Атомная энергетика. Основы ядерной физики Атомная энергетика. Основы ядерной физики

При анализе аварии с потерей теплоносителя через большой разрыв необходимо принимать во внимание еще одну проблему- распухание оболочек топливных элементов, изображенное на рис. 4.20. Дело в том, что в топливных элементах реакторов PWR существует внутреннее давление, создаваемое гелиевым наполнителем и газообразными продуктами деления. Если внешнее давление (теплоносителя) становится меньше внутреннего, то при определенной температуре может произойти свеллинг (распухание) оболочки, а не мгновенный ее разрыв, как это было бы при более высокой температуре. Распухание может привести к блокировке каналов теплоносителя и ограничить его поток. Это, в свою очередь, может привести к серьезному повреждению топлива. Таким образом, если, используя только оценочную модель, мы получаем завышенное (т.е. с запасом) значение максимальной температуры оболочки, то в действительности она может лежать в диапазоне распухания. Поэтому наиболее совершенные расчетные методики находят все более широкое применение при расчетах распухания топлива и других эффектов, позволяя более точно учитывать отмеченные выше неопределенности.

Авария с потерей теплоносителя при малом разрыве контура. До аварии на АЭС Three Mile Island наибольшее внимание было сосредоточено на возможной аварии с потерей теплоносителя через большой разрыв в контуре. Однако эта авария отчетливо показала, что фактически намного более вероятно возникновение в первом контуре малой течи (обычно размером, при котором, несмотря на разгерметизацию, давление в реакторе сохраняется достаточно высоким - скажем, отверстие диаметром до 12 см). На АЭС Three Mile Island такая течь возникла в результате заедания предохранительного клапана с механическим приводом. Однако, она также может появиться в результате разрыва одной из многочисленных трубок малого диаметра, имеющихся в первом контуре реактора. На рис. 4.21 приведена гистограмма числа трубопроводов, присоединенных к первому контуру, в зависимости от их размера и проходного сечения. Дано также процентное отношение площади их проходного сечения к сечению главных трубопроводов теплоносителя. Данные на рис. 4.21 соответствуют принятой в ФРГ конструкции PWR, однако они, вероятно, в значительной степени применимы и для других конструкций.

Рис. 4.21. Гистограмма диаметров и поперечных сечений соединительных трубопроводов, а также отношение их сечений к сечению главного трубопровода для реактора PWR. Сплошные линии - трубопроводы первого контура; штриховые линии - трубопроводы компенсатора давления: 1 - малые разрывы; 2 - средние разрывы; 3 - большие разрывы

Наиболее существенное различие между авариями при малом и большом разрыве контура заключается в том, что в первом случае давление в реакторе падает относительно медленно. Изменение давления со временем после появления разрыва при различных его размерах показано на рис. 4.22. Поскольку при аварии с малой течью в активной зоне долгое время сохраняется высокое давление, то не представляется возможным ввести в действие гидроаккумуляторы или систему инжекции низкого давления до истечения значительного промежутка времени после начала аварии.

На рис. 4.23-4.27 проиллюстрирована типичная последовательность событий при аварии с малой потерей теплоносителя. Как и в случае аварии с потерей теплоносителя через крупный разрыв, наиболее серьезной является ситуация при разрыве входного трубопровода реактора (холодного трубопровода).

Сразу после появления разрыва давление начинает резко падать и реактор останавливается. Как только давление упадет ниже примерно 107 Па, включается система инжекции воды высокого давления. Давление продолжает падать примерно до 7 106 Па, когда наиболее нагретая жидкость в контуре начинает испаряться с образованием пара. Сначала вскипает вода в компенсаторе давления. По мере того, как наиболее нагретая часть жидкости достигает состояния насыщения, происходит образование пузырей пара, которые, поскольку насосы остановлены, будут скапливаться в верхней части реактора, как показано на рис. 4.23. Существуют различные точки зрения по поводу того, следует ли оставлять насосы в рабочем состоянии или останавливать их при аварии с потерей теплоносителя. Если оставить насос включенным, то, с одной стороны, это будет усиливать циркуляцию воды через активную зону, способствуя ее охлаждению. С другой стороны, это может увеличить потерю воды через брешь. Существующие в настоящее время правила эксплуатации PWR предписывают остановку насосов, поскольку считается, что в целом это более целесообразно.

Рис. 4.22. Изменение со временем давления в первом контуре реактора PWR при аварии с потерей теплоносителя через малый разрыв:

О - момент снижения температуры в первом контуре до 175 0С; □ - опустошение резервуара, используемого для повторного затопления активной зоны. (Два насоса инжекции высокого давления; 4 резервуара для повторного затопления по 286 м3; насосы внжекции низкого давления отсутствуют)

В результате падения давления в реакторе происходит образование пара, который накапливается в верхней камере, но не может выйти через разрыв из-за принятой схемы расположения трубопроводов. В то же время, скорость истечения воды достаточно велика, хотя с ней из системы отводится относительно малое количество энергии. Вода в корпусе реактора спадет до уровня входного (выходного) трубопроводов («патрубков») примерно за 250 с, в течение которых давление в корпусе может оставаться высоким, что препятствует вводу в действие гидроаккумуляторов и системы инжекции низкого давления.

