Белозеров В.И., Жук М.М., Гераскин Н.И. Аварийные и переходные режимы на АЭС с реактором ВВЭР-1000

О температурах топлива и оболочек. Для выявления наихуд-

ших условий охлаждения топлива и активной зоны в аварии разрыва ГЦТ на входе в реактор было проведено варьирование следующими входными данными:

величиной коэффициента расхода ( ) при истечении из короткого конца разорвавшегося трубопровода (1,0; 0,8 и 0,6);

количеством подаваемой воды из емкостей САОЗ в каждую из камер реактора, для этого принимается отказ одной из емкостей, подключенных либо к НКС, либо к ВКС;

профилем энерговыделений по высоте активной зоны, для этого рассмотрено два вида профиля:

симметричный – с максимальным энерговыделением 448 Вт/см

вцентральной части по высоте твэла (вариант 1);

с максимальным энерговыделением 360 Вт/см в верхней части по высоте твэла (вариант 1).

Анализ проведенных вариантных расчетов показал, что наихудшие условия охлаждения активной зоны в аварии разрыва ГЦТ на входе в реактор создаются при следующих условиях:

коэффициент расхода при истечении из короткого конца разорвавшегося трубопровода = 0,8;

произошел отказ одной из емкостей, подключенных к ВКС;

профиль энерговыделений – симметричный (вариант 1). Максимальная температуры топлива и оболочки твэл представ-

лены на рис. 2.3.6.

Максимальное значение температуры оболочки в «горячей» точке наиболее теплонапряженного твэла достигается примерно на

шестой секунде и составляет 1078 С. Далее, в связи некоторым увеличением расхода теплоносителя через активную зону температура оболочки снижается.

Моделирование изменения температуры оболочек твэлов различных мощностей проводилось для десяти расчетных участков, нумерация участков и их относительная высота от низа твэла представлены в табл. 2.3.3.

Изменение температур оболочек наиболее энергонапряженного твэл для расчетных участков по высоте активной зоны (вариант 1 – симметричное энерговыделение с максимальным коэффициентом неравномерности по радиусу Кr = 1,6) представлено на рис. 2.3.7 и 2.3.8. Изменение давления в 1-м контуре и температуры топлива представлено на рис. 2.3.9.

По данным расчета видно, что твэлы всех мощностей уже через 0,1 с после начала аварии попадают в кризис теплообмена.

70

Максимальные значения температур оболочек твэлов с относительными мощностями Kr = 1,6 (и Kr = 1,5) в начальный период аварии (8 с) достигаются на шестом участке, где qlmax = 448 Вт/см, и составляют 1065 (и 1055) С, соответственно. В период 300–382 с

температуры оболочек анализируемых твэлов превышают 700 С, при этом на оболочку действует перепад давления около 4,0 МПа.

В соответствии с экспериментальными данными величина окружной деформации оболочки твэла при этих условиях может достигать 32 %, что и учтено в расчете. Блокировка проходного сечения пучка твэлов при этом составляет 64 %.

Максимальное значение температуры оболочки твэла в процессе аварии (не считая первого пика) достигается также на 550 с и со-

ставляет 1050 С. Суммарная глубина окисления оболочки твэла с учетом ее двустороннего окисления после разгерметизации на 382 с не превышает 1,8 % от первоначальной толщины оболочки. К 1000 с все расчетные участки по высоте твэлов максимальных мощностей расхолаживаются до температуры насыщения теплоносителя.

По консервативным оценкам масса прореагировавшего циркония составляетоколо74 кг, т.е. менее1 % от егомассывоболочкахтвэлов.

Подобные результаты получены и при профиле энерговыделений по высоте активной зоны с максимумом на верхних участках активной зоны (вариант 2).

Для варианта 2 максимальные значения температур оболочек твэлов с относительной мощностью Kr = 1,6 в начальный период аварии (8 с) достигаются на восьмом участке, где qlmax = 360 Вт/см, и составляют 985 и 965 С, соответственно. На дальнейшей стадии аварии температуры оболочек твэлов достигают своего повторного

максимума к 330 с (680 С). К 400 с происходит расхолаживание оболочек до температуры насыщения теплоносителя по всей высоте активной зоны.

