Главная страница
Навигация по странице:

  • СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ТЯЖЕЛЫХ АВАРИЯХ НА АЭС С ВВЭР

  • V. I. Skalozubov, V. М. Vasilchenko, V. М. Vashchenko, S. S. Jarovoj STATE-OF-THE-ART OF MODELLING OF EXPLOSION SAFETY DURING SEVERE ACCIDENTS AT NPPS WITH WWER

  • В. И. Скалозубов1, В. Н. Васильченко2, В. Н. Ващенко


    Скачать 1.18 Mb.
    НазваниеВ. И. Скалозубов1, В. Н. Васильченко2, В. Н. Ващенко
    Дата27.05.2021
    Размер1.18 Mb.
    Формат файлаpdf
    Имя файлаc50.pdf
    ТипДиплом
    #210531


    50
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19
    УДК 621.039
    В
    . И. Скалозубов
    1
    , В. Н. Васильченко
    2
    , В. Н. Ващенко
    3
    , С. С. Яровой
    3
    1
    Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, Киев
    2
    ГНИЦ СКАР Минтопэнерго Украины, Киев
    3
    Государственная экологическая академия последипломного образования, Киев
    СОСТОЯНИЕ
    ВОПРОСОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ
    ПРИ
    ТЯЖЕЛЫХ АВАРИЯХ НА АЭС С ВВЭР
    Проведен обзорный анализ состояния вопросов моделирования взрывобезопасности при тя- желых авариях. Показана необходимость разработки дополнительных детерминистских критериев условий возникновения паровых высокоэнергетических взрывов и взрывов водородных смесей, кото- рые имели место при тяжелых авариях на АЭС Фукусима-1.
    Ключевые слова: тяжелая авария (ТА), гермообъем (ГО), водородсодержащая паровоздушная смесь (ВПВС), топливосодержащие материалы, максимальная проектная авария (МПА), исходное событие аварии (ИСА).
    Последние события на АЭС Фукусима-1 показали, что важным вопросом управления
    ТА является обеспечение взрывобезопасности. Именно произошедшие взрывы на блоках
    № 1 – 4 АЭС Фукусима-1 в конечном итоге определили разрушения защитных барьеров без- опасности и значительные выбросы радиоактивных продуктов.
    Основными возможными взрывоопасными событиями на внутри- и внекорпусной стадии ТА являются: детонация и дефлаграция (самовозгорание) ВПВС в результате определенных термо- химических взаимодействий компонентов; паровой взрыв при резком росте давления в результате определенных условий тепло- обмена поврежденных элементов активной зоны с охлаждающей средой.
    При паровом взрыве также может образоваться водород, приводящий к последующей детонации.
    Далее будут подробнее рассмотрены необходимые и достаточные условия возникно- вения таких опасных для надежности защитных барьеров безопасности событий.
    Как и для нормальных условий эксплуатации и проектных аварий необходимыми условиямидетонации ВПВС на внутри- и внекорпусной стадии ТА является наличие водо- рода и окислителя. Однако основными источниками образования водорода (в отличие от нормальных условий эксплуатации и проектных аварий) при ТА являются:
    1) термохимические реакции и процессы взаимодействия пара с высокотемператур- ными топливными конструкциями реакторной установки и контайнмента;
    2) возможные мощные паровые взрывы, приводящие к детонационному распаду мо- лекул воды на водород и кислород.
    Для внутрикорпусной стадии ТА основным термохимическим процессом образования водорода является пароциркониевая реакция
    Zr + 2H
    2
    O

