Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик и устойчивости высоконагруженных тепловых труб для перспективных систем аварийного расхолаживания реакторных установок

Произошедшая в марте 2011 г., соизмеримая с Чернобыльской, трагедией авария на АЭС «Фукусима-1» вновь подорвала позиции ядерной энергетики и вынудила правительство Германии — страны со значительной долей АЭС в общем объёме электропроизводства, отказаться в будущем от использования ядерной энергетики. Эта авария потребует новых убедительных доказательств высокой безопасности АЭС, одним из основных аспектов которого является способность АЭС обеспечить отвод остаточных тепловыделений и непродолжительное расхолаживание реакторной установки пассивными средствами, т. е. без использования внешних источников энергии (электроэнергия и т. п.). Это положение уже более 20 лет используется во всех российских проектах АЭС с водоохлаждаемыми реакторами.

Дополнительным требованием к российским проектам АЭС является наличие промежуточного контура между содержащим радиоактивный теплоноситель первым контуром и конечным поглотителем тепла. Обычно в качестве такого контура используется часть второго контура паропроизводящей установки — парогенератор (ПГ), отсекаемый от остальной части контура системой быстродействующих клапанов. К ПГ подключается отдельный контур естественной циркуляции (ЕЦ) с теплообменником конденсации пара. Название системы — система пассивного отвода тепла через парогенераторы (СПОТ ПГ). В качестве конечного поглотителя тепла в проектах ОАО АЭП (Москва) используется воздух, окружающий АЭС, а в проектах СПб АЭП — выкипающая вода, запасённая в баках аварийного отвода тепла (БАОТ). Такие решения позволяют отказаться от отдельного противоаварийного промежуточного контура. Однако, включение в состав системы ПГ повышает примерно в два раза теплоёмкость системы и существенно увеличивает период расхолаживания реакторной установки (РУ). Кроме того, теплоотвод от РУ осуществляет СПОТ ПГ лишь при превышении давления теплоносителя первого контура над давлением во втором контуре, что нереально в течение первых 3−4 часов при аварии с разрывом главного трубопровода первого контура РУ проектов ВВЭР-1200 и ВВЭР-640.

Для устранения этих недостатков автором предлагается подключение СПОТ непосредственно к первому контуру, а в качестве промежуточного контура использовать тепловые трубы (ТТ) — систему параллельно включённых автономных элементов, способных передавать тепло на значительные расстояния (десятки метров) с малым термическим сопротивлением, не превышающим его значение для контура ЕЦ СПОТ ПГ при существенно меньшей теплоёмкости системы.

ТТ — герметизированные (обычно, сваркой) с обоих торцов трубы, частично заполненные теплоносителем. В настоящей работе рассматривается лишь водяное заполнение ТТ и работа их лишь за счёт гравитационных сил, т. е. с расположением зоны теплоотвода (конденсации, з.к.) выше зоны теплоподвода (нагрева, з.н.). Между ними может располагаться транспортный адиабатный участок (а.у.). Здесь рассматриваются два вида таких ТТ:

— полые ТТ (термосифоны, ТС);

— ТТ, содержащие внутреннюю концентрическую трубную вставку, позволяющую образовать внутри ТТ контур ЕЦ с опускным движением воды по этой вставке.

Автономность каждой ТТ повышает надёжность работы состоящего из них теплообменника (ТО). Так одностороннее нарушение герметичности ТТ не приводит к соединению основных теплообменивающихся сред (теплоносителя первого контура и конечного поглотителя тепла). Кроме того, разгерметизация небольшого процента от общего количества ТТ в теплообменнике, практически не отражается на его производительности.

На рис. В1 приведены два варианта выполнения предлагаемой системы пассивного отвода тепла непосредственно от реакторной установки (СПОТ РУ). Оба варианта включают контур ЕЦ, присоединяемый к горячей и холодной ниткам главного циркуляционного трубопровода первого контура РУ ВВЭР. Этот контур ЕЦ также включает промежуточную ёмкость, в которой расположены зоны нагрева ТТ, на внешней поверхности которых охлаждается теплоноситель первого контура. В режиме обесточивания этот контур ЕЦ работает в некипящем режиме с умеренным значениями интенсивности теплоотдачи в з.н. ТТ кВт/м2оС), рассчитываемой по рекомендациям для естественной конвекции. При некомпенсированных разрывах контур ЕЦ переходит в пароконденсатный режим работы с конденсацией пара первого контура на внешней поверхности з.н. ТТ при а"6 кВт/м2оС, рассчитываемой по рекомендациям для плёночной конденсации пара.

