proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2021 год
  Агентство  ПРоАтом. 24 года с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
Способствует ли безопасности атомной отрасли закрытость (усиление режима)?
Да
Нет
Сильнее влияют другие факторы

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
Вышло в свет второе издание двухтомника Б.И.Нигматулина. Подробнее
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[25/02/2021]     Клапан естественной циркуляции при стоп-расходе в бассейновом реакторе

Виталий Узиков, инженер

Самыми простыми и надежными исследовательскими реакторами являются бассейновые реакторы, поэтому неудивительно, что большинство исследовательских реакторных установок относятся именно к этому типу. Например, американская компания General Atomics в свое время специализировалась на постройке типовых бассейновых реакторов TRIGA (Training, Research, Isotopes, General Atomics)  по всему миру.



Первые реакторы могли работать за счет естественной циркуляции в активной зоне и поэтому имели существенные ограничения по мощности из-за низкой интенсивности теплоотвода.  Для повышения возможностей бассейновых реакторов по облучению материалов и наработке изотопов перешли к принудительной циркуляции.

Приоритетный выбор бассейновых исследовательских реакторов обусловлен длительной историей, эффективной и безопасной эксплуатацией таких установок. При высокой степени безопасности такие реакторы обеспечивают плотность тепловых нейтронов вполне достаточную для проведения практически всех исследований, в которых используются тепловые нейтроны.

Наряду с очевидными преимуществами бассейновых реакторов у них имеются и недостатки. Это прежне всего относится к низкой температуре закипания теплоносителя в активной зоне, поэтому для достижения больших нейтронных потоков циркулирующий в первом контуре теплоноситель (обычную воду) необходимо интенсивно охлаждать, а расход через активную зону поддерживать на высоком уровне.

Однако, высокая энергонапряженность активной зоны при нормальной работе реактора стала вызывать опасения за её сохранность при нарушениях в системе теплоотвода, например, при поломке или обесточивании насосов. И это касается бассейновых реакторов, как с восходящим, так и с нисходящим потоком теплоносителя в активной зоне. При большой мощности энерговыделения в тепловыделяющих сборках быстрое прекращение циркуляции теплоносителя через них и задержка в срабатывании аварийной защиты может привести к недопустимому перегреву твэлов, поэтому предусматриваются специальные аварийный системы, открывающие канал для организации естественной циркуляции с помощью срабатывания активных клапанов по выработанному сигналу аварийной защиты.

При всей простоте систем организации естественной циркуляции в реакторе с использованием активных клапанов, у них имеется существенный недостатоквозможность ложного срабатывания (несанкционированного открытия клапана) при работе реактора и несрабатывания при стоп-расходе через активную зону, например, из-за необнаруженного отказа в цепях управления. Устранить этот недостаток можно заменив активный клапан для организации естественной циркуляции на клапан пассивного действия. Закрытие и открытие такого клапана происходит при одновременном воздействии на него гидродинамических сил со стороны потока теплоносителя и силы гравитации. Пассивность устройства – клапана естественной циркуляции (ЕЦ) заключается в том, что реализуется пассивный принцип действия, то есть его срабатывание является реакцией на появление факторов, характеризующих событие, требующее реагирования от этого устройства. Необходимая для действия клапана ЕЦ энергия сообщается ему в результате процессов, происходящих при прекращении принудительной циркуляции.

Наиболее удобное место установки клапана ЕЦ в камере подзонного пространства бассейнового реактора. Схема установки клапана ЕЦ бассейновых реакторов  с опускным движением теплоносителя в активной зоне (например, для реакторов типа РБТ), показана на Рис.1, а для бассейновых реакторов с подъемным движением теплоносителя в активной зоне – на Рис.2.

