Определенный интерес в отношении протекания аварийных процессов при контакте натрия и воды представляет ’’обратный” парогенератор (ОПГ), в котором теплоноситель движется в трубках, а рабочее тело (пар—вода) — в межтрубном пространстве.
При возникновении сквозного дефекта в трубке обратного парогенератора истечение воды происходит внутрь трубки с малым (по сравнению с межтрубным пространством) поперечным сечением. Поэтому даже в случае сравнительно малой течи режим циркуляции натрия в аварийной трубке может существенно меняться вследствие образования газообразного водорода при реакции натрия с водой. В этом и состоит причина существенных различий в протекании аварийных процессов в прямом и обратном парогенераторе.
Экспериментальное изучение характера течения натрия в аварийной трубке ОПГ на изотермических моделях с впрыском газа показало, что в зависимости от размера и места течи возможна реализация следующих режимов: протока, закупорки (теплоноситель не протекает по каналу, заполненному газом), пульсационного режима (периодический процесс с чередованием режимов протока и вытеснения) [33, 34].
Наиболее интересным с точки зрения аварийного процесса является режим с прекращением циркуляции теплоносителя в канале с течью, поскольку в этом случае существенно изменяется картина взаимодействия реагентов в месте истечения воды.
При наличии в конструкции парогенератора многих параллельных трубок гидравлические изменения в одной из них практически не сказываются на гидродинамическом перепаде давления между коллекторами. Тогда условия прекращения движения натрия в канале, в котором возникла течь и образовался газовый пузырь высотой h, можно представить уравнениями:
(3.6)
(3.7)
(3.8)
где — гидродинамический перепад давления между коллекторами; Δρг.в, Δρг.н - перепады давления, создаваемые за счет газовой фазы в трубке при ее движении в верхний или нижний коллектор соответственно.
Выражения (3.6) и (3.7) относятся к случаю движения натрия сверху вниз и соответствуют образованию газового пузыря в верхней (3.6) и нижней (3.7) частях аварийного канала с движением газа в сторону верхнего или нижнего коллекторов, уравнение (3.8) — к случаю движения теплоносителя снизу вверх.
Сравнение приведенных выше выражений показывает, что если натрий в парогенераторе движется сверху вниз, закупорка аварийного канала с образованием в нем газового пузыря может достигаться при значительно меньших Δрг (меньших расходах газа в теплоноситель — величинах течи), чем для парогенератора с движением натрия снизу вверх.
При малых течах скорость образующихся газообразных продуктов реакции (пузырьков водорода) не превышает скорости натрия в канале. Тогда дополнительное гидравлическое сопротивление при движении газовой фазы будет меньше гидросопротивления при движении натрия на величину, пропорциональную соотношению плотностей натрия и водорода, и им можно пренебречь.
Для подобных течей при движении натрия снизу вверх невозможно прекращение расхода натрия в канале [это следует из уравнения (3.8)] и образование в нем стационарного газового пузыря. Соотношения же (3.6) и (3.7) принимают вид
(3.9)
Из (3.9) следует, что при движении натрия в парогенераторе сверху вниз появление в трубке площадью сечения S'тр газового объема Vг (в результате истечения воды в натрий), равного
(3.10)
приводит к уменьшению расхода натрия до нуля.
Зная место расположения течи по высоте канала, площадь сечения канала и скорость уноса водородных пузырей потоком натрия, можно определить минимальное время, необходимое для накопления в трубке газовой фазы объемом а также и требуемый расход газа в натрий (вид течи), обеспечивающий условия закупорки.
Если рассматривать процессы саморазвития течи и коррозионноэрозионного износа материала под действием факела реакции в ОПГ, то необходимо иметь в виду, что они в полной мере реализуются только в режиме протока натрия в аварийном канале.