Резкое повышение значения, а позволяет перейти при этих авариях не только к отводу остаточных тепловыделений, но и к быстрому расхолаживанию РУ. Это изменение а, возможно, позволит отказаться от двойных параллельно включенных отсечных клапанов разного сечения, установленных на опускной линии контура ЕЦ СПОТ ПГ. Открытие того или иного клапана зависит от приведённых выше видов аварии.

По первому варианту (левая часть рис. В1) используются термосифоны, з.к. которых выводится в баки аварийного отвода тепла (БАОТ), расположенные за пределы защитной оболочки. По второму варианту (правая часть рис В1) используются ТТ с циркуляционной вставкой, позволяющей образовать внутри ТТ контур ЕЦ и отказаться от ограничивающего мощность ТС противотока пара и воды в едином канале. З.к. ТТ расположена в баке с охлаждающей водой который соединён с БАОТ отдельным контуром ЕЦ атмосферного давления.

СПОТ РУ, начально, заполнена водой или борным раствором и включается в режим теплоотвода открытием запорных клапанов на подъёмной, а затем на опускной линиях. Соприкасающаяся с теплоносителем первого контура з.н. ТТ выполняется из нержавеющей стали, а з.к. из высоко теплопроводной углеродистой стали, обладающей к тому же высокой диффузионной прозрачностью для водорода, накапливающегося в верхней части ТТ в режиме длительного ожидания. на каналах натурных размеров при давлениях и тепловых потоках, характерных для работы систем безопасности АЭС на всех этапах аварийного расхолаживания РУ. Это и наметило основные задачи рассматриваемой работы;

— определение максимальной мощности вертикальных и наклонных ТС при высоких тепловых потоках в з.н.;

— определение теплогидравлических характеристик и устойчивости ЕЦ в ТТ с циркуляционной вставкой, работающих как при высоких давлениях, так и в области умеренного вакуума;

— разработка на базе результатов экспериментов замыкающих соотношений, описывающих интенсивность малоизученных процессов, характерных для работы рассматриваемой системы;

— оценка водородонакопления в ТС и ТТ при длительном контакте их стального корпуса с теплоносителем.

Методический подход, принятый в работе:

— эксперименты проведены с двумя ТС и одной ТТ с циркуляционной вставкой натурных размеров при натурных параметрах пароводяной смеси как высокого давления (р<11,5МПа), так и умеренного вакуума (до 80%);

— в экспериментах использованы современные средства измерения и регистрации измеряемых параметров. Разработанные методики и измерительные системы фиксируют с требуемой точностью количественные характеристики рассматриваемых процессов.

— предложенные физические модели и замыкающие соотношения основаны на современных достижениях в области теплообмена и гидродинамики.

Автор защищает:

— предложение по СПОТ РУ с использованием в качестве промежуточного контура ТС или ТТ с циркуляционной вставкой;

— экспериментальные данные по:

— теплогидравлическим характеристикам и устойчивости контура ЕЦ тепловой трубы с циркуляционной вставкой, работающей при разной степени его водяного заполнения и изменении давления 0,02- 8,5 МПа, абс;

— максимальной мощности наклонного ТС, работающего при высоких давлении (р<11,5МПа) и удельных тепловых потоках на теплоотдающих поверхностях з.н. ^<366 кВт/м) и з.к. ^<687 кВт/м);

— интенсивности аксиального переноса тепла по некипящей воде и максимальной степени переохлаждения, (метастабильности) турбулентного потока воды на а.у. при вскипании воды в его верхней части;

— динамике вакуума при 15 летней работы (125−130 тысяч часов) при повышенном давлении (р=4−5 МПа) пароводяной смеси внутри 20 ТС натурных размеров, выполненных при разной технологии обработки их внутренней поверхности и разных пассивирующих добавок к воде,.