На этом этапе происходит опорожнение секций первого контура парогенераторов (содержащаяся в них первоначально вода вытекает через разрыв) и заполнение их поступающим из реактора паром, как показано на рис. 4.24. Очевидно, что парогенераторы являются потенциальным средством охлаждения, поскольку в их трубках может конденсироваться поступающий из активной зоны пар, а вода может стекать обратно в активную зону (рис. 4.24). Однако эта благоприятная возможность зависит от состояния теплоносителя в секциях второго контура парогенератора, давление в котором может быть слишком мало (а следовательно, мала и температура насыщения), чтобы мог происходить отвод тепла вторым контуром. Допустим, например, что в секциях второго контура сохраняется нормальное рабочее давление 7 106 Па и при таком же давлении поступает в парогенератор пар из первого контура. В этом случае температуры насыщения равны и конденсация не происходит. Следовательно, при аварии подобного типа необходимо охлаждать теплоноситель второго контура или снижать его давление.

Рис. 4.23. Авария с потерей теплоносителя через малый разрыв - начальная фаза

Рис. 4.24. Авария с потерей теплоносителя через малый разрыв - конденсация обратного потока

Рис. 4.25. Авария с потерей теплоносителя через малый разрыв - первое обнажение активной зоны

Рис. 4.26. Авария с потерей теплоносителя через малый разрыв-прорыв пара через петлевой затвор и второе обнажение активной зоны

Рис. 4.27. Авария с потерей теплоносителя через малый разрыв - изменение со временем уровня парожидкостной смеси в корпусе реактора и температуры топливной оболочки:

1 - эквивалентный диаметр разрыва 0,2 м; 2 - эквивалентный диаметр разрыва 0,1 м

Вследствие продолжающейся потери воды из системы начинает происходить осушение активной зоны в направлении свер ху вниз (так называемое обнажение активной зоны), как это показано на рис. 4.25. Давление в системе все еще продолжает оставаться высоким из-за образования пара, который не может выйти через разрыв холодного трубопровода, поскольку заблокирован водой в корпусе реактора и в насосе. Под насосом располагается U-образный изгиб (петлевой затвор насоса), который продолжает оставаться заполненным водой и препятствует проникновению пара из корпуса реактора через парогенератор и насос к разрыву. Уровень воды в расположенном около разрыва затворе со стороны насоса (с левой стороны затвора, в левой части рис. 4.26) примерно равен уровню воды в корпусе реактора, поскольку они соединены через (опустошенный) парогенератор и насос. Пар может пройти через затвор только тогда, когда уровень опустится до нижней части U-образного изгиба. С этого момента пар из активной зоны начинает движение через насос и вдоль холодного трубопровода к разрыву. В результате происходит быстрое падение давления. Оставшаяся в нижней части активной зоны вода частичнб испаряется, и смесь воды с образующимися паровыми пузырями повторно смачивает верхнюю часть зоны. В процессе дальнейшего снижения давления может произойти повторное осушение активной зоны (как и при аварии с потерей теплоносителя через большой разрыв). Однако падение давления делает возможным ввод в действие гидроаккумуляторов и системы инжекции низкого давления, что позволяет быстро затопить и охладить активную зону. В дальнейшем (обычно более чем через 350 с) расхолаживание происходит аналогично аварии с крупным разрывом (см. рис. 4.17).

На рис. 4.27 показано изменение со временем уровня воды и температуры оболочки топлива в случае аварии с потерей теплоносителя при двух различных эквивалентных диаметрах разрыва. Показан также уровень двухфазной смеси в корпусе реактора. Обычно часть зоны, контактирующая с этой смесью, охлаждается достаточно хорошо, тогда как область зоны, расположенная выше уровня смеси, перегревается. Уровень смеси намного выше, чем был бы уровень жидкости в отсутствие пузырей пара. Этот последний называют уровнем коллапса жидкости, а явление подъема уровня жидкости вследствие наличия в ней пузырей - свеллингом уровня. Похожее явление можно наблюдать при наполнении стакана пивом.

Другие варианты системы аварийного охлаждения активной зоны. Все изложенное выше применимо, главным образом, к конструкции PWR, типичной для США, где система аварийного охлаждения активной зоны подает воду только во входной трубопровод (холодный трубопровод) теплоносителя. Из других существующих вариантов системы аварийного охлаждения активной зоны наибольший интерес представляет система, используемая на западногерманских PWR, которая инжектирует воду как в холодный, так и в горячий трубопровод (трубопровод, по которому отводится теплоноситель из корпуса реактора.) Как утверждают, такой способ инжекции позволяет ускорить охлаждение активной зоны и уменьшить максимальную температуру топливной оболочки при аварии с потерей теплоносителя через большой разрыв, а при малом разрыве быстрее понизить давление и ускорить, таким образом, ввод в действие гидроаккумуляторов и системы инжекции низкого давления.