Новости

Тезисы

В настоящем докладе представлены результаты испытаний СБВБ РУ блока №1 АЭС "Куданкулам" в период предпусковых наладочных работ:

- на этапе циркуляционной промывки первого контура при температуре теплоносителя первого контура от 120 до 140°С и давлении от 4,3 до 4,7 МПа;

- на этапе горячей обкатки оборудования РУ при температуре теплоносителя первого контура от 268 до 285°С и давлении от 15,3 до 15,7 МПа.

Испытываемая система не имеет прототипа.

Испытания во время предпусковых наладочных работ обеспечивают возможность выявления на ранней стадии возможных несоответствий испытываемой системы её проектным характеристикам.

Введение

В проекте РУ энергоблока №1 АЭС "Куданкулам" предусмотрена дополнительная система быстрого ввода бора (СБВБ) для управления запроектными авариями без срабатывания аварийной защиты.

Она предназначена для перевода активной зоны реактора в подкритическое состояние путём ввода в первый контур концентрированного раствора борной кислоты в случае отказа системы управления и защиты реактора.

Система состоит из четырёх независимых друг от друга каналов, каждый из которых включает в себя ёмкость с раствором борной кислоты, подключённую параллельно ГЦНА к циркуляционной петле.

При открытии быстродействующих запорных клапанов на трубопроводах, соединяющих ёмкости СБВБ с первым контуром, раствор бора вытесняется из них теплоносителем первого контура за счёт напора ГЦНА, в том числе и при их выбеге. Вытесняемый в первый контур РУ раствор бора поступает на вход активной зоны, в результате чего мощность реактора снижается.

Испытания СБВБ проводились с помощью температурной методики путём подачи горячего теплоносителя первого контура в ёмкости СБВБ, заполненные более холодной водой. То есть изменение концентрации раствора борной кислоты на выходе ёмкостей моделировалось изменением температуры воды.

Во время испытаний в реактор была загружена имитационная зона, состоящая из имитаторов ТВС. Конструкция имитаторов соответствует натурным ТВС за исключением того, что вместо топлива внутри их твэлов находятся свинцовые таблетки, моделирующие вес топлива. Гидравлическое сопротивление имитаторов и штатных ТВС одинаково.

Проведение испытаний

Эффективность работы СБВБ в основном обусловлена:

- характером процесса вытеснения раствора борной кислоты из её ёмкостей;

- величиной расхода теплоносителя первого контура через каналы системы.

Для более быстрого вытеснения раствора бора из ёмкостей СБВБ необходимо, чтобы перемешивание теплоносителя первого контура с раствором внутри ёмкостей было минимальным, то есть близко к поршневому выдавливанию.

Процесс вытеснения раствора борной кислоты из ёмкостей СБВБ при срабатывании системы характеризуется зависимостью изменения её концентрации на выходе ёмкостей.

При частичной работе петель РУ, а также в случае отказа одной из ёмкостей СБВБ, на входе активной зоны возможно наличие неравномерной концентрации бора. В результате перемешивания петлевых потоков теплоносителя в опускном кольцевом канале и в районе днища шахты реактора эта неравномерность частично снижается. Для её оценки в ходе настоящих испытаний проводились измерения температуры на входе имитационной зоны при различных вариантах срабатывания СБВБ.

В связи с вышеизложенным, задачами настоящих испытаний являлось:

- измерение величин расходов теплоносителя через каналы СБВБ и сравнение их с проектными величинами;

- получение зависимости изменения во времени относительной температуры (концентрации борной кислоты) на выходе из ёмкостей СБВБ;

- получение данных об изменении температуры (неравномерности концентрации борной кислоты) на входе активной зоны при срабатывании СБВБ.