— рекомендации по расчёту:

— максимальной мощности наклонных ТС, при высоком давлении и высоких удельных тепловых потоках на поверхности з.н.;

— истинного объёмного паросодержания (ф) в вертикальном канале в области умеренного вакуума;

— рекомендации по методам предварительной обработки внутренней поверхности и состава добавок к воде в длительно работающем ТС.

Научная новизна работы состоит в, следующем:

— предложена новая схема отвода тепла от первого контура через ТС и ТТ;

— экспериментально обоснованы:

— надёжность и эффективность работы ТС и ТТ с циркуляционной вставкой в широком диапазоне изменения их мощности и давления пароводяной смеси. Определены параметры области устойчивой ЕЦ теплоносителя в ТТ со вставкой;

— высокий аксиальный теплоперенос по некипящей воде в з.н. и адиабатном участке (а.у.) ТТ при вскипания воды в верхней части а. у;

— усовершенствованы предложенные ранее с участием автора соотношения для определения критической мощности з.н. наклонного ТС при «захлёбывании» и сепарации пара у его верхней образующей;

— предложены соотношения по расчёту объёмного паросодержания (ср) в вертикальном канале в области умеренного вакуума;

— на основе 15 летних ресурсных испытаний обосновано сохранение вакуума в ТС и предложена оптимальная технология предварительной обработки внутренней поверхности ТС и пассивирующих добавок к воде.

Достоверность научных положений и выводов по работе основывается на экспериментальном исследовании натурных элементов при натурных параметрах с использованием современной измерительной техники. Предложенные замыкающие соотношения, в основном, базируются на результатах экспериментов, проведённых автором на ряде моделей и на опытных данных отечественных и зарубежных исследователей.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в том, что предложенные замыкающие соотношения используются СПбАЭП в проектных проработках пассивных систем аварийного расхолаживания реакторной установки ВВЭР-1200 и охлаждения объёмов под ЗО. Результаты работы также используются в реализованных проектах котлов — утилизаторов, разработанных в ООО «Техуглерод», г. Ярославль.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты экспериментальных и расчётных разработок, выполненных автором самостоятельно и совместно с сотрудниками лаборатории 106 «НПО ЦКТИ» При этом автору принадлежит создание двух экспериментальных установок, проведение экспериментов на этих установках, анализ результатов экспериментов и разработка предлагаемых физических моделей и соотношений. Автором последние 6 лет проводятся ресурсные испытания 20 ТС, проанализированы их результатов и даны перечисленные рекомендации.

Апробация результатов работы. Результаты работы представлялись на всероссийской межвузовской научно-техническая конференция студентов и аспирантов XXXIV НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ 28.11.05−3.12.05, СПбГПУ, г. Санкт-Петербургмеждународных студенческих научных конференциях «Полярное сияние — 2006» 30.01.06−4.02.06, «Полярное сияние 2007» 28.01.074.02.07, ГРОЦ, г. Санкт-Петербург- 5-ой международной Балтийской конференции по Теплообмену 19.09.07−21.09.07, СПбГПУ, СПбмолодёжной научно-технической конференции «Эксперимент-2010» 19.05.10−20.05.10, ОАО «ОКБМ-Африкантов», Нижний Новгородпятой российской национальной конференции по теплообмену, 25.10.10−29.10.10, МЭИ (ТУ), МоскваМеждународный молодежный научный форум «Ядерное будущее», 25.04.1127.04.11, МоскваНТС ОАО «НПО ЦКТИ 14.11.11, СПб.

Публикации. Результаты диссертации изложены в 10 печатных работах, включая 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 110 страниц основного текста (введение, 6 глав с выводами, заключение по работе), 34 рисунка, 9 таблиц. Список литературных источников содержит 71 наименование (без трудов автора). Общий объем диссертации 149 страниц.

Выводы по главе.

Рассмотрены результаты ресурсных испытаний 20 термосифонов, проведённых в 1996;2011 гг. Продолжительность испытаний при температуре 250−270°С составила 125,3−132 тысячи часов. Проанализированы также результаты более кратковременных испытаний (не более 1530 часов) 34 ТС, выполненных на более ранних стадиях при отработке технологии изготовления ТС.