Из результатов расчета по варианту 2 следует, что уровень температур оболочек твэлов всех мощностей ниже, чем для варианта с симметричным профилем энерговыделений. Условия для разгерметизации оболочектвэлов по уровнюих температур при этом несоздаются.

Таким образом, приемочные критерии, представленные в табл. 2.1.1 (за исключением критериев 3, 6 и 7), будут выполнены. Однако будет иметь место режим кризиса теплообмена.

71

2.3.2. Анализ результатов моделирования аварии разрыва ГЦТ на выходе из реактора

Как и для случая разрыва ГЦТ на входе в реактор, для выявления наихудших условий охлаждения активной зоны в рассматриваемой аварии разрыва ГЦТ на входе в реактор было проведено варьирование теми же входными исходными данными:

величиной коэффициента расхода ( ) при истечении из короткого конца разорвавшегося трубопровода (1,0; 0,8 и 0,6);

количеством подаваемой воды из емкостей САОЗ в каждую из камер реактора. Для этого принимается отказ одной из емкостей, подключенных к НКР, либо отказ одной из емкостей, подключенных к СКР;

профилем энерговыделений по высоте активной зоны. Анализ проведенных вариантных расчетов показал, что

наихудшие условия охлаждения активной зоны в аварии разрыва ГЦТ на входе в реактор создаются при следующих условиях:

коэффициент расхода при истечении из короткого конца разорвавшегося трубопровода = 0,8;

произошел отказ одной из емкостей, подключенных к СКР;

профиль энерговыделений – симметричный. Хронологическая последовательность событий и моменты сра-

батывания систем и оборудования представлены в табл. 2.3.4. Сравнение результатов расчета аварий разрыва ГЦТ на входе и

на выходе из реактора с учетом всех выполненных вариантных расчетов показывет, что в случае разрыва ГЦТ на выходе из реактора режим протекает с меньшими возмущениями по параметрам теплоносителя и активной зоны:

в течение всего аварийного процесса нет полного осушения активной зоны;

расход через активную зону в начальный период аварии (12 с) снижается значительно медленнее, сохраняя свое первоначальное направление.

Все эти факторы приводят к значительно лучшему охлаждению

активной зоны. По данным расчета в аварии разрыва ГЦТ на выходе из реактора по уровню температур условия для разгерметизации оболочек твэлов не достигаются, пароциркониевая реакция отсут-

72

ствует; в кризис теплообмена попадают только наиболее теплонапряженные твэлы.

Блокировки или уставки, вызывающие срабатывание систем и устройств, аналогичны приведенным в табл. 2.3.1.

Таблица 2.3.4

Последовательность срабатывания систем и устройств

2.3.3. Режимразрыва соединительного трубопровода «КД – горячаянитка ГЦТ»

При анализе разрыва соединительного трубопровода «КД – горячая нитка ГЦТ» начальная стадия аварии характеризуется наибольшим изменением параметров теплоносителя. Качественно, протекание начального периода аварии происходит аналогично аварии разрыва ГЦТ. Однако изменение параметров происходит значительно медленнее, поэтому условия охлаждения активной зоны значительно лучше и твэлы успевают охладиться почти до температуры теплоносителя.

73

Вследствие вскипания воды в первом контуре уровень воды в КД повышается, и через разрыв начинает вытекать пароводяная смесь. Подача воды двумя высоконапорными насосами аварийного расхолаживания не компенсирует утечку теплоносителя и при снижении давления в первом контуре ниже уставки 60 кгс/см2 происходит периодическая подача воды из емкостей САОЗ. Активная зона не осушается, и твэлы расхолаживаются до температуры теплоносителя.

2.3.4. Режимразрыва трубопровода «емкость САОЗ – нижняякамера смешения»

Качественное протекание процесса при разрыве трубопровода «емкость САОЗ – нижняя камера смешения» аналогично аварии разрыва ГЦТ на входе в реактор, но изменение параметров происходит несколько медленнее. Вследствие уменьшения расхода через активную зону наступает кризис теплообмена и начинается рост температуры оболочек твэлов, однако деформаций их оболочек не происходит, и через некоторое время они начинают расхолаживаться.

