Гидродинамические воздействия на оборудование в авариях с разрывами трубопроводов
Настоящая глава книги посвящена рассмотрению специфических процессов, происходящих в реакторных установках в случаях возникновения аварий с разрывами высокоэнергетических трубопроводов. В ней даются описания различных силовых факторов, действующих на оборудование и конструкции РУ, подходы к их расчетным анализам, которые, в свою очередь, являются основой для расчетов формоизменения и прочности элементов оборудования. Изложение материала ограничено рамками оборудования первого и второго контуров РУ для АЭС с реакторами типа ВВЭР, которое является объектом проектирования организацией Главного конструктора РУ, где авторы на протяжении значительного времени занимались разработкой описанных ниже физико-математических расчетных моделей и компьютерных программ, а также расчетами в обоснование многих проектов АЭС с ВВЭР.
Представленный материал предназначен для ознакомления с этой областью расчетных анализов специалистов, работающих в области проектирования и эксплуатации АЭС, в том числе специалистов, не занимающихся непосредственно такими анализами.
4.1 ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПО РАСЧЕТАМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
В расчетном обосновании проекта АЭС проводятся анализы динамических нагрузок на оборудование и конструкции различных систем АЭС для эксплуатационных условий, а также для условий возможных аварий. Результаты анализов используются в проектах РУ и в обосновании безопасности АЭС. В этой главе освещаются некоторые проблемы, связанные с гидродинамическими воздействиями при возможных авариях, обусловленных такими внутренними событиями, как разрывы высокоэнергетических трубопроводов, содержащих теплоноситель (вода, пар) при высоких параметрах. К ним, прежде всего, относятся трубопроводы первого и второго контуров РУ.
С позиций безопасности расчетные анализы динамических нагрузок на оборудование и конструкции (далее - оборудование) при разрывах трубопроводов проводятся для выбора проектно-конструкторских решений и доказательства сохранения функций систем РУ, включая специальные системы безопасности, и преодоления опасных воздействий возникающих силовых факторов на РУ. При этом мерой этого преодоления является соответствие характеристик РУ критериям безопасности, приведенным в нормативных документах [2, 4]. Основными критериями здесь являются:
- возможность прекращения ядерной реакции в активной зоне реактора при аварии, что требует безотказной работы системы управления и защиты (СУЗ) реактора, в том числе беспрепятственного ввода стержней, поглощающих нейтроны, а также другого поглотителя (например, борированной воды);
- охлаждение активной зоны реактора, в том числе от специальной системы безопасности (емкости с теплоносителем высокого и низкого давления и другое оборудование), при этом оборудование не должно утратить свои функции от возможных деформаций его элементов при воздействии динамических нагрузок от разрыва трубопровода;
- возможность демонтажа и выгрузки активной зоны реактора после аварии с разрывом трубопровода, для чего конструкции реактора также не должны деформироваться в такой степени, чтобы помешать этому.
Анализы гидродинамических нагрузок используются затем в расчетах формоизменения и прочности с целью определения состояния оборудования и систем РУ, в том числе систем безопасности, и в конечном результате - обоснования безопасности РУ в целом.
В область рассматриваемых в этой главе вопросов входят процессы, характеризующиеся весьма высокими значениями амплитуд и скоростей изменения определяющих параметров теплоносителя и механических усилий на элементы оборудования. Эти значения могут достигать десятков мегапаскалей давления и меганьютонов силы, воздействующих на оборудование в течение коротких интервалов времени - от секунд до сотых и менее долей секунды. Такие нагрузки зачастую носят ударный характер. Ряд из рассматриваемых процессов имеет нестационарную волновую природу с неравномерным распространением возмущений в пространстве.
Это обусловливает значительные трудности в расчетном моделировании процессов, являющемся основным методом их изучения, и требует применения мощной вычислительной техники и соответствующих программ. Кроме того, необходимо также проводить экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности компьютерных программ, т.е. проведения верификации программ. Исследования связаны с различными проблемами, с одной стороны, из-за сложного характера процессов, что требует создания и применения соответственно сложных экспериментальных установок и систем измерения параметров с весьма высоким разрешением, а с другой стороны - по причине высокой стоимости и трудозатрат для их создания и проведения исследовательских работ. Эти обстоятельства принуждают искать методы и способы экспериментального исследования процессов на маломасштабных установках, что, в свою очередь, порождает свои специфические трудности и в отдельных случаях даже делает невозможными эксперименты, например по условиям приемлемого моделирования процессов. Таким образом, в целом достоверное определение характеристик рассматриваемых процессов представляет собой сложную проблему.
Расчетное моделирование динамических воздействий на оборудование АЭС сопряжено с рядом неопределенностей в математическом описании физических процессов. Поэтому в расчетные модели необходимо вводить упрощения на основе соответствующей идеализации процессов по консервативному принципу, принятому в нормах по проектированию РУ. Этот принцип заключается в том, что для преодоления неопределенности и достижения однозначности в решении задачи принимаются такие выражения и величины, которые соответствуют самым неблагоприятным случаям относительно выбранных критериев. Например, в силу неопределенности во времени протекания процесса разрыва трубопровода принимается, что это событие происходит мгновенно, т.е. математически - за нулевой интервал времени. Подобных неопределенностей в решении данных задач много, и соответственно для каждой из них принимаются свои консервативные допущения или условия, однозначно выражаемые в физико-математических моделях рассматриваемых процессов.
Расчетные анализы рассматриваемых здесь динамических воздействий строятся на предварительном постулировании и определении мест и характера разрывов трубопроводов на основе логического анализа возможности таких событий, а также расчетного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводов. Например, это может относиться к местам присоединения трубопроводов к основному оборудованию (реактору, парогенератору и т.д.), гибам трубопроводов, местам сопряжения с опорными узлами и т.д. При определении характера разрывов рассматриваются обычно поперечные разрывы трубопроводов с разведением концов трубопровода на определенные расстояния вдоль оси и с образованием «веерной» струи либо так называемые «гильотинные разрывы» с разведением концов в поперечном направлении. Выбор этих расстояний является важной и ответственной процедурой, значительно влияющей на величины определяемых затем динамических воздействий. Осуществляется он по консервативному методу, о котором упомянуто выше, либо, если этот метод не удовлетворяет выбранным критериям, на основе специального анализа НДС трубопровода и его опор.
При разрывах трубопроводов в результате механического силового воздействия могут возникать деформации оборудования и его разрушение, в том числе вызывающие вторичные («наведенные») разрушения каких-либо элементов.
В последующих подразделах рассматриваются процессы в РУ, обусловленные разрывами трубопроводов первого и второго контуров и вызывающие гидродинамические воздействия на оборудование и конструкции. Характеристики этих воздействий, определяемые с помощью соответствующих методик и компьютерных программ, используются затем в качестве исходных данных для расчетных анализов НДС рассматриваемых в проектах оборудования и конструкций.
