концентрации ионов водорода в водных суспензиях полупроводников системы CdS–ZnTeпри...

Экспериментальное исследование горения малой примеси...

Было обнаружено, что конфигурация электродов, представленная на рис. 1, является

Система железных электродов помещалась в камеру, в

При низких давлениях светящиеся облака возникали при концентрации водорода 3,8–9 %, концентрации пропана 1,24 % и при...

Результаты экспертного обследования технологического...

Установка имеет в своем составе собственную систему газоочистки, которая обеспечивает чистоту водорода 99,999 %.

Целью обследования было исследование металлической трубы диаметром 12,0 мм толщиной стенки 1,0 мм для определения химического состава, подбора...

Краткий обзор опытно-конструкторских работ по использованию...

Эквивалентная углеводородная формула БВТК.

Характеристики некоторых металлогидридных систем хранения водорода.

Основные термины (генерируются автоматически): смесь, добавок водорода, фаза сгорания, получение синтез-газа, водород...

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего...

Перспективой системой хранения водорода при работе автомобиля на ДВС является использование энергоносителей на основе

Такие циклы могут повторяться многократно. При прекращении теплоподвода (по команде или вследствие аварии) выделение Н2 прекращается.

Селективная функционализация технического углерода...

Селективная функционализация технического углерода активными формами кислорода.

Средний диаметр глобул, нм. 27.

Основные термины (генерируются автоматически): технический углерод, группа, кислород, водород, раствор перекиси водорода, озон...

Повышение безопасности при аварии с выбросом горящих облаков

Библиографическое описание: Астафьева Н. В. Повышение безопасности при аварии с

Е — энергия активации; R — гaзовая постоянная». Т — температура в зоне горения.

- изоляция очага горения от воздуха или снижение концентрации кислорода в воздухе путем...

Разработка методики настройки автоматизированной системы...

Фактическое значение технологического параметра измеряется внешним датчиком.

В случае возникновения аварийной ситуации преобразователь частоты отключается и происходит автоматический перезапуск системы.

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

Водород и кислород генерируют соответственно с помощью электронов зоны проводимости и дырок валентной зоны, полученных при

Из приведенных данных зависимостей изменения концентрации ионов водорода в водных суспензиях полупроводников системы CdS–ZnTeпри...

Экспериментальное исследование горения малой примеси...

Было обнаружено, что конфигурация электродов, представленная на рис. 1, является

Система железных электродов помещалась в камеру, в

При низких давлениях светящиеся облака возникали при концентрации водорода 3,8–9 %, концентрации пропана 1,24 % и при...

Задать вопрос