При использовании температурной методики относительное изменение концентрации борной кислоты на выходе ёмкости СБВБ характеризуется изменением относительной температуры:

 

 

Изменение относительной концентрации борной кислоты на выходе ёмкости СБВБ представлялось в виде зависимости величины относительной температуры воды на выходе ёмкости СБВБ от относительного времени её заполнения:

 

 

Характер процесса вытеснения раствора борной кислоты из ёмкостей СБВБ теплоносителем первого контура зависит от соотношения плотностей раствора и теплоносителя /1/.

По условиям обеспечения прочности узлов врезки трубопроводов СБВБ в трубопроводы циркуляционных петель РУ температура теплоносителя в первом контуре во время настоящих испытаний не должна была превышать температуру воды в ёмкостях СБВБ более, чем на 90…100°С. При этом соотношение плотностей холодной воды в ёмкостях СБВБ и теплоносителя первого контура не превышало величины, равной 1,1.

Результаты расчётов /1/ показали, что характер процесса вытеснения раствора бора из ёмкостей в этом случае не должен отличаться от характера процесса вытеснения во время экспериментов на стенде /2/ с моделью ёмкости (рисунок 1):

 

 

Результаты измерения температуры на входе имитационной зоны во время предпусковых наладочных работ представлялись в относительном виде следующим образом:

 

 

Перед началом измерений определялось среднее значение температуры на входе имитационной зоны, на основании которого вводились поправки в показания отдельных термопар.

Рисунок 1 - Расчётные зависимости изменения концентрации бора на выходе ёмкостей

 

 

Результаты измерений представлялись в виде контурных графиков, построенных при помощи программы Tecplot.

Одновременно с измерением температуры на входе имитационной зоны контролировались расходы теплоносителя по циркуляционным петлям РУ.

Измерение расходов теплоносителя по каналам СБВБ всех циркуляционных петель осуществлялось с помощью накладных ультразвуковых расходомеров FLUXUS модели ADM 7407 (рисунок 2).

Рисунок 2 - Установка ультразвуковых расходомеров FLUXUS на трубопроводах СБВБ

 

 

Данные расходомеры включены в Государственный реестр средств измерения РФ и имеют сертификат Госстандарта. Погрешность измерения ими объёмного расхода с использованием волнового инжектора при полностью сформировавшемся осесимметричном профиле потока не должна превышать ±1%.

Для получения зависимости изменения во времени температуры (концентрации борной кислоты) на выходе ёмкости СБВБ петли 1 была установлена погружная термопара (рисунок 3).

Рисунок 3 - Установка погружной термопары на выходе ёмкости СБВБ петли 1

 

 

Для контроля изменения температуры воды по высоте ёмкости СБВБ петли 1 после заполнения в ней был установлен зонд с девятью термопарами по высоте (рисунок 4).

Рисунок 4 - Расположение термопар по высоте ёмкости СБВБ петли 1

 

 

Для регистрации изменения температуры на входе имитационной зоны через штатные каналы КНИТ были установлены 36 зондов с термопарами в хвостовиках имитаторов ТВС (рисунок 5). При срабатывании СБВБ изменение относительной температуры теплоносителя на входе имитационной зоны на этапе предпусковых наладочных работ должно соответствовать изменению относительной концентрации бора на входе активной зоны.

Рисунок 5 - Картограмма расположения термопар на входе имитационной зоны

 

 

Режимы испытаний во время циркуляционной промывки и горячей обкатки первого контура РУ представлены в таблице 1.

Перед началом проведения испытаний расходы по циркуляционным петлям РУ, температура и давление в первом контуре стабилизировались. Регистрация параметров на компьютере СПНИ и с помощью штатных КИП синхронизировалась по времени.

Таблица 1 - Объём испытаний СБВБ в период пусконаладочных работ РУ

 

 

Результаты испытаний

Зависимости изменения относительной температуры на выходе ёмкости петли 1, полученные в период циркуляционной промывки первого контура, приведены на рисунке 6; в период горячей обкатки оборудования РУ - на рисунке 7.

На этих рисунках приведена также зависимость, полученная на стенде (4),(5). Как видно из таблицы 2, измеренные величины расходов через каналы СБВБ хорошо согласуются с проектными величинами.

