Глава 4
ПРОЦЕССЫ В ПАРОГЕНЕРАТОРАХ ПРИ БОЛЬШИХ ТЕЧАХ
Основные особенности экспериментальных исследований
Как было указано выше, реакция первого порядка взаимодействия натрия с водой с образованием гидроксида натрия и газообразного водорода завершается практически мгновенно и определяется массовым расходом поступления одного реагента в другой. При значительных разрушениях теплопередающих трубок парогенератора и связанным с этим истечением большого количества воды в натрий в объеме теплоносителя могут возникнуть довольно высокие давление и температура. Как показывают расчетные оценки (см. гл. 2), соотношения освобождающегося объема при химическом взаимодействии реагентов, количества продуктов реакции, их теплоемкости и теплового эффекта реакции таковы, что в определенных условиях возможна реализация процесса с параметрами в зоне реакции в несколько сот атмосфер и температурой, превышающей 1500 °C. В связи с этим знание основных особенностей эффектов, сопровождающих течи с большими расходами воды в натрий в условиях парогенератора, возможностей и способов ограничения последствий этих эффектов в допустимых пределах является принципиальным при создании конструкции, допускающей разгерметизацию теплообменных поверхностей с последующим контактом теплоносителя и рабочего тела (одностенные конструкции).
Первые экспериментальные исследования эффектов, сопровождающих аварийный контакт натрия и воды в условиях циркуляционных контуров, были проведены в конце 50-х - начале 60-х годов. Вслед за изучением самых общих явлений в открытых и закрытых объемах перешли к экспериментам на моделях предполагаемых к разработке парогенераторов. Обычно опыты проводились на трубных пучках из штатного материала с наиболее распространенными шагом трубок, их диаметром, толщиной стенки трубок, способами их крепления.
В связи с отсутствием возможностей для проведения экспериментов в натурных условиях, изучение аварийных процессов осуществляется на специальных стендах с объемом по натриевому контуру до 50 м3. При этом нельзя делать прямой перенос получаемых экспериментальных результатов на полномасштабный объект. Поэтому, помимо испытания на прочность элементов конструкции моделей в аварийных условиях, полученные опытные данные используют для создания физической картины процесса, разработки методов расчета основных параметров натриевого контура в аварийном режиме и проверки расчетных методик. С помощью последних уже можно исследовать аварийные ситуации в реальных установках.
Эксперименты проводятся на моделях как испарительных участков парогенератора, так и перегревательных, Массовые расходы воды в натрий в опытах подбираются равными расходам в натурных объектах при одинаковых размерах повреждения теплообменных трубок.
При подобных течах и сравнительно небольших размерах экспериментальных контуров элементы конструкций стендов подвергаются заведомо большим динамическим и температурным воздействиям по сравнению с аналогичной аварийной ситуацией на реальном объекте. Как правило, допустимые нормы загрязнения теплоносителя ограничивают интегральный объем вводимой в натрий воды. Поэтому при достаточно большом массовом расходе воды в натрий и ограниченном времени впрыска проводятся специальные исследования по определению взаимосвязи между длительностью истечения и характером изменения основных параметров процесса. На основании полученных экспериментальных и теоретических результатов формируется представление о максимальной проектной течи, которое затем и используется при анализе предельной аварийной ситуации в парогенераторе и натриевом контуре, связанной с разгерметизацией теплообменных поверхностей.
Одним из первых экспериментальных исследований больших течей была серия опытов, проведенных в США в обоснование проекта парогенератора АЭС ’’Энрико Ферми” [37]. Дальнейшее развитие эти работы получили в США после аварии на парогенераторе этой станции. Фирмы ’’Detroit Edison Со” и ’’Babcok and Wilcox” (США) провели значительный объем работ по исследованию основных эффектов, сопровождающих большие разрушения теплообменных поверхностей [38,39].
При обосновании конструкции парогенератора установки PFR (Великобритания) была проведена серия опытов на модели в масштабе 1:6 к натурному аппарату. Эксперименты проводились на неподвижном натрии [40].
В исследовательском центре Кадараш (Франция) были проведены исследования, сопровождающие большие течи, применительно к парогенератору установки ’’Феникс”. Опыты осуществлялись на модели, состоявшей из двух коаксиальных труб [41].
Зарубежное исследования по большим течам, проведенные позднее, имели своей целью выяснение масштабного фактора (использование более крупных моделей), а также экспериментальную проверку разработанных расчетных программ. К таким работам можно отнести работы в США, выполнение по программе LLTR, исследования в Даунри (Великобритания) по программе Super-No АН, работы в Кадараше (Франция) в обоснование основных технических решений по проекту ’’Супер-Феникс”, японские исследования по парогенератору АЭС ’’Монжю” [42].
В СССР исследования по большим течам проводились в обоснование парогенераторов АЭС БОР-60, БН-350 и БН-600. В результате экспериментов были определены характер изменения давления и температуры в зоне реакции, гидродинамические явления в натриевом контуре, а также характер деформации конструкционных элементов, выявлены способы ограничения аварийных параметров в допустимых пределах [21, 43].
