Исследование кризисов кипения и смены режимов многофазных течений в условиях, характерных для аварий на реакторах АЭС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТОНКОМ ПОЛУСФЕРИЧЕСКОМ ПОРИСТОМ СЛОЕ.

1.1. Введение.

1.2. Анализ стационарных режимов кипения.

1.3. Устойчивость стационарных решений.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПЛЕНОЧНОГО КИПЕНИЯ НА НАКЛОННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ В НЕДОГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ.

2.1. Введение.

2.1.1. Обзор моделей пленочного кипения.

2.1.2. Визуальные наблюдения поверхностных волн.

2.2. Качественное рассмотрение стационарного пленочного кипения.

2.2.1. Физическая модель и система координат.

2.2.2. Случай насыщенного кипения. Умеренные перегревы поверхности.

2.2.3. Кипение с недогревом.

2.2.4. Ограничения на использование модели.

2.3. Анализ устойчивости. Основные уравнения.

2.3.1. Характер возмущений в паровом слое и жидкости.

2.3.2. Дисперсионное уравнение.

2.4. Влияние вариаций теплового потока на динамику возмущений.

2.5. Анализ дисперсионного уравнения.

2.5.1. Условие развития неустойчивости.

2.5.2. Ограничения на угол наклона поверхности.

2.6. Критерий изменения характера неустойчивости.

2.6.1. Высокие недогревы. Кинематические волны.

2.6.2. Низкие недогревы. Капиллярные волны.

2.7. Смена режимов пленочного кипения с точки зрения анализа неустойчивости.

2.7.1. Механизм смены волновых режимов.

2.8. Характеристики паровых ячеек.

2.8.1. Неустойчивость Кельвина-Гелъмголъца.

2.8.2. Рябь.

2.8.3. Механизмы, определяющие длину паровых ячеек.

2.8.ЗА. Длина паровой ячейки при развитии абсолютной неустойчивости.

2.8.3В. Длина паровой ячейки при развитии конвективной неустойчивости.

2.8.4. Сравнение с экспериментами.

2.9. Выводы.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ПЛЕНОЧНОГО КИПЕНИЯ НА ФРАГМЕНТАЦИЮ СТРУИ РАСПЛАВА В ТЕПЛОНОСИТЕЛЕ.

3.1. Введение.

3.1.1. Механизмы фрагментации и разрушения струй.

3.1.2. Современные модели фрагментации.

3.1.3. Цель исследования.

3.2. Основные предположения и уравнения.

3.2.1. Структура невозмущенного течения.

3.2.2. Линеаризованные уравнения и граничные условия.

3.3. Решение уравнений.

3.4. Анализ дисперсионного уравнения.

3.4.1. Сильная связь между капиллярными волнами.

3.4.2. Слабая связь между капиллярными волнами.

3.4.3. Взаимодействие капиллярных волн с кинематической волной в пленке.

3.4.ЗА. Неустойчивость на границе пар-теплоноситель.

3.4.3В. Неустойчивость на границе пар-расплав.

3.5. Фрагментация струи расплава.

3.6. Новые свойства переходных критериев.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. КРИЗИС ПУЗЫРЬКОВОГО КИПЕНИЯ В УСЛОВИЯХ БЫСТРОГО НАГРЕВА.

4.1. Введение.

4.2. Экспериментальная установка и методики измерений.

4.3. Эксперименты по нагреву мишени в воздухе.

4.3.1. Анализ данных в рамках одномерной модели.

4.3.2. Анализ данных с учетом реального распределения температуры в образце.

4.4. Экспериментальное наблюдение кризиса пузырькового кипения.

4.5. Обработка экспериментальных данных и результаты.

4.6. Модель кризиса пузырькового кипения при быстром нагреве.

4.6.1. Особенности наблюдаемой картины импульсного кипения.

4.6.2. Общие положения модели.

4.7. Начало кипения.

4.7.1. Начало кипения на технических поверхностях.

4.7.2. Начало кипения на полированных поверхностях.

4.7.3. Сравнение с экспериментами.

4.8. Рост паровых пузырей.

4.8.1. Теплообмен в купольной части пузыря.

4.8.2. Теплообмен у основания пузыря.

4.8.3. Общая модель роста пузыря в условиях быстрого нагрева.

4.9. Плотность готовых центров парообразования.

4.10. Тепловая модель кризиса кипения.

4.11. Анализ модели.

4.11.1. Качественный анализ.

4.11.2. Результаты расчетов.

4.11.3. Ограничения на использование модели.

4.12. Сравнение модели с экспериментами.

4.12.1. Сравнение с экспериментами по нагреву электрическим током.

4.12.2. Сравнение с экспериментами по лазерному нагреву.

4.13. Выводы.