    2H
    2
    + ZrO
    2
    (1)
    Кинетика пароциркониевой реакции существенно ускоряется при температурах свы- ше 1200 – 1400 ºС. Пароциркониевая реакция сопровождается в основном следующими эф- фектами: интенсивным выделением тепла при высоких температурах, выделением водорода, изменением физических свойств материала оболочки твэлов, в частности, снижением меха- нической прочности из-за охрупчивания, повышением температуры плавления от 2170 (Zr) до 2900 К (ZrO
    2
    ). Выделение тепла при реакции составляет 6,29 МДж/кг и при Т > 1250 К становится доминирующим фактором, определяющим разогрев активной зоны. Только за счет тепла реакции, без учета остаточного тепловыделения, температура твэлов может намного превысить 3100 К.
    © В. И. Скалозубов, В. Н. Васильченко, В. Н. Ващенко, С. С. Яровой, 2012

    СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 51
    Основными термохимическими источниками водорода в контайнменте являются: продукты пароциркониевой реакции, поступающие из реактора; продолжающиеся процессы пароциркониевой реакции в расплаве, поступающем из поврежденного корпуса реактора; термохимические реакции между расплавленным топливом и бетонными конструкци- ями контаймента, паром и металлическими конструкциями контайнмента, двуокисью урана и паром, химдобавками спринклерной воды и алюминиевыми оболочками теплоизоляции и др.
    Взрыв ВПВС опасен возможностью разрушения строительных конструкций защитной оболочки вследствие увеличения давления в защитной оболочке до 1,0 – 1,2 МПа (например, при взрыве водородсодержащей среды при испытаниях опытного образца дожигателя водо- рода на стенде ЦНИИМАШ (Россия) зафиксировано значение давления, которое значитель- но превышает допустимое давление 0,5 МПа).
    Известные расчетные оценки [1], полученные разными кодами, показали, что для се- рийных ВВЭР-1000 возможная масса выделившегося при пароциркониевой реакции водо- рода составляет не более 250 кг (первичное ИСА – МПА с двухсторонним гильотинным раз- рывом главного циркуляционного трубопровода – МПА), а скорость выделения водорода –
    10
    -5
    – 10
    -3
    кг/с. Именно эти оценки максимально возможной массы водорода при авариях ис- пользованы в отчете по анализу безопасности блока № 5 ЗАЭС [2]. Следует также отметить, что они значительно превышают соответствующие значения в проектных режимах – не бо- лее 15 кг (с учетом радиолиза и разложения воды, аммиака и гидразина в теплоносителе, а также пароциркониевой реакции с 1 %-ной допустимой долей прореагировавшего циркония оболочек твэлов), но существенно меньше максимально возможной массы водорода при полном окислении всех циркониевых оболочек твэлов (около 30 т циркония для серийных
    ВВЭР-1000). Максимально возможную массу выделяющегося водорода в результате паро- циркониевой реакции оболочек твэлов можно оценить по формуле (1):
    ( )
    ( )
    ( ) ( )
    Zr
    Zr
    H
    2
    H
    2 2
    max
    m
    m
    µ
    µ
    =
    ,
    (2) где
    µ

    2
    ) = 2 г/моль,
    µ
    (Zr) = 91 г/моль – молярные массы водорода и циркония соответ- ственно. Отсюда максимально возможная масса водорода при полном окислении цирконие- вых оболочек твэлов составит около 1300 кг.
    Более поздние результаты [3, 4] расчетного моделирования ТА на ВВЭР-1000 с при- влечением кода MELCOR (первичное ИСА – МПА) в отношении выделяющегося водорода при окислении циркония и стали приведены на рис. 1 и 2 (с учетом разных нодализационных схем расчетного моделирования).
    Анализ известной аварии на корпусном реакторе TMI-2 (США) с ИСА «Малая течь реакторного контура» определил, что на

    200-й минуте процесса масса генерированного га- зообразного водорода составила более 400 кг. Результаты расчетного моделирования ТА на реакторах ВВЭР нового поколения повышенной безопасности (В-392М) с применением кода
    SCDAP/RELAP5/MOD3.3 [5] (ИСА – МПА) определили возможность образования около
    1000 кг водорода.
    Детальный анализ необходимых условий дефлаграции/детонации ВПВС, проведен- ный в ВАБ-2 энергоблока № 5 ЗАЭС [6], показал, что в зависимости от первичных ИСА и различных сценариев развития запроектной аварии масса образовавшегося и сгоревшего га- зообразного водорода достигает 2000 кг.
    Представленные выше результаты позволяют заключить, что в [1, 3, 4] выбраны не наиболее консервативные сценарии и условия развития ТА в отношении массы выделяюще- гося при пароциркониевой реакции водорода (соответственно и условий дефлаграции и де- тонации ВПВС), а также отметить существенную зависимость результатов расчетного моде- лирования массы выделяющегося водорода от используемых расчетных нодализационных схем.

