Во введении уже говорилось, что в качестве МПА в быстром реакторе рассматривают независимо друг от друга одну из двух аварий: блокировку проходного сечения для натрия в одной из ТВС с последующим кипением теплоносителя, плавлением топлива в ней и распространением повреждений на один ряд окружающих сборок или разрыв трубопровода первого контура, не имеющего страховочного кожуха. Вторая авария (течь радиоактивного теплоносителя) фактически не требует анализа какого- либо переходного процесса в реакторе и контурах. Расчетные исследования в этом случае включают в себя определение количества вылившегося натрия от возникновения течи до ее обнаружения и закрытия запорной арматуры, которой снабжаются все трубопроводы первого контура на выходе из участков, снабженных страховочными кожухами. Далее рассчитываются процессы горения натрия в боксах и распространения аэрозолей, количество радиоактивных продуктов, попадающих в различные помещения первого контура и в атмосферу. Такие процессы здесь не рассматриваются. Отметим лишь, что во всех возможных случаях утечки аэрозолей в обслуживаемые помещения и атмосферу ограничиваются значениями, значительно меньшими допустимых.
В соответствии с требованиями ОПБ-82 на основе изучения МПА в проекте реактора необходимо предусмотреть меры, обеспечивающие его безопасность в такой ситуации. Это означает, что необходимо разработать средства для обнаружения повреждения и предупреждения его распространения более чем на один ряд ТВС, окружающих аварийную сборку. Для решения этой задачи необходимо исследовать физику процессов кипения натрия, плавления топлива, возможных повреждений шестигранных чехлов ТВС, определить минимальное время распространения аварии от сборки к сборке. Это минимальное время является основным ориентиром при проектировании системы контроля состояния ТВС, обнаружения локальной аварии в активной зоне реактора и его своевременной остановки.
Нужно подчеркнуть, что МПА, связанная с плавлением ТВС быстрого реактора, постулируется ОПБ-82 вне связи с какими-либо исходными событиями. В качестве предполагаемых причин блокировки проходного сечения ТВС называются распухание стали, осаждение примесей из натрия, попадание в теплоноситель посторонних предметов. Анализ показывает чрезвычайно низкую вероятность опасных нарушений охлаждения ТВС по этим причинам. Подвод теплоносителя к ТВС и отвод его от сборки производятся через большое число отверстий на боковых поверхностях хвостовиков. Одновременное перекрытие всех этих отверстий каким- либо предметом практически невозможно.
Вместе с тем блокировка даже 50 % проходного сечения за пределом топливной части ТВС неопасна: она приводит к снижению расхода теплоносителя лишь на 10% исходного. Забивание отдельных ячеек между твэлами также не приводит к тяжелым последствиям.
За препятствием возникает застойная зона с рециркуляцией теплоносителя. Температура в этой зоне повышается, при больших размерах блокировки может возникнуть местное кипение. Проводились расчеты кипения натрия в ТВС при перекрытии 50 % ее проходного сечения в пределах топливной части с исходным перегревом 85 °C, возможным для натрия по экспериментальным данным. Расчеты показали, что время жизни паровых пузырей, возникающих за блокировкой и конденсирующихся при выносе в более холодную часть ТВС, составляет 0,1 с. При этом полного осушения твэлов не происходит, на их поверхности не успевает высыхать пленка теплоносителя. Живучесть твэлов в таких условиях может быть очень большой. Например, в экспериментах на реакторе DFR (Великобритания) твэлы работали при кипении теплоносителя в течение нескольких часов. Конечно, при продолжительном перегреве твэлов возможна их разгерметизация с выбросом в теплоноситель газообразных продуктов деления. Поскольку объем этих продуктов в конце кампании велик, то предполагали, что выход их в пространство между твэлами может привести к нарушению охлаждения и дополнительному перегреву топливных элементов. В связи с этим исследовались последствия различных разрывов оболочек твэлов. Наиболее неблагоприятными оказались промежуточные по размерам разрывы оболочек с достаточно длительным истечением газа. Но даже в таких случаях перегревы оболочек не превышают несколько десятков градусов, не возникает лавинообразного разрушения твэлов. Разгерметизация оболочек в таких случаях, согласно полученным данным, развивается медленно и может быть обнаружена по повышению радиоактивности в газовой полости реактора, а на более поздней стадии — по появлению запаздывающих нейтронов в теплоносителе.