Рисунок 6 - Изменения относительной температуры воды на выходе ёмкости СБВБ петли 1 во время циркуляционной промывки первого контура

 

 

Рисунок 7 - Изменения относительной температуры воды на выходе ёмкости СБВБ петли 1 во время горячей обкатки оборудования РУ

 

 

Таблица 2 - Расходы по каналам СБВБ при различном количестве работающих ГЦНА

 

 

Из графиков на рисунке 6 видно, что для всех режимов, исследованных на этапе циркуляционной промывки первого контура, имеет место единая совокупность точек, что свидетельствует об идентичности протекания процесса вытеснения потоком теплоносителя первого контура воды (раствора борной кислоты) из ёмкости.

Из представленных графиков также видно, что результаты испытаний на стенде и на АЭС имеют хорошее совпадение.

На рисунке 7 видно, что в режиме 7 также имеет место хорошее совпадение зависимости изменения относительной температуры на выходе ёмкости с результатами испытаний на стенде. Зависимости, полученные в режимах 5 и 6, несколько ниже зависимости, полученной на стенде.

Причина данного отличия заключается в том, что разница температур в ёмкости СБВБ и первом контуре во время горячей обкатки реакторной установки обеспечивалась за счёт естественного остывания теплоносителя в ёмкости СБВБ при закрытой арматуре на трубопроводах подключения.

Вследствие этого в объёме ёмкости перед началом испытаний на данных режимах имело место значительное температурное расслоение.

На основании вышеизложенного можно констатировать, что полученные во время настоящих испытаний зависимости изменения во времени относительной температуры на выходе ёмкости СБВБ хорошо совпадают с зависимостями (4) и (5), полученными на стенде, а также подтверждают правильность расчётных методик /1/, использованных для описания процесса вытеснения раствора борной кислоты из ёмкостей СБВБ теплоносителем первого контура.

Неравномерность относительной температуры (концентрации бора) на входе имитационной зоны исследовалась в режимах № 3-7, перечисленных в таблице 1. Таким образом, настоящие испытания позволили получить данные о фактической неравномерности концентрации бора (относительной температуры) на входе активной зоны при срабатывании СБВБ.

Чтобы охарактеризовать динамику изменения относительной температуры на входе имитационной зоны, для каждого из рассматриваемых режимов ниже приведены контурные графики (вид на имитационную зону сверху) изменения относительной температуры для шести моментов времени. В основном для начальной стадии поступления воды из ёмкостей СБВБ в имитационную зону.

За начало отсчёта принимался момент времени, когда термопара на выходе ёмкости СБВБ петли 1 реагировала на изменение температуры (контролировалась также реакция ультразвукового расходомера). Синими стрелками на контурных графиках показано расположение работающих петель РУ, красными - отмечены петли с работающими каналами СБВБ.

На рисунке 8 показано изменение относительной температуры на входе имитационной зоны при работе петель 1 и 2 и срабатывании одного канала СБВБ на петле 1 с работающим ГЦНА (таблица 1, режим 3).

Рисунок 8 - Срабатывание ёмкости СБВБ петли 1 при работе ГЦНА 1 и 2

 

 

Из приведённых на рисунке контурных графиков видно, что вода из ёмкости СБВБ, впрыскиваемая в петлю 1, поступает на вход имитационной зоны сектором с противоположной стороны от работающих циркуляционных петель РУ. Это объясняется наличием закрутки теплоносителя в опускном кольцевом канале и напорной камере реактора.

Сектор воды из ёмкости СБВБ в момент поступления на вход имитационной зоны несколько смещён от оси реактора по часовой стрелке.

После 25 секунды, когда в основном заканчивается впрыск воды из ёмкости СБВБ, температурное поле на входе имитационной зоны начинает достаточно быстро выравниваться. После 40 секунды, благодаря межпетлевому перемешиванию, на вход имитационной зоны поступает практически полностью перемешанный теплоноситель.