2.3.5. Режимразрыв трубопровода «емкость САОЗ – верхняякамера смешения»

При разрыве трубопровода «емкость САОЗ – верхняя камера смешения» твэлы расхолаживаются до температуры теплоносителя. Осушения активной зоны не происходит. Начиная с сотой секунды с начала аварии, истечение теплоносителя из первого контура компенсируется подачей воды от системы САОЗ.

Анализ выполнения приемочных критериев по режимам «боль-

шой» течи дан в пп. 2.3.1–2.3.5.

Критерий 1. Давление в системе теплоносителя первого контура и паропроводах парогенераторов не должно превышать расчетное значение на 15 %, т.е. давление теплоносителя первого и второго контуров не должно превышать 20,24 и 9,02 МПа, соответственно.

Как видно из результатов расчета для всего спектра рассмотренных больших течей из первого контура, давление теплоносителя первого контура в течение всего аварийного процесса не превышает начального значения. Максимальное давление теплоносителя

74

второго контура не превышает давления срабатывания БРУ-А (7,15 МПа).

Таким образом, предельные значения давления теплоносителя первого и второго контуров не достигаются, и приемочный критерий 1 выполняется.

Критерии 8, 10. Отсутствие мгновенного разрушения топлива проверяется по следующим проектным требованиям:

топливные таблетки не плавятся даже локально (критерий 8);

радиально усредненная энтальпия топливной таблетки не должна превышать 840 и 963 Дж/г для облученного и свежего топлива, соответственно (критерий 10).

Поскольку значения максимальной температуры топлива в твэле не превышают своих начальных (исходных) значений в течение всего аварийного процесса, и радиально усредненная энтальпия топлива также не превышает пороговых величин, то требования критериев 8 и 10 выполняются.

Критерий 9. Должны удовлетворяться следующие условия аварийного охлаждения активной зоны:

а) максимальная температура оболочки твэла, достигаемая в

аварийных условиях, не должна превышать 1200 С; б) глубина локального окисления оболочки не должна превы-

шать 18 % от первоначальной толщины оболочки; в) доля прореагировавшего циркония не должна превышать 1 %

его массы в оболочках твэлов; г) расчетное изменение геометрии активной зоны (деформация

оболочки и разгерметизация твэлов) таковы, что зона имеет возможность послеаварийного расхолаживания;

д) плавление стержней СУЗ не допускается даже локально. Перемещение стержней СУЗ в реакторе не должно нарушаться из-за возможных деформаций в топливных сборках, стержнях СУЗ и внутриреакторных устройствах;

е) взаимодействие между различными компонентами ТВС не должно приводить к плавлению этих компонентов;

ж) должно быть достигнуто такое безопасное состояние активной зоны, при котором созданы условия для поддержания реактора в подкритичном состоянии, его расхолаживания после аварии, а также для демонтажа активной зоны и внутриреакторных устройств.

75

Анализ результатов показал:

температура оболочки твэла достигает своего максимального

значения (1065 С) в аварии разрыва ГЦТ на входе в реактор, для других разрывов максимум температуры оболочки существенно ниже; таким образом, в течение всего аварийного процесса значения максимальной температуры оболочки твэла не превышают

1200 С; т.е. требование а) критерия 9 выполняется;

значение глубины локального окисления оболочки не превышает 1,8 % от первоначальной толщины оболочки;

доля прореагировавшего циркония не превышает 0,4 % его массы в оболочках твэлов;

расчетное изменение геометрии активной зоны – деформация

оболочек твэлов с Kr = 1,6 и 1,5 составляет 32 %, которая реализуется только в аварии разрыва ГЦТ на входе в реактор. Блокировка проходного сечения пучка твэлов при этом составляет 64 % и, как показывают расчеты, при этои имеется возможность послеаварий-

ного расхолаживания активной зоны;поскольку температура направляющих каналов в активной

зоне для органов СУЗ не может превысить максимального значения температуры оболочки твэла (1065 С), которая достигается в аварии разрыва ГЦТ на входе в реактор, плавление НК и регулирующих стержней исключено.