    В. И. СКАЛОЗУБОВ, В. Н. ВАСИЛЬЧЕНКО, В. Н. ВАЩЕНКО, С. С. ЯРОВОЙ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 52
    Рис. 1. Интегральная масса водорода, образующегося в результате реакции окисления циркония (без учета окисления стали), в расчетах с различным количеством расчетных объемов активной зоны (авария типа «большая течь»).
    Рис. 2. Интегральная масса водорода, образующегося в результате реакции окисления циркония (без учета окисления стали), в расчетах с различным количеством радиальных расчетных зон (авария типа «большая течь»).
    Для условий взрывобезопасности водорода важна не только общая масса выделивше- гося водорода, но и его локальная концентрация. Наибольшая локальная концентрация газо- образного водорода в ГО в начальные моменты времени будет в местах разгерметизации ре- акторного контура. Учитывая высокую летучесть и диффузионность газообразного водорода, следует ожидать достаточно быстрое его распространение по объему контайнмента и сниже- ние значений локальных концентраций в местах разгерметизации реакторного контура.
    Характерное время снижения взрывоопасных локальных концентраций t
    VH
    можно оценить соотношением
    VH
    ГО
    VH
    C
    V
    t

    , где V
    ГО
    «свободный» объем ГО; С
    VH
    – средняя по объему скорость распространения водо- рода, зависящая от неравномерности распределения концентрации водорода, а также свойств и состояния парогазовой среды ГО.
    Характерное время достижения локальной критической концентрации водорода К
    КР
    LH
    KP
    LH
    C
    K
    t

    , где С
    LH
    средняя скорость локального образования, зависящая от источников и механизмов образования водорода.
    0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
    Время, с
    М
    ас са
    , кг
    2 объема в активной зоне
    4 объема в активной зоне
    12 объемов в активной зоне
    250 200 150 100 50 4 радиальных кольца
    7 радиальных колец
    0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
    Время, с
    350 300 250 200 150 100 50
    М
    ас са
    , кг

    СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 53
    Таким образом, необходимое условие взрывобезопасности (дефлаграции/детонации) водорода в ГО
    LH
    KP
    VH
    ГО
    C
    K
    C
    V
    >
    . (3)
    Определяющим фактором необходимых условий взрывобезопасности ВПВС в ГО яв- ляется соотношение скорости локальной генерации газообразного водорода и скорости рас- пространения водорода в парогазовой среде ГО.
    При пониженных давлениях в процессе ТА разгерметизации реакторного контура (со- ответственно и условий попадания в ГО основных реакторных источников водорода) следует ожидать незначительного изменения скорости локальной генерации водорода в местах раз- герметизации, так как термодинамические параметры парогазовой смеси (давление, темпера- тура) имеют близкие значения (соответственно и скорости термохимических реакций).
    При высоких давлениях в процессе ТА разгерметизации реакторного контура возни- кают значительные градиенты давлений и температур парогазовой среды, изменяющие усло- вия тепломассообменных межфазных процессов, и соответственно условия термохимиче- ских реакций и скорости локальной генерации водорода. В частности, резкое падение давле- ния в зонах разгерметизации приведет к дополнительной локальной генерации газообразного водорода из теплоносителя, находившегося в реакторном контуре. Кроме того, при прочих равных условиях может существенно сократиться время попадания в ГО других реакторных источников водорода, что также способствует условиям повышенной взрывоопасности.
    Таким образом, реализация условий взрывобезопасности ВПВС существенно зависит от сценариев разгерметизации реакторного контура и условий попадания источников водо- рода на внекорпусной стадии ТА.
    Необходимые условия взрывобезопасности водорода на внутрикорпусной стадии ТА при «плотном» реакторном контуре объемом V
    РК
    имеют вид, аналогичный формуле (3):
    )
    (
    T
    LH
    KP
    VH
    PK
    T
    C
    K
    C
    V
    >
    ,
    (4) где C
    LH
    (T
    T
    ) – локальная скорость генерации водорода на внутрикорпусной стадии, суще- ственно зависящая от температуры топливосодержащих материалов T
    T
    Достаточными условиями дефлаграции и детонации ВПВС является критическое со- четание концентраций горючего – окислителя – флегматизаторов при определенном термо- динамическом состоянии смеси [7]. При анализе взрывоопасности традиционно в качестве критерия возникновения условий дефлаграции и детонации водорода используется трехком- понентная диаграмма Шапиро - Моффетте: горючее – водород; окислитель – воздух; флегма- тизатор – пар. Пример, использования критериев Шапиро - Моффетте при анализе взрыво- опасности ВПВС в процессе развития ТА на ВВЭР-1000/В-392 приведен на рис. 3 и 4 [8].
    Моделирование и анализ пространственных эффектов при распространении водорода в объ- еме контайнмента при ТА проведен в [8] на основе оригинальной версии кода КУПОЛ-3D.
    Точка на диаграмме рис. 3 показывает долю каждого компонента в смеси в данном контрольном объеме в фиксированный момент времени. Динамика движения точки, распо- ложенной в верхней части подкупольного пространства, по зонам с разными концентрация- ми пара, воздуха и водорода за промежуток времени 2600 с после начала подачи ВПВС пока- зывает, что рассматриваемая точка перемещается в зону дефлаграции, расположенную меж- ду квадратами и треугольниками. Динамика заполнения водородом подкупольного про- странства показывает, что в первые несколько минут после начала напуска происходит обра- зование локального облака горючей смеси H
    2
    -H
    2
    O-воздух, на формирование которого суще- ственное влияние оказывает взаимодействие со стенками оболочки, с последующим его рас- пространением в верхнюю часть подкупольного пространства (см. рис. 4). В течение всего времени напуска ВПВС существует достаточно существенное концентрационное расслоение при сильном влиянии естественной конвекции.

    В. И. СКАЛОЗУБОВ, В. Н. ВАСИЛЬЧЕНКО, В. Н. ВАЩЕНКО, С. С. ЯРОВОЙ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 54
    Рис. 3. Диаграмма Шапиро для точки, расположенной в верхней части подкупольного пространства, в течение 360 с после начала подачи ВПВС.
    а б
    Рис. 4. Заполнение ВПВС подкупольной области:
    а – через 20 с; б – через 360 с.
    Численное моделирование задачи о выбросе водорода в подкупольное пространство показало, что в первые минуты имеют место: формирование локального облака горючей смеси в объеме оболочки; взаимодействие его со стенками оболочки; выраженная стратифи- кация водорода в помещении, моделирующем свободный объем контайнмента при сильном влиянии естественной конвекции. В частности, полученные в [2, 9] оценки момента наступ- ления критических условий взрыва ВПВС в контайнменте ВВЭР-1000 на 19-е сутки после начала аварии при равномерном распределении водорода полностью не соответствуют ре- зультатам моделирования [8], учитывающим неравномерность распределения концентраций
    ВПВС по объему контайнмента.
    Анализ горения водорода на внекорпусной стадии для серийных энергоблоков ВВЭР-
    1000/В-320 проведен в отчете по ВАБ 2-го уровня [6] с учетом: различных механизмов дефлаграции (медленная дефлаграция, быстрое турбулентное горение); разных сценариев развития дефлаграционных процессов ВПВС в зависимости от пер- вичных исходных событий и конфигураций работоспособности систем безопасности; разных исходных состояний реакторной установки на номинальной мощности, на по- ниженном уровне мощности и на остановленном реакторе.
    Для оценки вероятности разрушения/нарушения герметичности гермооболочки учи- тывались сценарии, в которых имеется изначально изолированный контайнмент и отсутству- ет байпас гермооболочки. Для каждого сценария в [6] определялись количество сгораемого

    СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 55
    водорода, максимальное давление и время в процессе дефлаграции ВПВС, а также вероят- ностные оценки составляющих суммарной частоты предельного аварийного выброса. Детер- министское моделирование процессов в гермооболочке осуществлялось в ВАБ-2 [6] инте- гральным кодом MELCOR, а в качестве химических критериев дефлаграции/детонации
    ВПВС использовалась известная трехкомпонентная диаграмма Шапиро - Моффетте.
    Основные ограничения/недостатки результатов ВАБ-2 [6] в отношении анализа взры- вобезопасности ВПВС связаны со следующим положениями.
    1. Отсутствует достаточное обоснование наиболее неблагоприятных для взрывобез- опасности ВПВС сценариев. В частности, в сценарии № 6 с ИСА S3 (малые течи 1-го конту- ра) и принятыми конфигурациями работоспособности систем безопасности согласно резуль- татам расчетного анализа не возникают условия дефлаграции/детонации ВПВС для всех слу- чаев и этапов развития аварии. Дополнительный анализ аналогичного ИСА (открытие с отка- зом на закрытие ИПУ КД) показывает, что при запроектном развитии процессов (полный от- каз технологических систем удаления и дожигания водорода, а также другие маловероятные события) возможно возникновение условий дефлаграции ВПВС в барботажном баке.
    2. Недостаточно обоснованно из рассмотрения (моделирования, анализа и обоснова- ния противоаварийных мероприятий) исключены вопросы дефлаграции водорода на внутри- корпусной стадии и парогазовых взрывов как относительно маловероятных событий при ТА.
    Вместе с тем такие взрывы произошли на АЭС Фукусима-1 и существенно повлияли на последствия аварии.
    3. Отсутствует анализ неоднозначного влияния на взрывобезопасность ВПВС отдель- ных противоаварийных мероприятий по управлению ТА (в частности, управляющих пара- метров по охлаждению топливосодержащих материалов и организованному удалению паро- газовой смеси). Опыт аварий на АЭС Фукусима-1 подтвердил актуальность этих вопросов: на блоках № 1 и 3 парогазовые взрывы произошли сразу после организации сброса давления в контайнменте путем выброса парогазовой среды; отсутствовала однозначность в отношении эффективности и целесообразности орга- низации охлаждения поврежденного топлива.
    Для решения вопросов эффективности управляющих противоаварийных мероприятий и уточнения областей взрывобезопасности необходимо дополнительное обоснование и внед- рение консервативных теплогидродинамических критериев взрывобезопасности.
    4. Применение в качестве достаточных условий взрывобезопасности ВПВС химиче- ских критериев диаграммы Шапиро - Моффетте является необоснованным для всех стадий и этапов развития ТА (в частности, при существенных скоростях изменения теплогидродина- мических режимных параметров).
    Относительно применимости диаграммы Шапиро - Моффетте как основного критерия достаточных условий дефлаграции и детонации водорода в процессе развития ТА необходи- мо отметить следующее: диаграмма не учитывает изменение термодинамического состояния (давление, темпе- ратура), определяющего критическое сочетание ВПВС, как на внутри-, так и на внереактор- ной стадии развития ТА. Кроме того, воздух содержит не только кислород (как окислитель), но и азот и инертные газы, являющиеся, по сути, флегматизаторами детонации, состав кото- рых может изменяться на разных стадиях аварии; диаграмма обоснована для равновесных или квазиравновесных процессов (при отно- сительно медленном изменении теплогидродинамических параметров)
    dt
    Y
    d
    Y
    dt
    X
    d
    X
    0 0
    1 1
    <<
    ,
    (5) где
    X
    – теплогидродинамические параметры смеси (давление, температура, скорость дви- жения);
    Y
    – концентрации ВПВС;
    0 0
    ,Y
    X
    – соответствующие начальные значения; t – время.
    В частности, на внутрикорпусной стадии ТА теплогидродинамические процессы мо-