Кипение натрия по всему сечению ТВС возможно при снижении его расхода через сборку более чем в 2 раза из-за перекрытия большей части проходного сечения. Дальнейшее развитие аварии после возникновения кипения в значительной мере зависит от его устойчивости. Об устойчивости кипения, как известно, можно судить по расположению рабочей точки на кривой зависимости гидравлического сопротивления сборки от расхода теплоносителя (рис. 67). Если рабочая точка расположена на восходящей ветви характеристики, то процесс кипения устойчив; в том же случае, когда сопротивление в окрестности рабочей точки растет со снижением расхода, кипение неустойчиво. При этом оно сопровождается пульсациями давления и расхода, периодическими выбросами натрия из ТВС. Приближенный критерий устойчивости кипения теплоносителя в ТВС можно записать следующим образом:
(236)
где WNa - скорость натрия на входе в активную зону в режиме закипания.
Рис. 67. Гидравлическая характеристика ТВС в режиме кипения натрия в ней:
1 - участок устойчивого кипения; 2- участок неустойчивого кипения; 0Н - температура кипения; Т - температура натрия на входе в реактор; СNa - удельная теплоемкость натрия; rNa - удельная теплота парообразования; γ - отношение плотности жидкого натрия к плотности пара на линии насыщения; ΔΡ0 - гидравлическое сопротивление активной зоны.
Расчетные оценки для существующих реакторов показывают, что кипение натрия в их ТВС чаще всего будет носить неустойчивый характер. Режим устойчивого кипения в соответствии с условием (236) возможен тогда, когда он возникает при значительном повышении температуры натрия на входе в реактор. При локальной же аварии в ТВС, когда параметры реактора в целом не возмущаются, перепад давления на ТВС оказывается недостаточным для обеспечения устойчивости кипения. Отчасти это объясняется низкой плотностью натриевого пара. Для натрия при давлении, близком к атмосферному, γ=1500 2000, тогда как для воды при тех же условиях γ=1200. Таким образом, при значительных блокировках проходного сечения натрий закипает и выбрасывается из ТВС. Нарушение охлаждения твэлов приводит к дальнейшему росту их температуры и расплавлению топлива. Расплавленное топливо попадает в теплоноситель, который в режиме неустойчивого кипения может периодически заполнять сборку.
В дальнейшем анализе необходимо учитывать тепловое взаимодействие между расплавленным топливом и натрием. Импульсы давления, сопровождающие это взаимодействие, могут привести к дополнительному повреждению аварийной ТВС и соседней с ней сборки. Расплавленное топливо при попадании в натрий дробится на мелкие частички - диспергируется. Дробление осуществляется под действием сил поверхностного натяжения и инерциальных нагрузок, возникающих при значительных градиентах давления в зоне взаимодействия топлива и теплоносителя. Чем интенсивнее диспергируется топливо, т.е. чем мельче возникающие в этом процессе частички, тем быстрее они отдают тепло теплоносителю и тем больше возникающие при этом импульсы давления. Коэффициент преобразования тепла, переданного теплоносителю, в механическую энергию также зависит от скорости этого процесса. При очень быстрой передаче тепла масса теплоносителя, окружающего зону взаимодействия, не успевает перемещаться, и в начальные доли секунды процесс идет при неизменном объеме этой зоны. При этом рост давления в ней определяется термическим коэффициентом давления.