Таким образом, условия теплообмена в активной зоне в течение всего аварийного процесса таковы, что отсутствуют предпосылки к нарушению требований а)–е) критерия 9.

Устойчивая работа систем безопасности обеспечивает условия для выполнения требования ж) критерия 9.

Критерий 4. Система теплоносителя первого контура поддерживается в безопасном состоянии, т.е. обеспечивается кратковременное и длительное охлаждение активной зоны.

Проектные аварии проанализированы от начала исходного события до момента выхода на параметры расхолаживания оборудования при устойчивой работе систем безопасности. Исполнение всех проектных пределов аварийного охлаждения зоны критериев 8 и 9 обеспечивает выполнение приемочного критерия 4.

Критерий 5. Давление в системе теплоносителя первого контура и паропроводах ПГ поддерживается ниже допустимых проектных

76

пределов с учетом возможных хрупких разрушений и изменений вязкостных свойств.

Проверка выполнения этого критерия проводится в соответствии со специальной методологией, описанной в специальном документе.

Критерий 2. Исходное событие не может привести к более серьезной обстановке (проектная авария не приведет к более тяжелой аварии без дополнительного отказа).

Иными словами, без наложения дополнительного отказа авария не приведет к более тяжелой аварии, если последствия аварии ограничиваются установленными для таких аварий пределами (то есть установленными для данного исходного события приемочными критериями).

Проведенный выше анализ показал, что установленные для данной аварии приемочные критерии выполняются, следовательно, выполняется и критерий 2.

Заключение к разд. 2.3. Выполненный теплогидравлический анализ аварий с большими течами теплоносителя первого контура (Ду > 100 мм, включая разрыв главного циркуляционного трубопровода) для реакторной установки ВВЭР-1000 показал, что:

защитные действия систем безопасности обеспечивают сохранение целостности оболочек твэлов и приводят РУ в контролируемое безопасное состояние;

приемочные критерии в течение всего аварийного процесса выполняются и, следовательно, безопасность РУ в рассмотренной аварии обеспечивается.

77

Рассматриваемый режим относится к категории проектных аварий, поэтому анализ режима проводится с учетом возможного наложения обесточивания АЭС в наиболее неблагоприятный момент времени.

Критерии оценки безопасности. Обоснование безопасности РУ в данном режиме проводится на основе анализа выполнения приемочных критериев для аварийного режима. Перечень критериев приведен в табл. 1.1.1.

Последовательность событий и работа систем. Наихудшим с точки зрения охлаждения активной зоны является режим мгновенного заклинивания вала одного ГЦН из четырех работающих. В данном анализе рассмотрен этот режим с наложением обесточивания блока в момент начала аварии. Рассмотривается два варианта событий с уровнями мощности 104 и 54 % от номинальной и с работой в исходном состоянии на двух и четырех ГЦН.

Исходным событием является механическое повреждение одного ГЦН, в результате чего возникает заклинивание или разрыв вала.

По факту снижения перепада на повреждённом ГЦН менее 0,245 МПа формируется сигнал на срабатывание АЗ.

Задержка на прохождение сигнала в электрических цепях не превышает 0,3 с.

Срабатывание АЗ по фактору обесточивания АЭС происходит с задержкой 1,7 с.

Обесточивание АЭС консервативно принимается в момент заклинивания или разрыва вала ГЦН.

Заклинивание или разрыв вала одного ГЦН приводят к резкому снижению расхода через активную зону, вследствие чего происходит повышение температуры теплоносителя и давления в первом контуре, а в активной зоне реактора возможно возникновение кризиса теплообмена.

После срабатывания аварийной защиты основные параметры реакторной установки начинают снижаться. К 800 с аварии основные параметры первого и второго контура стабилизируются.

Рассматриваемый аварийный режим исследуется с наложением обесточивания АЭС в момент времени, совпадающий с моментом заклинивания или разрыва вала ГЦН. Наложение обесточивания АЭС в момент заклинивания или разрыва вала ГЦН приводит к наиболее неблагоприятному ходу развития аварии.

79