    В. И. СКАЛОЗУБОВ, В. Н. ВАСИЛЬЧЕНКО, В. Н. ВАЩЕНКО, С. С. ЯРОВОЙ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 56
    гут проходить достаточно быстро (например, при относительно больших течах теплоносите- ля) и условие (5) может не выполняться.
    Таким образом, необходимы дополнительные обоснования применимости диаграммы
    Шапиро - Моффетте как достаточного условия взрывобезопасности ВПВС при протекании
    ТА в ВВЭР.
    Паровой взрыв может привести к резкому росту давления и количества водорода, а также к сильному механическому воздействию на элементы конструкции реактора и, в первую очередь, на корпус или оболочку реактора (в зависимости от того, где произошел взрыв). Паровой взрыв можно определить как высвобождение значительного количества энергии расплава в форме ударной волны сжатия вследствие высокоскоростного цепного процесса взаимодействия горячей жидкости (расплава) и холодной испаряющейся жидкости
    (теплоносителя). Процесс начинается с бурного взаимодействия между расплавленными об- ломками активной зоны и водой (левая часть рис. 5). Если отводимая энергия достаточно ве- лика и это происходит за достаточно короткий промежуток времени, то образующаяся удар- ная волна может разрушить днище корпуса реактора или создать гидроудар, направленный вверх внутри корпуса реактора, способный оторвать верхнюю крышку корпуса реактора
    (средняя часть рис. 5). Крышка корпуса в этом случае становится «снарядом», который мо- жет нанести удар по конструкциям контайнмента. Такая последовательность событий созда- ет «альфа-вид» отказа контайнмента [10].
    Физические исследования механизма термомеханического взаимодействия двух раз- нородных жидкостей различной температуры позволили выделить различные фазы возник- новения и протекания парового взрыва [11]: начальное перемешивание горячей и холодной жидкостей (механизм теплообмена между жидкостями – пленочное кипение); резкая интенсификация теплообмена при нарушении пленочного кипения; формирование ударной волны вследствие цепного процесса резкой генерации пара – дальнейшей фрагментации жидкости; распространение ударной волны в многофазной системе.
    Начальная фаза парового взрыва в значительной мере определяет массу расплава ак- тивной зоны, которая достаточно эффективно перемешивается с водой и может принимать участие в последующих фазах парового взрыва. Возможны два принципиально различных механизма перемешивания расплава с водой. Один предполагает, что фрагментация капель расплава происходит до размера, соответствующего пределу противоточного движения па- дающей капли и восходящего потока пара. Во втором случае расплав, вода и пар считаются образующими единую систему, расширяющуюся в радиальном направлении по мере погру- жения в объем теплоносителя.
    Определяющей для парового взрыва является третья фаза, при которой генерация па- ра в данном месте происходит со скоростью выше интенсивности его отвода, что приводит к местному возрастанию давления и, как следствие, с одной стороны, к дальнейшей фрагмен- тации частиц жидкости, развитию поверхности контакта и росту генерации пара; с другой стороны – к распространению этого процесса на соседние частицы. В результате имеет место детонационный процесс.
    Третья фаза (формирование ударной волны) определяется циклической совокупно- стью процессов, включая процессы перемешивания и формирования новой области контакта системы «расплав – теплоноситель», в частности за счет фрагментации расплава, генерации пара и т.д.
    Последняя фаза парового взрыва – распространение полностью сформировавшейся детонационной волны в первоначально перемешанной смеси расплава, жидкого и парооб- разного теплоносителя. Прохождение ударной волны вызывает срыв парового слоя и частиц расплава.
    На этой стадии фрагментация частиц расплава может происходить либо вследствие вскипания при докритических давлениях, либо вследствие нарушения устойчивости поверх- ности при сверхкритических давлениях.

    СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 57
    Рис. 5 (см. с. 60).

    В. И. СКАЛОЗУБОВ, В. Н. ВАСИЛЬЧЕНКО, В. Н. ВАЩЕНКО, С. С. ЯРОВОЙ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 58
    В качестве примера феноменологических моделей парового взрыва можно привести неравновесную модель большого масштаба в водоохлаждаемом реакторе, представленную в
    [12]. Физическая модель рассматривает процессы перемешивания и взрыва в трех зонах си- стемы (рис. 6): взрыва, промежуточной и расширения.
    а б
    Рис. 6. Физическая модель процессов парового взрыва (а) и перемешивания (б):
    1 – зона взрыва; 2 – промежуточная зона; 3 – зона расширения; 4 – зона перемешивания.
    Основные допущения модели парового взрыва большого масштаба [12]: система имеет одну зону взрыва, распространяющегося с плоским или полусфериче- ским фронтом; весь теплоноситель в зоне взрыва участвует во взаимодействии с расплавом; тепломассообмен с окружающей средой отсутствует; внутренний тепломассообмен осуществляется между зонами взрыва и промежуточной; частицы расплава топлива равномерно распределены в объеме теплоносителя в ре- зультате начального перемешивания; весь пар, возникающий при взрыве, остается вокруг частиц топлива; радиационной энергией пара и энергией химических реакций между топливом и теп- лоносителем можно пренебречь.
    Вода и пар могут иметь различные температуры (неравновесное состояние). Частицы расплавленного топлива разделяются по размерам на две группы: первую образуют частицы диаметром, определяющимся процессом начального перемешивания; вторую составляют ча- стицы, образовавшиеся в процессе фрагментации. Результаты расчетов по данной модели, приведенные в [12] и иллюстрируемые рис. 7, достаточно хорошо совпадают с эксперимен- тальными данными, полученными на установке FITS, в том числе отражающими условия на
    ВВЭР.
    Р, МПа
    10
    -7 10
    -6 10
    -5 10
    -4 10
    -3 10
    -2
    Рис. 7. Изменение давления во времени для опыта на установке FITS.
    Для моделирования паровых взрывов на внутри и внекорпусной стадии ТА актуаль- ным является вопрос определения условий (критериев) возникновения детонационной ситу- ации, в зависимости от теплогидрадинамического трехфазного состояния в корпусе реактора и в контайнменте. Определение таких критериев позволит обосновать мероприятия по управлению ТА в отношении устранения условий возникновения паровых взрывов.
    10 2
    10 1

    СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 59
    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
    1.
    Обеспечение водородной взрывозащиты и взрывопредупреждения АЭС с ВВЭР // Совещание группы пользователей по вопросам безопасности российских АЭС. – 1995.
    2.
    Дополнительные материалы по анализу безопасности. Запорожская АЭС. Энергоблок № 5. Гла- ва 7. Анализ проектных решений и показателей эксплуатации. Детерминистическая оценка уров- ня безопасности. – 21.5.70.ОБ.01.07. – Ч. 3. Анализ функциональной достаточности АСУ ТП.
    Книга 9. – ОАО ХИ «Энергопроект», 2003.
    3.
    Носатов В., Стрижов В. Анализ тяжелых аварий реакторов ВВЭР с использованием кода
    MELCOR-1.8.5. – M.: ИБРАЭ РАН, 2009.
    4.
    Asmolov V., Yegorova L., Kaplar E. et al. Development of Data Base with Mechanical properties of Un- and Reradiated VVER Cladding // Proc. Twenty-Fifth Water Reactor Safety Information Meeting. –
    1997. NUREG/CP-0162. – Vol. 2.
    5.
    Звонарев Ю., Будаев М., Кобзарь В., Волчек А. Валидация компьютерного кода ASTEC и приме- нение для анализа безопасности АЭС с ВВЭР // Code application and PSA methodologies. Paper
    No 1. The first European Review Meeting on Severe Accident Research (ERMSAR-2005). – Aix-en-
    Provence (France), Nov. 14 – 16, 2005.
    6.
    Вероятностный анализ безопасности 2-го уровня энергоблока № 5 ЗАЭС. Итоговый отчет Запо- рожской АЭС. – № 21.5.59.ОБ.04.5. – Энергодар, 2009.
    7.
    Скалозубов В. И., Ключников А. А., Колыханов В. Н. Основы управления запроектными авариями с потерей теплоносителя на АЭС с ВВЭР. – Чернобыль: ИПБ АЭС НАН Украины, 2010. – 400 с.
    8.
    Ефанов А. Д., Витушкина Н. М., Лукянов А. А., Зайцев А. А. Анализ пространственных эффектов при распространении водорода в объеме контайнмента // Материалы конф. «Обеспечение без- опасности АЭС с ВВЭР». – Подольск (Россия): ФГУП ОКБ «ГП», 2008.
    9.
    Система удаления водорода из герметичных помещений. – Пояснительная записка
    292009.0000003.21040.000РП.ОО. – М.: АЭП, 1989.
    10.
    IAEA Training in Level 2 PSA. Severe Accident Phenomena.
    11.
    Кузнецов Ю. Н. Теплообмен в проблеме безопасности ядерных реакторов. – М.: Энергоатомиз- дат, 1989. – 296 с.
    12.
    Oh M. D., Corradini M. L. A Non-equilibrium Model for Large Scale Vapour Explosions // Proc. Third
    Intern. Topical Meeting Reactor Thermal Hydraulics. – Newport (USA), Oct. 15 - 18, 1985. – Vol. 2. –
    P. 19. J.
    В
    . І. Скалозубов, В. М. Васильченко, В. М. Ващенко, С. С. Яровой
    СТАН
    ПИТАНЬ МОДЕЛЮВАННЯ ВИБУХОБЕЗПЕКИ ПРИ ВАЖКИХ АВАРІЯХ
    НА
    АЕС ІЗ ВВЕР
    Проведено оглядовий аналіз стану питань моделювання вибухобезпеки при важких аваріях.
    Показано необхідність розробки додаткових детерміністських критеріїв умов виникнення парових високоенергетичних вибухів та вибухів водневих сумішей, що мали місце при важких аваріях на АЕС
    Фукусіма-1.
    Ключові слова: важка аварія, гермооб’єм, водневовмісна пароповітряна суміш, паливовмісні матеріали, максимальна проектна аварія, вихідна подія аварії.
    V. I. Skalozubov, V. М. Vasilchenko, V. М. Vashchenko, S. S. Jarovoj
    STATE-OF-THE-ART OF MODELLING OF EXPLOSION SAFETY DURING SEVERE
    ACCIDENTS AT NPPS WITH WWER
    The survey analysis of a state-of-the-art of modelling of explosion safety during severe accidents is carried out in this paper. It is demonstrated necessity to develop additional deterministic criteria for condi- tions of occurrence of steam high-energy explosions and explosions of hydrogen mixes that took place dur- ing severe accidents at Fukushima-1.
    Keywords: severe accident, containment, hydrogenous steam-air mixture, fuel-containing masses, maximum design basis accident, initial event of accident.
    Надійшла 29.09.2011
    Received 29.09.2011

    В. И. СКАЛОЗУБОВ, В. Н. ВАСИЛЬЧЕНКО, В. Н. ВАЩЕНКО, С. С. ЯРОВОЙ
    ________________________________________________________________________________________________________________________
    ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 19 60
    Рис. 5. Развитие парового взрыва внутри корпуса реактора [10].
    ГЕ
    САОЗ
    ГЕ
    САОЗ
    ГЕ
    САОЗ


    написать администратору сайта