Если в зоне взаимодействия находится лишь натрий и топливо, то указанный термический коэффициент давления должен быть отнесен главным образом к натрию Расчет показывает, что изменение объема топлива мало сказывается на давлении. Термический коэффициент давления для жидкого натрия при температуре около 1000 °C составляет 0,7-0,9 МПа °С. Поэтому до вторичного закипания натрия из-за взаимодействия его с расплавленным топливом можно ожидать значительных всплесков давления. Температура натрия в этом процессе может увеличиваться на несколько сот градусов, а давление - на несколько десятков мегапаскалей. Но эта оценка предельная. На самом деле давление не может достигать таких значений по двум обстоятельствам. Во-первых, процесс передачи тепла от частичек топлива к теплоносителю нельзя считать мгновенным. Эксперименты показывают, что процесс диспергирования топлива приводит к образованию частиц со средним размером до 0,3-0,5 мм. Такие частицы даже при идеальной теплоотдаче к натрию имеют постоянные времени 0,01-0,07 с. Образование паровой пленки натрия на поверхности частиц увеличивает время их охлаждения. Даже указанного времени достаточно для деформации, перемещения натрия, окружающего зону взаимодействия. Поэтому этот процесс существенно снижает пики давления в ней. Во-вторых, в зоне взаимодействия натрия с теплоносителем практически неизбежно присутствие газообразных продуктов деления, натриевого пара. Газообразные продукты деления вырываются из поврежденных твэлов вместе с расплавленным топливом, пар остается при неполном заполении ТВС натрием, возвращающимся в нее, пар также возникает при вторичном закипании натрия в зоне взаимодействия. Газ и пар существенно снижают термический коэффициент давления для этой зоны.
Если в зоне взаимодействия находятся натрий, расплавленное топливо и газ, причем температура газа и объем топлива не изменяются, то производная от давления в ней по температуре натрия, т.е. приведенный термический коэффициент давления для этой зоны,
где aNa — коэффициент теплового расширения натрия; 0иа, βΓ - коэффициенты изотермической сжимаемости натрия и газа соответственно; ег - объемная доля газа в зоне взаимодействия. Коэффициент изотермической сжимаемости для жидкого натрия
,
для газа
. Отсюда видно, что если объемная доля газа в зоне взаимодействия составляет всего лишь несколько процентов, то термический коэффициент давления снижается на порядки. Иными словами, рост объема жидкого натрия при повышении его температуры компенсируется сжатием газа без большого повышения давления. Понятно, что рост давления в зоне взаимодействия зависит также от количества расплавившегося топлива, от соотношения масс обменивающихся теплом топлива и теплоносителя.
Рис. 68. Расплавление одного твэла на участке длиной 1 см и попадание расплавленного топлива в натрий:
а, в - давление в зоне взаимодействия; б, г - прогиб чехла ТВС; 1,2 - мгновенное диспергирование топлива в натрии; 3 - время диспергирования топлива в жидком натрии 0,005 с; 1,3- выброс топлива в жидкий натрий; 2 - выброс топлива в кипящий натрий
Для иллюстрации влияния перечисленных факторов на характеристики процесса приведем некоторые результаты его расчета. На рис. 68 показаны изменения параметров зоны взаимодействия топлива с натрием при расплавлении одного твэла на длине 1 см. При отсутствии газа и пара в этой зоне и при мгновенном перемешивании топлива с жидким натрием максимум первого пика давления в зоне достигает 7,5 МПа, ширина пика 0,5-10-4 с. Стенка шестигранной трубы ТВС при этом не разрушается. Если расплавленное топливо из твэла попадает в кипящий натрий, то максимальное давление в импульсе по указанным выше причинам значительно ниже, чем в предыдущем случае. Оно достигает лишь 0,7 МПа.
На значение импульсов давления при тепловом взаимодействии расплавленного топлива с теплоносителем значительное влияние оказывает растянутость во времени процессов их перемешивания, диспергирования топлива. Поскольку ширина импульсов давления очень мала, даже небольшой (в пределах сотых долей секунды) сдвиг во времени процессов для разных участков твэлов и ТВС существенно снижает величину этих импульсов. Расчет с учетом всех перечисленных факторов показывает, что чехол ТВС не разрушается из-за импульсов давления даже в том случае, если топливо в ТВС плавится на половине сечения сборки.