На основе анализа результатов проведенных испытаний отмечается следующее:

— впервые в мировой практике проведены столь длительные стендовые испытания ТС. Уникальными являются натурные размеры ТТ (диаметр 45ммдлина 5м), повышенные температуры, имевшие место при испытаниях (250−270 °С), а также применение 15 разных сочетаний методов предварительной химической, механической и термической обработки внутренней поверхности ТС, а также состава водного раствора, заливаемого в ТС. Уникальным является и разработанный термический метод определения степени вакуумирования штатной ТТ без её разгерметизации.

— из 20 ТС, прошедших после изготовления контроль вакуума, все сохраняют высокий вакуум (87−97%) с его снижением по сравнению с начальным значением не более чем на 4% при среднем росте вакуума на 0,1% для всех 20 длительно испытываемых ТС. Изменение вакуума в ТС за период испытаний, в основном, находится в пределах погрешности определения величины вакуума используемыми методами;

— приведённые значения изменения вакуума ни в коей мере не сказывается на тепловых характеристиках ТС;

— преимущества дорогостоящих видов предварительной обработки внутренней поверхности ТС (механическое удаление прокатной окалины и её последующая пассивация перегретым паром), а также установка внутри ТС капсул с водородопоглощающим материалом (геттер) практически не сказываются на изменение вакуума в ТС при их длительных испытаниях.

— подтверждается положение о высокой диффузионной прозрачности для водорода труб из стали 20 и длительном её сохранении при 1-=250−270°С, В связи с чем не требуется ввод геттера в паровой объём ТС. Отсутствует необходимость и предварительной обработки внутренней поверхности труб, изготовленных по ТУ 14−3-190;

— хотя ТС, заполненный лишь дистиллятом, не показал существенного падения вакуума, всё же рекомендуется добавка к нему хроматов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Предложена система пассивного отвода остаточных тепловыделений (СПОТ) непосредственно от первого контура парогенерирующей установки АЭС с водоохлаждаемыми реакторами. В предлагаемой системе в качестве промежуточного барьера между радиоактивным теплоносителем первого контура и конечным поглотителем тепла (выкипающая вода атмосферного давления, запасённая в специальных баках аварийного отвода тепла) используются тепловые трубы (ТТ): полые (термосифоны) или с концентрической внутренней вставкой, образующей опускную ветвь контура естественной циркуляции внутри ТТ. Второй вариант более сложен по конструкции, но позволяет передавать существенно больший тепловой поток при сохранении диаметра ТТ. Предполагается работа системы как в некипящем режиме первого контура при авариях с прекращением электропитания собственных нужд АЭС и в кипящем режиме первого контура при некомпенсируемых разрывах в нём.

2. Предлагаемая система обладает:

— повышенной надёжностью в силу автономности каждой ТТ;

— существенно меньшей теплоёмкостью по сравнению с принятой сейчас в проектах АЭС системой пассивного отвода остаточных тепловыделений через парогенераторы;

— позволяет обеспечить непродолжительное расхолаживание первого контура при крупных некомпенсируемых разрывах в нём.

3. Для обоснования надёжности и эффективности работы промежуточного контура предлагаемой системы и для разработки методики теплогидравлического расчёта этого контура созданы три экспериментальных установки с ТТ разной конструкции:

— слабоотклонённая от горизонтали полая ТТ — термосифон натурных размеров, работающая при высоких удельных тепловых потоках в зонах нагрева и конденсации;

— вертикальная ТТ с внутренней концентрической трубной вставкой, позволяющей организовать внутри ТТ контур ЕЦ и повысить её максимальную мощность по сравнению с термосифоном.

На приведённых двух установках проведены экспериментальные исследования теплогидравлических характеристик указанных ТТ в широком диапазоне давления пароводяного теплоносителя (0,02−11,7 МПа, абс) и высоких удельных тепловых потоках на внутренней поверхности зон нагрева ^<366 кВт/м2) и конденсации (д<687 кВт/м2);

— установка для ресурсных испытаний, включающая 20 термосифонов натурных размеров, при изготовлении которых использованы разные методики пассивации их внутренней поверхности, разные пассивирующие добавки к воде, частично заполняющей объём термосифонов, (ТС) разные степени начального вакуумирования ТС. Установка непрерывно находится в режиме высокотемпературных (250−270°С) испытаний в течение 15 лет (125,3−132 тысячи часов).