Рисунок 1 – Схема срабатывания клапана естественной циркуляциив бассейновых реакторах с нисходящим потоком теплоносителя в активной зоне: слева – закрытое положение клапана ЕЦ при штатной работе первого контура; справа – открытое положение клапана ЕЦ при прекращении принудительной циркуляции

Рисунок 2 – Схема срабатывания клапана естественной циркуляциив бассейновых реакторах с восходящим потоком теплоносителя в активной зоне: слева – закрытое положение клапана ЕЦ при штатной работе первого контура; справа – открытое положение клапана ЕЦ при прекращении принудительной циркуляции

Применение клапана ЕЦ, срабатывающего при прекращении принудительного расхода через активную зону, позволяет систему расхолаживания бассейнового реактора сделать одной из пассивных систем безопасности. Работоспособность такой системы проанализирована численными методами на примере реактора РБТ-6. Прохождение теплоносителя через активную зону РУ РБТ-6 приводит к потере напора и понижению давления в подзонном пространстве примерно на 4,5кПа (450 мм.вод.столба) при расходе теплоносителя ~600 м3/ч.Выбранные для анализа параметры клапана ЕЦ согласуются с конструктивными параметрами реактора РБТ-6 (Рис.3), а обозначения основных элементов клапана маятниковой конструкции приведены на  Рис.4.

Рисунок 3 – Размещение клапана естественной циркуляции маятниковой конструкции на корпусе реактора РБТ-6 


1 – корпус клапана; 2 – призма опорная; 3 – опора; 4 – стержень; 5 –ось; 6 – заслонка; 7 – седло

Рисунок 4 – Основные элементы клапана естественной циркуляции маятниковой конструкции 

Анализируемый клапан ЕЦ маятниковой конструкции выполнен в виде обратного поворотного клапана, с посадкой заслонки (6) на торец патрубка (7), соединенного с полостью подзонного пространства реактора. Заслонка свободно подвешена на стержне (4) с опорной призмой (2), раскачивающейся в опоре (3) корпуса (1). При появлении достаточного перепада давления на заслонке (6) при определенном расходе принудительной циркуляции, заслонка перемещается к торцевой части патрубка – седлу (7) и плотно перекрывает проходное сечения патрубка,  обеспечивая отсутствие байпасирования активной зоны в штатном режиме работы реактора. В случае несанкционированного прекращения расхода  теплоносителя через активную зону давление в корпусе и в баке реактора выравнивается и под действием силы тяжести заслонка отходит от седла, освобождая проход для теплоносителя из бака реактора в активную зону, создавая при этом контур естественной циркуляции.

Здесь стоит отметить, что такая конструкция клапана лишь одна из многих возможных. Возникающие сомнения по надежности работы клапана из-за вероятности заклинивания на опоре (3) или оси (5) можно устранить, если, например, стержень (4) заменить на гибкие металлические тросики (Рис.5).

Рисунок 5 – Основные элементы клапана естественной циркуляции маятниковой конструкции с подвеской на металлических тросиках

Точный расчет динамического воздействия потока теплоносителя в первом контуре на заслонку клапана с учетом его байпасирования активной зоной реактора не представляется возможным, так требуемое количество расчетных ресурсов для моделирования твэлов во всех ТВС слишком велико. Однако, так как известна гидравлическая характеристика активной зоны, её можно заменить эквивалентным гидравлическим сопротивлением из 4-х отверстий в отводящем трубопроводе. Расчетная область с такой заменой и распределение давлений при штатном расходе представлены на Рис.6.

Рисунок 6 – Расчетная область с моделью клапана ЕЦ и имитацией гидравлического сопротивления активной зоны для анализа в модуле SOLIDWORKS Flow Simulation (слева) и распределение давления в области клапана при штатном расходе (справа)

Расчетный анализ гидравлических потерь на клапана проводился  для 5-ти положений заслонки (удаление от торца (седла) на 5; 15; 30; 50 и 70мм) при  расходах теплоносителя в первом контуре 50; 200; 400 и 600 м3/ч.

Для выбранной конструкции клапана с заслонкой из листовой стали 12Х18Н9Т и заданных параметрах были просчитаны варианты совместного воздействия сил отклоняющих и притягивающих заслонку к седлу при различных расходах в первом контуре. Диаметр заслонки был принят равным 370 мм, а размер плеча отклонения – 562 мм.

