Реакторные установки ВВЭР для АЭС - Обоснование прочности конструкций при нестационарных термических воздействиях

При анализе прочности оборудования трубопроводов в режимах, приводящих к нестационарным термическим воздействиям, выполняется детальный анализ теплогидравлических условий в районе анализируемого узла (температура среды, скорость изменения температура, расходы, коэффициенты теплоотдачи) с целью формирования корректных граничных условий для расчета температурных полей, при этом принимаются во внимание локальные эффекты, связанные с такими явлениями, как возможная стратификация (расслоение) потока, термопульсация, впрыски холодной воды (термошоки), гидроудары, конденсация пара и т. п. Такой анализ базируется на результатах теплогидравлических расчетов, экспериментальных данных, полученных как на масштабных моделях, так и в результате термометрирования натурного оборудования. В случае отсутствия возможности обосновать реалистическую картину теплофизических условий в зоне анализируемого узла, выполняются анализы с использованием заведомо консервативных допущений, приводящих к наиболее пессимистическим результатам оценки прочности и ресурса.
Нестационарные тепловые нагрузки учитываются при обосновании статической и циклической прочности, расчетах сопротивления хрупкому разрушению и применимости концепции «течь перед разрушением».
В качестве примера подхода к решению такой задачи можно привести результаты исследования процесса перемешивания теплоносителя и воды системы аварийного охлаждения активной зоны реактора.
Попадание холодной воды в реактор с горячим теплоносителем при срабатывании системы аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ) создает угрозу чрезмерных тепловых ударов. Особенно неблагоприятная ситуация возникает, когда холодная вода проникает в опускной канал в виде струи, вызывая несимметричное охлаждение облучаемой части корпуса. В реакторах ВВЭР не предусмотрено специальных мер для перемешивания этой струи. В ОКБ «Гидропресс» выполнена программа исследований закономерностей естественного перемешивания теплоносителя и воды системы аварийного охлаждения на прозрачной модели, на горячей металлической модели с высоким давлением и на реакторе ВВЭР-440 Кольской АЭС при горячей обкатке с целью оценки нестационарного температурного поля и напряжений в корпусе реактора.
Сначала были проведены исследования на прозрачной модели в масштабе 1:7. Она представляет собой плоскую развертку опускного канала реактора ВВЭР-440 с шестью входными патрубками, в один из которых подается подкрашенный раствор NaNO3 с отношением Δρ/ρ=0-0,20. Опыты на данной модели позволили получить общее представление о процессе и более обоснованно составить программу последующих опытов.
Горячая модель с рабочим давлением до 12,5МПа полностью (за исключением активной зоны) воспроизводит реактор ВВЭР-440 в масштабе 1:7,4. Для проверки влияния ширины опускного канала предусмотрено изменение диаметра цилиндрической части шахты. Холодная вода подается либо в трубопровод, либо в патрубок САОЗ, что позволяет имитировать работу любого ее компонента (насосы высокого и низкого давления, гидроаккумулятор).
Модели были оснащены системой термопар для измерения температуры среды вблизи корпуса. На прозрачной модели было установлено 5 термопар, на горячей модели и реакторе ВВЭР-440 — около 800.
Анализ совокупности полученных результатов подтвердил основные предпосылки для моделирования процесса и позволил получить эмпирические зависимости для практических расчетов.