Актуальность темы

В связи с авариями на атомных реакторах TMI-2 (США, 1979) и в Чернобыле (СССР, 1986) в последние два десятилетия повысились требования к безопасности АЭС, и вырос интерес к исследованию возможных аварийных процессов. Современный подход к анализу аварий заключается в создании и использовании специальных численных кодов. Это вызвано большими техническими и финансовыми трудностями при проведении полномасштабных экспериментов с воспроизведением условий аварии. Построение кодов основано на разработке физических моделей, которые сначала валидируются на мелкомасштабных экспериментах, а затем используются для описания реальных процессов. В связи с постоянным обновлением экспериментальной базы, а также с растущей необходимостью описывать процессы во все более широком диапазоне параметров возникает потребность в непрерывном совершенствовании кодов. Это делает крайне актуальным уточнение старых и разработку новых физически обоснованных моделей.

Одним из важнейших элементов аварии, требующих адекватного моделирования, является контакт нагретых конструкций или нагретых материалов с теплоносителем. Как правило, такие контакты сопровождаются бурным кипением. Протекание аварии в целом и тяжесть ее последствий в существенной степени зависят от характера кипения и реализующегося при этом уровня теплоотдачи. В зависимости от условий возможны различные режимы кипения: пузырьковое, пленочное или переходное. Со сменой режимов кипения, или иначе - с кризисами, связано резкое изменение теплоотдачи. Серьезную опасность представляет, например, кризис пузырькового кипения при импульсном энерговыделении в твэл в ходе реактивностной аварии [1]. Ухудшение теплоотдачи при наступлении кризиса может повлечь плавление оболочки и разрушение топливных стержней. Следует отметить, что с изменением внешних условий также могут количественно и качественно меняться характеристики каждого из режимов кипения [2]. Это сказывается в том числе и на уровне теплоотдачи.

Помимо локальных условий теплообмена кипение может существенным образом определять и интегральные характеристики аварийных процессов. В ходе тяжелой аварии от особенностей кипения, например, в значительной мере зависит режим фрагментации струй расплавленных материалов при их взаимодействии с теплоносителем. В некоторых случаях струя не успевает разрушаться и ударяется о корпус реактора, вызывая сильное локальное повышение температуры [3]. В результате разогрева может произойти проплавление или, при значительном механическом нагру-жении, - локальный разрыв корпуса. В противоположном случае интенсивной фрагментации струи на очень мелкие капли происходит лавинообразное увеличение количества генерируемого пара, и возникает возможность парового взрыва [4]. В промежуточных условиях расплав дробится и застывает в виде относительно крупных частиц. При оседании на дно корпуса или шахты реактора такие частицы могут образовывать тепловыделяющие пористые структуры [5]. В зависимости от режима двухфазного течения пара и жидкости в пористой среде образованные структуры могут либо остывать либо повторно плавиться. В последнем случае возникает опасность перегрева и разрушения корпуса или шахты.

Возможность качественного изменения характера процессов при изменении их масштаба, геометрии, интенсивности, энерговклада и т.д. определяет специфику аварийных задач. При такой специфике выработанные ранее модели оказываются зачастую неадекватными. Это обуславливает актуальность специального изучения возможных режимов кипения и многофазных процессов в аварийных условиях и закономерностей их смены. Следует отметить, что рассматриваемые вопросы имеют широкую сферу приложений и в других областях, таких как, например, металлургия, криогенная и ракетная техника, проблемы, связанные с вулканической активностью.

Цель работы

Целью работы явилось построение и анализ моделей, позволяющих описывать смену режимов кипения и многофазных течений в характерных аварийных условиях. В диссертации рассмотрены следующие конкретные задачи:

1. Описание процесса кипения жидкости в тонком полусферическом тепловыделяющем пористом слое. Определение критической мощности тепловыделения, при которой наступает осушение и разогрев слоя. Задача имеет отношение к проблеме удержания обломков разрушенной активной зоны (дебриса) внутри корпуса реактора при тяжелой аварии.

2. Исследование режимов пленочного кипения на наклонной поверхности в зависимости от недогрева жидкости, получение критерия смены режимов. Описание характеристик паровой пленки в каждом из режимов.

3. Анализ влияния пленочного кипения на фрагментацию струи расплава при взаимодействии с теплоносителем. Определение условий смены режимов фрагментации.

4. Исследование теплоотдачи при импульсном выделении энергии в нагревателе. Развитие модели кризиса пузырькового кипения в условиях быстрого роста температуры поверхности нагрева, проведение экспериментов. Рассмотрение задачи важно с точки зрения моделирования реактивностных аварий.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Каждая глава начинается кратким обзором по соответствующей проблеме и заканчивается выводами, наиболее важные из которых сформулированы в конце работы. Диссертация изложена на 139 страницах текста и содержит 2 таблицы, 55 рисунков, 117 наименований цитированной литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В ходе тяжелой аварии дополнительное охлаждение дебриса может происходить за счет кипения теплоносителя в узком высокопористом зазоре вдоль внутренней поверхности корпуса реактора. На основе теории фильтрации удается развить аналитическую модель кипения жидкости в таком зазоре и определить критические значения мощности тепловыделения для полусферической геометрии пористого канала. При тепловыделении выше критического происходит осушение и разогрев пористого канала с опасностью разрушения корпуса реактора.

