Эффекты изменения давления.
Возникновение большой течи при быстром и значительном разрушении теплообменной трубки сопровождается кратковременным (в течение миллисекунд) всплеском давления в зоне химического взаимодействия реагентов. Для выяснения природы указанного пика давления были проведены специальные опыты, в которых при одном и том же давлении (6 МПа) осуществлялся впрыск в натрий воды, водяного пара и газа [5]. В первых двух случаях разрушение трубки сопровождалось последующей химической реакцией, в третьем случае таковая отсутствовала. В каждом из опытов процесс разрушения трубки вызывал формирование ударной волны, однако различная ее амплитуда, зарегистрированная у стенки корпуса модели парогенератора, указывала на различие факторов, определяющих параметры волны (рис. 4.1).
Если при разрушении трубки газом давление разрыва стенки является давлением, формирующим фронт ударной волны, то в случае впрыска поды подобным фактором являются, видимо, вторичные эффекты повышения давления в зоне реакции в результате взаимодействия воды с натрием с образованием продуктов реакции. Это предположение подтверждается результатами опытов, описанных в [5, 38]. В частности, указывается [38], что впрыск воды под давлением 7,2—15,5 МПа через разрушаемую мембрану сопровождался ударным всплеском давления до 59 МПа на некотором расстоянии от зоны реакции.
Рис. 4. 1. Характер изменения давления в зоне реакции при впрыске в натрий воды (а), пара (б) и газа (в)
Следовательно, источник ударной волны должен был иметь еще большее начальное давление. Приведенные выше положения, следующие из экспериментальных результатов, весьма существенны при построении физической модели аварийного процесса и определении начальных параметров в зоне реакции в математической модели.
Что касается длительного (в течение нескольких секунд) повышения давления в зоне разрушения и других участках натриевого контура, то характер его изменения определяется величиной дефекта, гидравлическим сопротивлением натриевого тракта и его инерционной характеристикой [5]. На рис. 4.2 приведены результаты измерения давления в месте течи и в газовой полости экспериментального стенда для двух опытов, единственным различием в условиях постановки которых было разное гидравлическое сопротивление между указанными зонами. Кривые 1 и 2 получены для опыта с начальным сопротивлением участка место течи — буферная емкость 0,08 МПа, кривые 3 и 4 — в опыте с сопротивлением 0,5 МПа. Из характера изменения параметров видно, что начальные кратковременные всплески давления ударного происхождения в обоих экспериментах практически не отличаются один от другого. Дальнейшее изменение давления в зоне реакции уже различно. Если в первом опыте оно держится на уровне 3—4 МПа в течение не более 0,3 с и затем начинается подъем давления в буферной емкости, то во втором эксперименте процессы перераспределения давления смещены во времени. Подобное явление можно объяснить следующим образом.
Рис. 4. 2. Изменение давления в элементах натриевого контура при различных гидравлических сопротивлениях его участков:
1, 3 - давление в зоне реакции; 2, 4 - давление в буферной емкости
Рис. 4. 3. Характер изменения расхода натрия по участкам циркуляционного контура в режиме большой течи:
G1 - на участке место течи — беферная емкость; G2 — на участке место течи - насос - буферная емкость
Процесс образования водородного пузыря и изменения его параметров (объема, давления) в начальный момент не зависит от гидравлики контура и определяется эффектами, характерными для ударных волн. Ко времени, когда давление в пузыре снижается до нескольких мегапаскалей и эффекты сжимаемости натрия несущественны, размер водородного пузыря уже таков, что дальнейшее изменение его объема связано со значительными перераспределениями расходов натрия по участкам циркуляционного контура, т.е, зависит от гидросопротивления последних. Этим и объясняется медленное уменьшение давления в месте разрыва трубки во втором эксперименте. Уровень давления, на котором начинает сказываться гидравлическая характеристика тракта течь—газовый компенсатор, определяется соотношением между размером дефекта и характером этой гидравлической характеристики.
Гидравлические процессы.
Экспериментально установлено, что истечение больших количеств воды в натрий в условиях парогенератора приводит к значительным гидравлическим изменениям на участках циркуляционного контура. Это связано с возникновением градиентов давления между зоной реакции и компенсационной газовой полостью, существенно превышающих рабочие.