Для определения расхода в первом контуре, при котором произойдет закрытие клапана, рассматривалось два варианта конструкции КЕЦ: в первом варианте расстояния от заслонки (без углового отклонения)  до седла составляет 80 мм, а во втором– 70 мм. В качестве меняющегося параметра рассматривалась толщина диска заслонки – от 10 до 26 мм, что соответствует изменению массы заслонки от 8,4 до 21,8 кг.

Принцип работы клапана ЕЦ основан на совместном гидродинамическом воздействии потока теплоносителя, проходящего через подзонное пространство реактора РБТ-6, на заслонку в направлении закрытия клапана (отклоняя её при этом от состояния равновесия) и противодействующей силы – силы тяжести, воздействующей на заслонку в сторону открытия клапана. Схематично это показано на Рис.7.

Рисунок 7 – Схема воздействия на заслонку со стороны потока теплоносителя и со стороны силы тяжести

Сила FТ, которая стремится убрать отклонение подвешенной заслонки от вертикального положения, определяется массой заслонки mЗи углом её отклонения от вертикали a:

FТ = mЗ×g× sina

Сила FП, действующая со стороны гидродинамического потока, обтекающего заслонку при движение в корпус реактора, может быть найдена с помощью макроса EXCEL, полученного в результате обработки данных гидравлических расчетов, проведенных с использованием модуля FlowSimulation /SolidWorks. 

Расчетные зависимости расхода закрытия клапана ЕЦ от массы заслонки для начального расстояния от заслонки (без углового отклонения)  до седла 70 мм и 80 мм приведены на Рис. 8 и Рис.9.

Рисунок 8 – Зависимость расхода закрытия клапана ЕЦ от массы заслонки для начального расстояния от заслонки (без углового отклонения)  до седла 70 мм

Рисунок 9 – Зависимость расхода закрытия клапана ЕЦ от массы заслонки для начального расстояния от заслонки (без углового отклонения)  до седла 80 мм

Открытие клапана естественной циркуляции произойдет тогда, когда силы гравитации, стремящиеся убрать отклонение заслонки, превысят силы от перепада давления на заслонке из-за потери напора в активной зоне реактора.  Зависимость перепада давления на заслонке от расхода в первом контуре приведена на Рисунке 10.

Рисунок 10 – Зависимость перепада давления на заслонке от расхода теплоносителя в первом контуре

Зная площадь воздействия перепада давления на заслонку и перепад давления на ней по графику Рисунка 10 можно найти расход теплоносителя в первом контуре, когда сила гравитации превысит давления прижатия клапана ЕЦ и он откроется, создавая контур естественной циркуляции через активную зону. На Рис.11 приведены параметры открытия клапана от расхода в первом контуре, массы заслонки и начального расстояния от заслонки (без углового отклонения)  до седла 60; 70 и 80 мм.

Рисунок 11 – Зависимость расхода открытия клапана ЕЦ от массы заслонки для начальных расстояний от заслонки (без углового отклонения)  до седла 60; 70 и 80 мм

Таким образом, при включении главного циркуляционного насоса первого контура с расходом теплоносителя 550-600 т/ч клапан ЕЦ гарантированно закрывается под действием гидродинамического потока, омывающего заслонку. Таким образом, клапан обеспечивает отсутствие байпасного для активной зоны потока вплоть до уровня аварийных уставок по снижению расхода теплоносителя первого контура.

В тоже время, даже при максимальных пиковых оценках средней скорости ЕЦ в тепловыделяющих сборках 0,1 м/с в начальный период времени развития естественной циркуляции, расход через активную зону падает минимум в 8 раз и составляет не более 75 т/ч, что не может привести к закрытию клапана ЕЦ рассмотренной конструкции при расхолаживании активной зоны. Применительно к рассмотренной конструкции, открытие клапана ЕЦ гарантировано происходит при снижении уровня принудительного расхода ниже 100 т/ч, т.е. при остановке насоса клапан откроется и обеспечит создание контура естественной циркуляции.

