Связь аварийных эффектов в натриевом контуре с расходом воды в натрий и скоростью его изменения. Одной из важных задач в решении вопросов безопасности парогенераторов натрий—вода, а также элементов натриевого контура установки является определение их прочностных характеристик, исключающих разуплотнение натриевых коммуникаций в процессе протекания аварии, связанной с поступлением больших расходов воды в натрий (большая течь).
При этом требуемые характеристики системы аварийной защиты парогенератора и прочностные свойства конструкции, тесно связанные между собой и взаимно обусловливающие друг друга, однозначно определяются наибольшим возмущением (течью), заложенным при анализе рассматриваемой аварийной ситуации (максимальная проектная течь).
В настоящее время в мировой практике отсутствуют экспериментальные данные по параметрам разрушения трубок непосредственно в зоне реакции при большой течи, полученные в условиях, близких к натурным. Именно этим и объясняются определенные трудности, возникающие при рассмотрении предельного размера разрушения применительно к конкретной конструкции парогенератора.
При определении степеней предельного разрушения (характера и размера течи) необходимо учитывать два основных фактора: темп увеличения течи; величину конечной течи.
Влияние темпа увеличения течи на динамические процессы в зоне реакции взаимодействия применительно к условиям парогенератора иллюстрируется на рис. 4.11.
Расчетный анализ выполнен с использованием ранее изложенной методики. Каждой кривой, характеризующей изменение давления в зоне реакции (рис. 4.11, а), соответствует свой темп нарастания течи и конечное ее значение (рис. 4.11, б).
Как видно из графиков, максимальное давление в районе большой течи с мгновенным увеличением расхода воды в натрий до конечного значения 5,6 кг/с (кривая 2) практически сравнимо с максимальным давлением, получаемым при увеличении расхода с темпом 56 кг/с2 до уровня 39,2 кг/с (соответствует последовательному разрушению семи теплопередающих трубок с интервалом 0,1 с, кривая 1).
Снижение ускорения течи до 11,2 и далее до 5,6 кг/с2 при том же конечном ее размере резко снижает максимальное давление (кривые 3, 4) по сравнению с рассмотренными выше случаями.
Рис. 4. 11. Изменение давления в зоне большой течи (а) при различных темпах ее нарастания (б)
Из приведенного анализа видно существенное влияние скорости разрушения материала (увеличение течи) на процессы аварийного нагружения конструкции парогенератора, причем эффект от быстрого (мгновенного) увеличения течи до определенной величины может быть сравним с развитием течи до гораздо большего размера, но в более медленном темпе. Следовательно, при расчетном анализе динамических эффектов в натриевом контуре если и выбирать какой-то конечный расход воды в натрий, то выход на это значение следует принимать мгновенным (данное допущение идет в запас расчета).
Поскольку максимальное расчетное давление в зоне реакции зависит не только от скорости разрушения, но и от его значения, то представляет интерес рассмотрение вопроса о размере предельной течи, постулируемой при анализе аварийной ситуации.
Анализ возможности вторичных разрушений при мгновенном и полном разрыве одной из трубок в парогенераторе. Как показывают экспериментальные исследования, если начальный расход воды в натрий измеряется несколькими килограммами в секунду (т.е. имеет место практически полное разрушение трубки), то при отсутствии предварительных вибрационных или коррозионных повреждений материала пучка трубки, попавшие в зону реакции, как правило, не разрушаются по крайней мере в интервале времени, сравнимом с временем действия высоких давлений в зоне реакции.
Можно предположить, что при большом расходе воды в натрий и очень быстрой химической реакции между ними происходит практически мгновенное вытеснение натрия из зоны разрушения. Дальнейшее перемещение границы раздела водород-натрий (вследствие быстрого расширения водородного пузыря) приводит к постоянному смещению зоны реакции. Таким образом, отсутствует локальное воздействие продуктов реакции на материал трубного пучка, по крайней мере, в первые секунды (когда действует высокое давление в водородном пузыре) после возникновения разрушения. Вместе с тем ударных нагрузок с высокой амплитудой и кратковременным воздействием оказывается недостаточно для цепного разрушения трубок.
Однако необходимо отметить, что все перечисленные выше отечественные и зарубежные экспериментальные исследования проводились при значительном, но кратковременном впрыске воды (в течение нескольких секунд), когда в достаточной степени проявлялись гидродинамические явления, а тепловые процессы в силу своей инерционности могли проявиться неполностью. Кроме того, на экспериментальных моделях, как правило, не моделировались условия охлаждения трубного пучка пароводяным потоком, что обязательно для натурных условий работы парогенератора.
Для решения вопроса о влиянии первоначально возникшей большой течи на поведение трубного пучка парогенератора в реальном масштабе времени были выполнены расчетные исследования. Задача сводилась к выяснению влияния температурных факторов на работоспособность теплообменной стенки трубки с учетом нагружения со стороны пароводяного тракта [54].
Как показывают результаты расчета, в условиях замкнутого и расширяющегося объема продуктов реакции и нормального теплообмена с пароводяным контуром среднесмешанная температура продуктов реакции в натурном парогенераторе очень быстро падает, начиная от своего максимального значения, практически до температуры воды, которая растет вследствие теплоотвода из зоны реакции.
Средняя температура стенки трубки возрастает при этом незначительно и обусловливается не только процессами теплообмена, но и сбросом продуктов реакции при нормальном срабатывании системы защиты. При аварийном же сбросе пара и воды из парогенератора (т.е. ухудшении условий теплоотвода из зоны реакции) соответственно уменьшается и расход воды в натрий. Следовательно, в период интенсивного поступления воды в натрий отсутствуют и температурные условия для разрушения соседних трубок.
Таким образом, расчетный анализ влияния скорости развития течи на давление в районе взаимодействия натрия и воды, а также расчетноэкспериментальные исследования возможности вторичных разрушений при разрыве одной из трубок в трубном пучке показывают, что в качестве максимальной проектной течи при анализе аварийных процессов в парогенераторе натрий—вода целесообразно принять полный и мгновенный разрыв только одной трубки.