При одновременном расплавлении топлива по всему сечению ТВС ее шестигранный чехол разрушается. Однако такое плавление происходит при чрезвычайно маловероятной блокировке расхода натрия через всю сборку. Эта авария рассматривается для выявления предельных характеристик процесса, необходимых для разработки средств обнаружения локальной аварии в активной зоне реактора и соответствующих устройств АЗ. Результаты расчета процесса кипения натрия в ТВС при мгновенном прекращении расхода натрия через нее представлены на рис. 69. Кипение натрия начинается через 0,55 с на выходе из активной зоны, полное опустошение ТВС происходит за 0,35 с. Теплоотвод с поверхности твэлов прекращается после испарения пленки теплоносителя на их поверхности. В самых горячих точках активной зоны это происходит через 0,3-0,4 с после закипания. Когда пленка натрия высыхает на значительной длине твэлов, количество пара и тепла, поступающего в паровой пузырь, сокращается и начинается возврат натрия в ТВС.
Полного заполнения сборки натрием при этом может и не произойти. В центральной ее части, по-видимому, сохранится сухой участок, на котором будет продолжаться рост температуры с последующим плавлением топлива. Полное расплавление топлива в самом опасном сечении произойдет через 5-6 с. Оно может вызвать дальнейшее нарушение охлаждения твэлов, после чего за 1 с плавление распространится по всей их высоте. Плавление топлива может повлечь за собой расплавление или разрушение чехла ТВС. По расчету в наихудших условиях проплавление чехла сборки происходит за 8 с. После этого расплавленное топливо может попасть на чехол сборки, соседствующей с аварийной. Если просуммировать продолжительности перечисленных стадий аварий от момента закупорки сборки до возможного выхода расплавленного топлива из аварийной ТВС, то можно получить значение, равное 15 с.
Рис. 69. Кипение натрия в ТВС:
1 - границы пузыря; 2 - температура натрия в пузыре
Этот интервал времени и является ориентиром при определении необходимого быстродействия систем контроля и каналов АЗ, действующих при локальной аварии в активной зоне реактора. Обнаружение этой аварии может проводиться с помощью традиционных средств - расходомеров и температурных датчиков. Однако, как уже говорилось, отечественные быстрые реакторы по соображениям упрощения конструкции пока не оснащаются такими средствами для контроля всех ТВС. Разгерметизация и разрушение твэлов могут быть обнаружены системой контроля герметичности оболочек (КТО) по повышению радиоактивности в газовой полости реактора и по появлению источников запаздывающих нейтронов - продуктов деления в теплоносителе. Приведенное время распространения аварии получено для предельного и чрезвычайно маловероятного случая мгновенной закупорки ТВС. Практически же можно рассматривать медленно развивающиеся ее повреждения.
Большие надежды возлагаются на системы обнаружения локальной аварии в ТВС, построенные на анализе нейтронных и акустических шумов в реакторе, баланса реактивности. Закипание натрия в активной зоне реактора вызывает изменения в высокочастотной области спектра акустических шумов (10-200 кГц) и в низкочастотной области нейтронных шумов.
При контроле активной зоны по балансу реактивности учитываются компоненты реактивности, связанные с изменениями температуры в активной зоне из-за отклонений от начальных значений мощности реактора. расхода и входной температуры теплоносителя, гидродинамические эффекты реактивности, эффекты, обусловленные перемещениями управляющих органов и выгоранием топлива. Сумма всех компонент, вычисляемая устройством контроля, постоянно сравнивается с фактической реактивностью. Несовпадение этих величин свидетельствует о появлении аномальных компонент, которые могут быть связаны с кипением натрия и выбросом его из ТВС, плавлением и перемещением топлива в ней. В таких случаях формируются предупредительный и аварийный сигналы. Эксперименты показывают, что чувствительность обнаружения аномалий реактивности в реакторе может быть доведена до 2-10"5. Для оценки достаточности ее можно сказать, что в реакторе типа БН-600 изменение реактивности при выбросе натрия из одной ТВС составляет в среднем 0,7-10-1. При плавлении топлива в ТВС и стекании его в нижний торцевой экран отклонение реактивности достигает 5,4-10-4, при накоплении топлива в центральном сечении ТВС оно равно 9-10-4. Такие ситуации будут уверенно обнаруживаться контрольным устройством.