Примером подобного процесса могут служить результаты одного из опытов, приведенные на рис. 4.3 [5]. Разрушение трубки означало взаимодействия реагентов сопровождается резким увеличением расхода натрия G1 на участке место течи — буферная емкость. По входному в модель участку (место разрушения — насос — буферная емкость) расход натрия G2 быстро уменьшается, в определенный момент становится равным нулю и даже может изменить направления движения на обратное. Интенсивное перемещение натрия в сторону газового объема буферной емкости по обоим участкам контура вызывает увеличение полости в зоне реакции, занятой продуктами взаимодействия, и, как следствие этого, — падение давления в месте течи, несмотря на продолжающееся истечение воды. Постепенное выравнивание давлений между участками контура приводит и к выравниванию расходов натрия (при условии сохранения работы насоса и целостности предохранительных устройств). Следует отметить, что в рассматриваемом режиме большой течи рост расхода натрия на отводящем от модели участке сопровождается перемещением газообразного водорода от места течи в сторону буферной емкости. В связи с этим могут наблюдаться значительные пульсации расхода натрия именно на этом участке контура (интервал τ1 на рис. 4.3). Безусловно, интенсивность гидравлических изменений на участках натриевого контура реальной АЭС при большой течи в парогенераторе может отличаться от приведенных на рис. 4.3 и характерных для условий рассматриваемого опыта, однако принципиальная картина сохранится.
Температурные эффекты.
Как указывалось выше, взаимодействие натрия и воды сопровождается довольно значительным тепловыделением (140 кДж/моль), что вызывает локальное повышение температуры в зоне возникновения большой течи. В экспериментах обнаружено, что температурные всплески носят кратковременный характер, проходят свой максимум до окончания течи и не превышают 1400 °C [5,37,42].
Подобный характер поведения температуры можно объяснить следующим образом. В зоне образования продуктов реакции происходят процессы интенсивного перемешивания и теплообмена между ними. Возникновение высокого давления в зоне реакции приводит к быстрому расширению газообразной (водородной) фазы и связанному с этим перемещению значительных масс натрия. Следствием этого является снижение температуры в зоне реакции за счет работы расширения. Кроме того, между продуктами реакции и трубным пучком также осуществляется теплообмен. На это указывают результаты опытов, когда в замкнутом пароводяном объеме трубного пучка, оказавшегося в зоне продуктов реакции при истечении большого количества воды в натрий, происходило интенсивное парообразование и рост давления с 6 до 10 МПа за 5 с [5]. Одновременно наблюдалось снижение температуры продуктов реакции, несмотря на продолжающееся истечение воды. Таким образом, можно констатировать, что механизм подвода и отвода энергии в зоне большой течи в условиях парогенератора обеспечивает длительность максимально возможных всплесков температуры, сравнимых по величине с временным интервалом действия высоких давлений (доли секунды или несколько секунд). Пример подобного изменения температуры в зоне течи приведен на рис. 4.4.
Равновесная расчетная температура в зоне большой течи, реализуемая на всем ее временном интервале, обычно не превышает 600—700 °C и определяется способностью натриевого циркуляционного контура отводить продукты реакции из района химического взаимодействия реагентов.
Рис. 4.4. Характер изменения температуры в зоне реакции большого количества воды с натрием:
1 - температура продуктов реакции; 2 - масса воды, попавшей в натрий; τ1 - момент разрыва трубки
Характер механических воздействий.
При быстром разрушении теплообменной трубки и возникновении большой течи с расходами до нескольких килограммов в секунду разрушения конструкции не происходит в силу кратковременности действия довольно высоких ударных всплесков давления. Длительные же, но меньшие по амплитуде колебания давления учитываются при расчете конструкции.
Из-за отсутствия локального факела реакции, характерного для малых течей, при больших течах не происходит коррозионно-эрозионного износа материала парогенератора. Однако экспериментально обнаружена деформация элементов трубного пучка в виде изгиба отдельных трубок со стрелой прогиба, направленной преимущественно по радиусу от первоначально разрушенной трубки.