На рисунках 9 и 10 показано изменение относительной температуры на входе имитационной зоны при работе трёх петель и срабатывании одного канала СБВБ на петле с работающим ГЦНА.

Рисунок 9 - Срабатывание ёмкости СБВБ петли 1 при работе ГЦНА 1, 2 и 3

 

 

Рисунок 10 - Срабатывание ёмкости СБВБ петли 1 при работе ГЦНА 1, 2 и 4

 

 

Из приведённых на рисунках контурных графиков видно:

- вода из ёмкости СБВБ, впрыскиваемая в петлю 1, поступает на вход имитационной зоны сектором;

- данный сектор смещается в сторону неработающих петель, при работе петель 1, 2 и 3 - по часовой стрелке в сторону петли 4; при работе петель 1, 2 и 4 - против часовой стрелки в сторону петли 3;

- в промежутке от 60 и 80 секундами благодаря межпетлевому перемешиванию на вход имитационной зоны начинает поступать практически полностью перемешанный теплоноситель.

На рисунке 11 показано изменение относительной температуры на входе имитационной зоны при работе трёх циркуляционных петель РУ и срабатывании одного канала СБВБ на петле с неработающим ГЦНА.

Рисунок 11 - Срабатывание ёмкости СБВБ петли 1 при работе ГЦНА 2, 3 и 4

 

 

В данном случае ёмкость СБВБ срабатывает на петле с обратным током. Поэтому холодная вода достигает входа имитационной зоны значительно позже, чем в ранее рассмотренных режимах. Ярко выраженного сектора с более холодной температурой воды из ёмкости СБВБ здесь не образуется. На 140 секунде на вход имитационной зоны поступает полностью перемешанный теплоноситель.

На рисунке 12 показано изменение относительной температуры на входе имитационной зоны реактора при работе ГЦНА четырёх петель и срабатывании всех ёмкостей СБВБ.

Рисунок 12 - Срабатывание всех ёмкостей СБВБ при работе всех четырёх ГЦНА

 

 

Холодная вода из ёмкостей СБВБ начала поступать на вход имитационной зоны примерно на 4 секунде после открытия быстродействующих клапанов системы. В момент её поступления на вход имитационной зоны в районе петли 3 образуется сектор с пониженной температурой.

На 12 секунде в результате межпетлевого перемешивания сектор размывается. К 16 секунде на вход имитационной зоны поступает практически полностью перемешанный теплоноситель.

Неравномерность температуры на входе имитационной зоны на начальной стадии этого режима могла быть вызвана несколькими факторами:

- неодновременным открытием клапанов каналов СБВБ;

- разницей температур в ёмкостях;

- неравномерностью расходов по циркуляционным петлям РУ.

В данном случае такой причиной стало более раннее срабатывание клапанов канала СБВБ на циркуляционной петле 3, так как разница расходов по циркуляционным петлям РУ не превышала 2%, большого отличия температуры теплоносителя в холодной нитке петли 3 также не отмечено.

Ввиду работы всех ГЦНА и каналов СБВБ выравнивание относительной температуры на входе имитационной зоны наступает уже на 16 секунде, в начале второго оборота теплоносителя по циркуляционным петлям РУ.

На рисунке 13 показано изменение относительной температуры на входе имитационной зоны при срабатывании всех ёмкостей СБВБ, работе ГЦНА петель 2, 3, 4 и выбеге ГЦНА петли 1.

Рисунок 13 - Срабатывание всех ёмкостей СБВБ при работе ГЦНА 2, 3, 4 и выбеге ГЦНА 1

 

 

Данный режим похож на описанный выше. Неравномерность температуры на входе имитационной зоны на его начальной стадии вызвана разницей расходов по циркуляционным петлям РУ.

Холодная вода из ёмкостей СБВБ в этом режиме начала поступать на вход имитационной зоны на 5 секунде после открытия быстродействующих клапанов системы.