По данным [34], время саморазвития течи в прямом и обратном парогенераторах в режиме протока одинаково. В то же время авторы исследования [35] указывают, что это справедливо лишь для истечений, меньших некоторого критического значения. Так, при расходе воды 0,3-0,5 г/с в трубке обратного парогенератора из стали 2,25 Сr 1 Мо не происходило саморазвития за время до 103 с, что в 10—15 раз больше соответствующего времени для ’’прямой” конструкции. Однако следует отметить, что в настоящее время нет достаточных экспериментальных данных для того, чтобы установить значение этого критического расхода и его зависимость от внутреннего диаметра рабочего канала.
Экспериментально установлено, что заметный износ материала стенки канала, расположенной против места течи, имеет место только в режиме протока теплоносителя. При этом, так же как и для прямого парогенератора, скорость коррозионно-эрозионного разрушения зависит от геометрических характеристик канала, температуры и скорости натрия, расхода воды. В работе [36] показано, что в условиях ОПГ для стали 2 1/4 Сr 1 Мо скорость износа материала W можно определять из выражения
(3.11)
При этом параметр W0 есть скорость износа этой же стали для прямого парогенератора, полученная для условий движения натрия со скоростью 0,24 м/с:
, (3.12)
где L — расстояние до противоположной стенки, мм; GH2O— расход воды, г/с; Т — температура Na, К; W0 - скорость износа, мм/с.
Поправочный множитель W* находится из выражения
(3.13)
где v — относительная скорость натрия (по отношению к скорости 0,24 м/с); В — коэффициент, равный 16,5 при L/d0 = 28, 12,5 при L/(d0 = 35 и 7,9 при L/d0= 68.
В уравнении (3.13) величине d0 соответствует GΗ2O· При ν > В поправочный множитель W* имеет значения: 0,1 при 28 < L/d0 < 35, 0,05 при 35 < L/d0 68,0 при L/d0 > 68.
Существенное влияние скорости натрия в канале на интенсивность разрушения материала невозможно объяснить только отклонением оси факела реакции и удлинением в связи с этим расстояния между местом истечения и стенкой. Так, в опытах [36] обнаружено, что при скорости натрия 2,75 м/с и L/d0=68 смещение оси струи составляло 4,5 мм и увеличение упомянутого расстояния происходило с 17 до 17,6 мм, а скорость же разрушения уменьшилась практически до нуля. По-видимому, при увеличении скорости натрия в условиях ограниченного пространства канала интенсифицируется смешение чистого натрия с продуктами реакции в факеле и вследствие этого снижаются температура и концентрация продуктов реакции в струе, что и приводит к уменьшению скорости разрушения стали.
В режиме вытеснения, когда течь находится в области газового пузыря, не происходит разрушения стенки трубки, так как истекающая струя воды (пара) не контактирует с натрием.
Опыты показали [33], что в этом случае температура наружной поверхности трубки в месте попадания струи равна температуре истекающего пара. Для сравнения можно указать, что в режиме протока натрия температура в этом же месте достигала 800 °C.
Для пульсационного режима характерно повышение температуры стенки только в период протока натрия. Кроме того, в пульсационном режиме, вследствие тепловой инерции материала трубки, температура стенки не достигает значений, равных температуре продуктов в факеле реакции. Все это в конечном счете уменьшает среднюю скорость разрушения стали. В работе [33] получено, что она в 3-5 раз меньше скорости разрушения стали при наличии режима протока.
Следует отметить еще одну характерную особенность аварийного режима в канале ОПГ. Как известно, при попадании воды в натрий в нем присутствуют газообразный водород, оксид, гидрид и гидроксид натрия. Замечено [35], что когда значения концентрации гидрида, оксида и гидроксида в потоке натрия превышают соответствующие значения растворимости при температуре, равной температуре стенки, происходит их кристаллизация в виде твердого осадка на внутренней поверхности аварийного канала. Если не успевшие раствориться в натрии капли гидроксида попадают в область температуры ниже 350 °C, то они затвердевают и также осаждаются на стенке.
Описанное выше явление может способствовать гидравлической закупорке дефектной трубки ОПГ и тем самым вызывать самоблокировку аварийного канала.
