Обоснование теплогидравлических характеристик ВВЭР - Нестационарные режимы для обоснования циклической прочности оборудования

3.9 НЕСТАЦИОНАРНЫЕ РЕЖИМЫ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ

3.9.1 Режимы и явления, приводящие к силовому и температурному нагружению оборудования

В природе не существует абсолютных стационарных режимов, в которых все параметры, влияющие на процессы развития режимов и/или состояния (свойства теплоносителя, конструкций), неизменны во времени.
Обычно в ядерной энергетической установке к стационарным относятся режимы с постоянной энергетической нагрузкой и колебаниями термодинамических параметров в пределах разрешенной динамической погрешности процесса ручного или автоматического управления.
Переход от одного стационарного состояния к другому РУ совершается посредством переходного процесса (динамического режима), в котором возникают различные дополнительные силовые и температурные нагружения узлов оборудования как за счет изменения давления теплоносителя, так и за счет температурных деформаций. При заметном количестве переходных процессов создаются соответствующие циклические нагружения узлов оборудования, влияющие на их повреждаемость*. Поэтому при расчете ресурса оборудования по накоплению повреждаемости эти циклические нагружения необходимо учитывать.
* Повреждаемость: отношение количества накопленных узлом конструкции циклов нагружения к числу циклов, разрушающих узел (при соответствующих параметрах).
Помимо переходных контурных режимов, имеющих место в нормальных, с нарушением в работе оборудования и в аварийных режимах, имеют место динамические процессы в стационарных режимах работы РУ, вносящие существенный, во многих случаях определяющий вклад в накопление повреждаемости узлов оборудования и снижение их надежности и безопасности РУ в целом.
Возмущения, наносимые реакторной установке в стационарных режимах, могут иметь различную природу и значимость. Это:

1. перерегулирование и колебания параметров в системах управления;
2. гидродинамическая неустойчивость в отдельных узлах;
3. кавитация, эрозия по тракту теплоносителя;
4. схема или компоновка оборудования, создающая возможность стратификации потоков по температуре, возможность скопления газов, застойных зон;
5. наводороживание металла;
6. вибрация элементов РУ;
7. гидравлические удары;
8. неустойчивость зоны кипения;
9. зоны ухудшенного теплообмена;
10. другие динамические локальные процессы и микропроцессы.

Некоторые из этих процессов влияют на величину амплитуды и частоту волн деформации узлов оборудования, в частности на изменение структуры металла, охрупчивание, накопление повреждаемости и т.д.
Все перечисленные динамические локальные и микропроцессы должны быть рассчитаны теоретически, по результатам приняты защитные меры, при необходимости проведены экспериментальные работы и проверка на натурных установках в период пусконаладочных работ и в процессе эксплуатации.
К силовому нагружению элементов и оборудования РУ приводят режимы, в которых происходит повышение или снижение давления в первом или во втором контуре. К температурному нагружению элементов и оборудования РУ приводят режимы, в которых происходит повышение или снижение температуры среды в первом либо во втором контуре. Как правило, в нестационарных режимах одновременно происходит силовое и температурное нагружение элементов и оборудования РУ. Причинами возникновения нестационарных режимов могут быть также:

1. отказы в электроснабжении элементов и оборудования РУ от внешних источников электрической энергии;
2. отказы в работе штатного оборудования РУ;
3. короткие замыкания в цепях энергоснабжения;
4. ранний износ или повышенная коррозионная изношенность отдельных узлов, элементов или оборудования;
5. отказы измерительных приборов, задействованных на формирование команд и их передачу на исполнительные органы различного оборудования;
6. человеческий фактор - ошибки оперативного персонала при производстве штатного управления системами и оборудованием.