На 8 секунде в районе петель 2, 3, 4 образовался сектор с температурой, равной температуре ё емкостях СБВБ, занимающий около половины сечения на входе имитационной зоны. В районе петли 1 с работающим на выбеге ГЦНА температура осталась более высокой.

В результате межпетлевого перемешивания к 18 секунде на вход имитационной зоны поступает практически полностью перемешанный теплоноситель. Выравнивание относительной температуры на входе имитационной зоны, как и в предыдущем режиме наступает быстро, в начале второго оборота теплоносителя по циркуляционным петлям РУ.

На рисунке 14 показано изменение относительной температуры на входе имитационной зоны при выбеге всех ГЦНА и срабатывании ёмкостей петель 1, 2, 4.

Рисунок 14 - Срабатывание ёмкостей СБВБ петель 1, 2, 4 при выбеге всех ГЦНА

 

 

В начальный момент поступления в имитационную зону воды из работающих ёмкостей СБВБ петель 1, 2 и 4 на её входе образуется сектор с более высокой температурой в районе петли 3 (с неработающей ёмкостью). Ядро этого сектора с начальной температурой в первом контуре занимает не более 5% сечения зоны.

На 80 секунде, после окончания выбега ГЦНА, в половину входного сечения имитационной зоны уже поступает теплоноситель с температурой больше или равной температуре после перемешивания теплоносителя во всем циркуляционном контуре.

Заключение

Результаты испытаний показали, что значения фактических расходов по каналам СБВБ соответствуют их проектным значениям.

Полученные во время испытаний зависимости изменения во времени относительной температуры на выходе ёмкостей СБВБ образуют единую совокупность точек. Это свидетельствует об идентичности процесса вытеснения потоком теплоносителя первого контура раствора борной кислоты из ёмкостей при различных режимах работы РУ. Полученные на АЭС и экспериментальном стенде зависимости совпадают.

Вытеснение раствора бора из ёмкостей СБВБ теплоносителем первого контура достаточно близко к "поршневому": примерно 73% раствора вытесняется из неё за время, равное времени однократного заполнения ёмкости теплоносителем. Время полного вытеснения раствора борной кислоты из ёмкости в два раза больше времени её однократного заполнения, что вызвано имеющим место перемешиванием внутри ёмкости.

На основе проведённых измерений температуры на входе имитационной зоны при срабатывании СБВБ можно сделать следующие выводы:

- в случае срабатывания всех ёмкостей СБВБ при работе ГЦНА четырёх петель неравномерность концентрации бора на входе активной зоны, обусловленная неодновременным поступлением петлевых потоков теплоносителя на вход активной зоны, невелика и быстро выравнивается;

- петлевые потоки теплоносителя в опускном кольцевом канале реактора занимают устойчивое положение, ввиду чего при частичной работе петель РУ или в случае отказа одной из ёмкостей СБВБ на входе активной зоны реактора образуется сектор с отличающейся концентрацией бора;

- выравнивание неравномерности концентрации бора на входе активной зоны происходит вследствие межпетлевого перемешивания потоков теплоносителя в опускном кольцевом канале и напорной камере реактора;

- на входном участке проточного тракта реактора имеет место закрутка потока, которая также способствует выравниванию неравномерности концентрации бора на входе активной зоны.

Данные об изменении концентрации бора на выходе ёмкостей СБВБ и на входе активной зоны могут быть использованы для верификации расчётных кодов.

Литература

1. Д.В. Ульяновский, Ю.А. Безруков, Е.А. Лисенков. Влияние разницы плотностей теплоносителя первого контура и раствора бора в ёмкостях СБВБ на процесс вытеснения раствора, Вопросы атомной науки и техники, вып. 19, 2011.

2. Д.В. Ульяновский, Л.А. Салий, Е.А. Лисенков. Вытеснение раствора борной кислоты из ёмкостей СБВБ, Труды 5-ой Международной научно-технической конференции "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР", ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия, май 2007.