2. Экспериментально наблюдаемая смена режимов пленочного кипения на наклонных поверхностях при изменении недогрева жидкости связана с двумя факторами. Во-первых, с ростом недогрева меняются параметры невозмущенного течения, в частности, значительно уменьшается толщина и скорость нарастания паровой пленки вдоль поверхности нагревателя. Во-вторых, при изменении характеристик невозмущенного течения меняется механизм взаимодействия кинематической волны в паровой пленке с поверхностной капиллярной волной, что приводит к изменению дисперсии наиболее неустойчивых волн. Условие изменения механизма неустойчивости устанавливает критерий перехода от одного режима пленочного кипения к другому.

3. Влияние пленочного кипения на фрагментацию струи расплава в недогретом теплоносителе связано с существенным различием характера неустойчивости в зависимости от толщины паровой пленки. Причиной неустойчивости и дробления струи является взаимодействие капиллярных волн на противоположных границах пленки друг с другом и с кинематической волной в паровом слое. В случае очень тонких пленок капиллярные волны взаимодействуют непосредственно с другом, что приводит к дестабилизации возмущений по типу неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. С увеличением толщины пленки каждая из капиллярных волн взаимодействует с кинематической волной. Характеристики неустойчивости при этом значительно изменяются, так что можно говорить о новом режиме фрагментации. Изменение режима фрагментации происходит уже при очень малой толщине парового слоя по сравнению с длиной волны неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. В случае контакта струи расплавленных материалов активной зоны с водой отличие составляет около двух порядков.

4. Для изучения кризиса пузырькового кипения при быстром нагреве можно с успехом использовать экспериментальную методику импульсного лазерного нагрева. Она позволяет определять параметры теплоотдачи при различных условиях энерговклада. Обработка данных проведенных экспериментов позволила выбрать параметры разработанной модели импульсного кипения на оболочках твэл. Модель развита на основе существующих теоретических представлений о кипении в стационарных условиях. Анализ экспериментальных данных по быстрому нагреву показывает, что с увеличением скорости выделения энергии качественно меняется характер наступления кризиса: во-первых, запаривание поверхности происходит вследствие слияния отдельных растущих пузырьков пара, во-вторых, до наступления кризиса пузырьки не успевают отрываться от поверхности и сохраняют форму, близкую к полусферической. Основанная на этих положениях модель хорошо описывает экспериментальные зависимости критического теплового потока от скорости нагрева. В рамках модели показано, что критический тепловой поток при быстром нагреве примерно пропорционален скорости роста паровых пузырей. В свою очередь, пузыри растут тем быстрее, чем выше скорость энерговыделения.

1. 1.shikawa М., "Fuel failure behavior of unirradiated fuel rods under Reactivity Initiated Accident conditions," Advanced Nuclear Science Technology, Vol.11, p.285,1979.

2. Толубинский В. И., "Теплоотдача при кипении," Киев, Наукова Думка, 1980.

3. Anderson J.L., Sienicki J.J., "Thermal behavior of molten corium during the TMI-2 core relocation event," Nuclear Technology, V.87, p.283,1988.

4. Abolfaldl M.A., Theofanous T.G., "An assessment of steam-explosion-induced containment failure, Part II: premixing limits," Nucl. Eng. and Design, V.97, p.282,1987.

5. Sienicki J.J. et.al., "Status of severe accident technology for accident management applications," ANL-NT-42 (Part 7.0: "Debris cooling"), V.l, p.7-1, 1997.

6. Lipinski R. J., "A Model for boiling and dryout in particle beds," SAND 82-0765/NUREG/CR-2646, Sandia National Laboratory, Albuquerque 1982, NM.

7. Tung V. X., Dhir V. K., "Quenching of debris beds having variable permeability in the axial and radial directions," Nuclear Engineering and Design, V.99, p.275,1987.

8. Wang С. H., Dhir V. K., "An experimental investigation of multidimensional quenching of a simulated core debris bed." Nuclear Engineering and Design, V.l 10, pp.61-72, 1988.

9. Лиханский B.B., Лобойко А.И., Хоружий O.B., "Двухфазная конвекция в пористой среде с неоднородным объемным тепловыделением," Атомная энергия, Т.82, Вып.З, С. 184,1997.

10. Khoruzhii О. V., Likhanskii V. V., Loboiko A. I., "Investigations of effects of a spatial inhomogeneity on the vapor-liquid dynamics in heat-generating porous medium," Proc. of Int. Conf. Heat and Mass Transfer LLFT-97, Turkey, 1997.

11. Remple et. al., "Margin-to-failure calculations for the TMI-2 vessel," Nuclear Safety, V.35,p.313,1994.

12. Henry R.E., Dube D.A., "Water in the RPV: a mechanism for cooling debris in the RPV lower head," Proc. OECD-CSNI Specialists Meeting on Accident Management, Stokholm, 1994.13