3.9.2 СПЕЦИФИКА НАЧАЛЬНЫХ И ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА

Проектом предусмотрено определенное количество циклов возникновения конкретного нестационарного режима за срок службы РУ. Температурное и силовое нагружения элементов конструкции РУ зависят от величины амплитуды изменяющихся параметров среды первого и второго контуров в конкретном нестационарном режиме, от условий на границе раздела между теплоносителем и элементом конструкции РУ (граничные условия) и исходных величин параметров среды первого и второго контуров. Точное знание величины исходных параметров среды первого и второго контуров невозможно, так как проектом РУ им определен диапазон регулирования, а также из- за погрешности измерения контролируемых параметров измерительными приборами. Погрешность измерительных приборов определяется допусками этих приборов на измеряемые параметры. Учесть в расчетном режиме все многообразие влияющих факторов на протекание расчетного нестационарного режима практически невозможно. Поэтому в каждом конкретном нестационарном режиме необходимо анализировать условия, упрощающие расчетный режим, которые не снижают достоверности рассчитываемых параметров, но и не являются излишне консервативными. Одним из упрощенных расчетных путей могут быть условия, когда величины исходных параметров среды первого и второго контуров в нестационарном режиме можно принять равными проектным расчетным значениям стационарного режима без их отклонения в диапазоне регулирования. Но такой прием для значительного количества режимов неприемлем. Незначительное отклонение какого-либо параметра в сторону его повышения или понижения в отдельных экстремальных точках (экстремумы параметров) их изменения может кардинально изменять дальнейшее протекание режима. Например, в ряде режимов не годится использование максимальных значений всех параметров РУ с учетом их погрешности измерения и отклонения в результате их регулирования. В таких случаях снижение параметра, отвечающего за включение в работу другого оборудования или системы РУ, может не достигнуть величины, при которой должно произойти его включение (блокировка включения конкретного оборудования или систем). Включение же этого оборудования или систем может существенно повлиять отрицательным образом на циклическое нагружение всех или части узлов конструкции РУ. Поэтому в каждом конкретном расчетном нестационарном режиме изыскивается наиболее оптимальный вариант начальных и граничных условий для его анализа. Такой подход во многих случаях снижает степень консерватизма, но не искажает достоверность расчетных режимов требованиям анализа прочности при циклическом нагружении конструкционных узлов и элементов РУ температурными и силовыми воздействиями.

3.9.3 НЕКОТОРЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ

При работе РУ на мощности возникают локальные изменения параметров в различных ее узлах и элементах. Это связано как с конструктивными особенностями узлов, так и с фундаментальными физическими процессами, присущими только реакторам типа ВВЭР. Зонами локального изменения параметров РУ могут быть:

1. максимально энергонапряженный канал активной зоны;
2. застойные зоны теплоносителя в корпусе реактора выше его выходных патрубков и в объемах коллекторов парогенераторов по первому контуру, расположенных выше трубного пучка;
3. сектор захолаживания активной зоны при подаче холодной воды в реактор через одну-две циркуляционные петли;
4. узлы, контактирующие со средой, значительно отличающейся по своим параметрам от аналогичных параметров теплоносителя РУ (например, патрубки и штуцеры подачи холодной воды в элементах первого контура).