И все же, несмотря на оптимистичные результаты численного анализа работоспособности системы аварийного расхолаживания бассейнового реактора с клапаном естественной циркуляции пассивного действия, нельзя говорить о безусловной необходимости такой системы. Эта система безопасности может быть излишней, если принимать во внимание огромный потенциал безопасного расхолаживания из-за возможности развития межячеечной естественной циркуляции, особенно если это касается такого реактора, как РБТ-6 с ярко выраженной неравномерностью энерговыделения в ТВС от центра к периферии. По моему мнению, это касается и подавляющего большинства активных зон бассейновых реакторов. При достаточно быстром переводе реактора в подкритическое состояние (штатном срабатывании поглощающих органов аварийной защиты) расчетные оценки и проведенные эксперименты динамики развития межячеечной естественной циркуляции в активной зоне показывают высокую эффективность этого механизма расхолаживания. И лишь возможная существенная задержка со снижением мощности при стоп-расходе теплоносителя делает совершенно необходимой организацию специального контура естественной циркуляции через активную зону. Именно в этом случае, с моей точки зрения, клапаны ЕЦ пассивного действия имеют преимущество перед клапанами ЕЦ, срабатывающими по управляющему сигналу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

·        Подход к созданию систем расхолаживания активных зон бассейновых реакторных установок средней и большой мощности в случае прекращения принудительной циркуляции в первом контуре требует взвешенного подхода. В первую очередь необходимо оценить возможности развития межячеечной естественной циркуляции в активной зоне и, в случае её высокой эффективности расхолаживания ТВС, можно отказаться от создания специальной системы безопасности по организации контура естественной циркуляции.

·        С особой осторожностью необходимо относиться к системам безопасности по организации контура естественной циркуляции, если в ней применяются активные клапана, срабатывающие от управляющего сигнала. В этом случае главную опасность представляет ложное срабатывание на открытие клапана ЕЦ при работе реактора на мощности, приводящее к байпасированию активной зоны через этот клапан и существенному ухудшению параметров теплоотвода от ТВС.

·        Более безопасной альтернативой таким системам могут быть системы по организации контура естественной циркуляции с клапанами ЕЦ пассивного действия;

·        Расчетные оценки показали возможность разработки таких клапанов ЕЦ пассивного действия с удобными параметрами их закрытия и открытия.

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Атомная наука
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Атомная наука:
Сомнений не осталось, LENR существует

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 3.35
Ответов: 17


Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 4 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Клапан естественной циркуляции при стоп-расходе в бассейновом реакторе (Всего: 0)
от Гость на 02/03/2021
Для чего представлять тут на форуме научные статьи? Может лучше в профильных журналах, на семинарах и конференциях?


[ Ответить на это ]


Re: Клапан естественной циркуляции при стоп-расходе в бассейновом реакторе (Всего: 0)
от Гость на 03/03/2021
Прекрасная возможность получить независимые рецензии на статью. Сайт читают продвинутые специалисты и пишут очень толковые комментарии. Иногда, даже интереснее, чем сами статьи. 


[
Ответить на это ]


Re: Клапан естественной циркуляции при стоп-расходе в бассейновом реакторе (Всего: 0)
от Гость на 20/03/2021
Не замедлит ли клапан процесс обращения потока и как в это будут чувствовать себя твэлы активной зоны? Что там с кризисом теплообмена?


[ Ответить на это ]


Re: Клапан естественной циркуляции при стоп-расходе в бассейновом реакторе (Всего: 0)
от Гость на 21/03/2021
Не замедлит, так как клапан ЕЦ сработает быстее чем активный,  а в условиях бассейнового реактора через несколько минут после его остановки не только кризиса, но и даже кипения в активной зоне не  будет (грубина бассейнов достаточно большая, поэтому высоты контура циркуляции и разности плотностей теплоносителя на подъемном и опускном участке хватит для обепечения теплоотвода от твэлов без кипения - проверено экспериментами на РБТ-6). С уважением В.Узиков


[
Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.10 секунды
Рейтинг@Mail.ru