4. На основе обобщения результатов проведённого экспериментального исследования теплогидравлических характеристик наклонного термосифона и ТТ с циркуляционной вставкой:

— обоснована надёжность и эффективность работы обоих видов ТТ, включая режимы 80% вакуума внутри ТТ;

— определены условия нормального охлаждения з.н. наклонного ТС при пузырьковом кипении на его внутренней поверхности:

— нахождение всей з.н. ТС под физическим уровнем пароводяной смеси;

— не превышение мощностью з.н. значений, вызывающих кризис сепарации пара у верхней образующей ТС с образованием заметной паровой прослойки или кризис «захлёбывания» — гидродинамический кризис противоточных потоков пара и воды. Предложены соотношения для определения значений тепловых потоков, вызывающих эти кризисные явления;

— предложено соотношение для расчёта среднего значения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара внутри заглушённого сверху наклонного канала;

— определено влияние степени вакуумирования ТС на интенсивность теплопереноса в его зоне конденсации. Для эффективной работы предлагаемого промежуточного контура СПОТ со снижением давления в РУ ниже атмосферного значения, необходимо 96 процентное предварительного вакуумирование ТС;

— продемонстрирована возможность «некипящей работы» зоны нагрева (з.н.) вертикального термосифона значительной высоты (Ь=3м) при весьма высоких значениях коэффициента эффективной аксиальной теплопроводности (Аэф < 5,7 МВт/м-К), если над этой «некипящей» з.н. расположен участок с барботажем пара, а на теплоотдающей поверхности з.н. имеет место даже неразвитое поверхностное кипение воды;

— продемонстрированы высокие циркуляционно-мощностные характеристики и устойчивая ЕЦ пароводяного теплоносителя в вертикальной ТТ с центральной циркуляционной вставкой при расположении зон нагрева и конденсации., соответственно, в нижней и верхней части концентрического кольцевого зазора, т. е. в подъёмной ветви контура ЕЦ. Приведённое справедливо и для области относительного вакуума (Рверх>22 кПа, абс);

— предложены соотношения, для расчёта истинного объёмного паросодержания (ср) в вертикальных концентрических кольцевых каналах, охватывающие область низких избыточных давлений и «умеренного вакуума» (р>22 кПа, абс.) практически для всего возможного диапазона значений ф=0,22−0,92.

5. впервые в мировой практике проведены 15 летние (125,3−132 тысячи часов) ресурсные испытания 20 термосифонов (ТС). Уникальными являются натурные размеры ТТ (диаметр 45ммдлина 5м), повышенные температура пароводяного теплоносителя в ТС (250−270 °С), а также применение разных сочетаний методов предварительной химической, механической и термической обработки внутренней поверхности ТС, а также состава водного раствора, заливаемого в ТС. Уникальным является и разработанный термический метод определения степени вакуумирования штатной ТТ без её разгерметизации. На основе анализа результатов проведенных испытаний отмечается следующее:

— из 20 ТС, прошедших после изготовления контроль вакуума, все сохраняют высокий вакуум (87−97%). Изменение вакуума в ТС за период испытаний, в основном, находится в пределах погрешности определения величины вакуума используемым методом (±1%). Столь незначительные изменения вакуума ни в коей мере не сказывается на тепловых характеристиках ТС;

— предложен оптимальный вариант технологии изготовления ТС: зона конденсации выполняется из труб (Сталь20), выполненных по ТУ 14−3-190. Эти трубы имеют плотную тёмную поверхность (Бе203) и не требуют её пассивации. Сталь 20 обладает повышенной диффузионной проницательностью для ворода и обеспечивает при низком водородосодержании (<0,3%) в паровом объёме ТС динамическое равновесие между массой водорода, выделившейся при коррозийных процессах внутри ТС и массой водорода, продиффундировавшей наружу через стенку ТС. Частичное заполнение ТС рекомендуется проводить дистиллятом с добавкой к нему хроматов: (К2СЮ4) -0,5г/л + аммиак (МН3) — 1мг/л.