Рассмотрим влияние локальных параметров на температурное и силовое нагружения узлов и оборудования РУ для анализа обоснования их циклической прочности.
Максимально энергонапряженный канал не оказывает влияния на циклическую прочность узлов и оборудования РУ. Это обусловлено следующими причинами. Число каналов с максимальной энергонапряженностью твэлов составляет незначительную часть по отношению к общему их количеству в активной зоне. Несмотря на то, что подогрев теплоносителя в таких каналах выше, чем в каналах с меньшим энерговыделением, поток его при выходе из канала перемешивается с теплоносителем менее энергонапряженных каналов. Температурное поле перемешанного теплоносителя выравнивается. При дальнейшем продвижении такого теплоносителя по контуру циркуляции его температурное воздействие на все узлы конструкции первого контура будет одинаковым.
Теплоноситель, занимающий объем выше верхних патрубков корпуса реактора, не участвует в принудительной циркуляции по первому контуру, образуя застойную зону. Прогрев и охлаждение его возможны естественной циркуляцией, которая в этом объеме затруднена, и частично теплопроводностью. Этот фактор учитывается для узлов корпуса реактора, расположенных в этой зоне. При расхолаживании РУ в нестационарных режимах предусмотрен слив теплоносителя этого объема по линии газоудаления. Аналогичный теплогидравлический процесс происходит в объемах коллекторов парогенераторов по первому контуру. В РУ В-1000 для них также предусмотрена система газоудаления, по которой можно сливать теплоноситель первого контура, увеличивая охлаждение этих объемов коллекторов. Однако застойные объемы коллекторов в большинстве нестационарных режимов могут успешно охлаждаться паровой либо пароводяной фазами котловой воды парогенераторов.
В нестационарных режимах предусмотрены системы и оборудование, которые подают холодную воду в разные точки первого контура. Например, холодная вода может подаваться в одну-две петли в точках, расположенных перед всасом теплоносителя в ГЦН. Температура подаваемой холодной воды может значительно отличаться от температуры теплоносителя и поверхности металла в узлах ее поступления в первый контур. В таком случае возникает значительный градиент температуры в местах контакта холодной воды с конструкционными материалами узлов первого контура. Этот фактор также учитывается при расчете температурных условий таких конструкций.
В режимах с работающими ГЦН холодная вода, поступающая в холодные нитки циркуляционных петель от соответствующих систем, полностью перемешивается и поступает в опускной участок корпуса реактора со среднесмешанной температурой. Этот поток теплоносителя частично перемешивается с теплоносителем, поступающим из других циркуляционных петель в опускной участок. Несмотря на это, полного выравнивания температуры теплоносителя на входе в каналы активной зоны может не произойти. Если реактор работает на мощности, то поступающий на вход в каналы теплоноситель с пониженным значением температуры вызывает повышение его локальной мощности в секторе захолаживания активной зоны из-за влияния коэффициентов реактивности по плотности и температуре теплоносителя. Увеличивается и полная мощность реактора. В расчетах нестационарных режимов с работающими ГЦН влияние холодной воды, поступающей в первый контур, не является сколько-нибудь значительным из-за относительно малых ее расходов, отчего по этой причине не происходит сколько-нибудь заметного повышения мощности реактора. Следовательно, все параметры среды первого и второго контуров «не чувствуют» воздействия поступающей в первый контур холодной воды.
В режимах с остановленным ГЦН, когда РУ работает на естественной циркуляции, холодная вода может совсем не перемешиваться с теплоносителем петли. Поступая холодной струей в опускной участок корпуса реактора, она частично перемешивается с теплоносителем, поступающим из других петель. Такое перемешивание будет меньше, чем при работе ГЦН. Поскольку при отключенных ГЦН реактор должен находиться в подкритическом состоянии, то повышения мощности реактора может не произойти. Поэтому такая ситуация не повлияет на температурный режим теплоносителя в активной зоне. Более «холодный» теплоноситель сектора активной зоны, пройдя через каналы, смешается с теплоносителем других каналов активной зоны, и его температурное поле выровняется. Дальнейшее воздействие такого теплоносителя на узлы и оборудование по контуру циркуляции будет одинаковым.
Однако вялая естественная циркуляция может привести к скоплению холодной воды в некотором локальном месте. При включении ГЦН холодный «снаряд» может внести недопустимый положительный вклад в реактивность активной зоны.
Так же как и другие динамические локальные задачи, задача воздействия холодной струи на металл циркуляционной петли и опускного участка корпуса реактора должна решаться подробно и отдельно от контурных задач с использованием из них необходимых граничных условий.

3.9.4 Типичный спектр нестационарных режимов

Для обоснования циклической прочности оборудования РУ проектом предусматривается спектр нестационарных режимов, который содержит перечень нормальных условий эксплуатации, нарушения нормальных условий эксплуатации и аварийных ситуаций. В табл. 3.12—3.14 приведен перечень типичного спектра режимов для РУ ВВЭР-440. В табл. 3.15-3.17 приведен перечень типичного спектра режимов для РУ ВВЭР-1000.

Таблица 3.12. Нормальные условия эксплуатации (ВВЭР-440)

Примечания:
холодное состояние - реактор подкритичен, температура теплоносителя в первом контуре в интервале 90-70 С;
полугорячее состояние - реактор подкритичен не менее 1%, температура теплоносителя в первом контуре в интервале ниже 255 °C - выше 70 °C;
горячее состояние - реактор находится в критическом состоянии на МКУ мощности или подкритичен не менее 1%, температура теплоносителя в первом контуре 255-268 °C, давление в первом контуре 12,26±0,2 МПа;
перечень расчетных режимов может меняться в зависимости от требований проекта РУ.

Таблица 3.13. Нарушение нормальных условий эксплуатации (ВВЭР-440)

Таблица 3.14. Аварийные ситуации (ВВЭР-440)

Таблица 3.16. Нарушение нормальных условий эксплуатации (ВВЭР-1000)