EXPERT EVALUATION OF PASSIVE EMERGENCY PROTECTION DEVICES USING HEAT TRANSFER CRISIS PHENOMENON BASED ON CRITERIA ANALYSIS
Огромное разнообразие предлагаемых решений по пассивным устройствам аварийной защиты (ПУАЗ) требует проведения критериального анализа, позволяющего выявить наиболее приемлимые из них применительно к реальным условиям эксплуатации реакторных установок. Однако нет единого документа, где были бы системно изложены технические критерии надежности и безопасности, используемые для определения, обеспечения и повышения уровня безопасности ЯЭУ. Так, например, для анализа и последующей оценки степени совершенства ПУАЗ в основу систематизации авторы [1] посчитали целесообразным положить физический эффект, используемый в температурочувствительном элементе, причем преимущества и недостатки физического эффекта будут в основном определять, несмотря на разнообразие конструкций, и их свойства в целом.
Общим, и, пожалуй, главным недостатком ПУАЗ, отмеченным авторами работы [2] и [3] после проведения анализа отечественных и зарубежных патентных решений по прямодействующей аварийной защите, можно считать задержку по времени до срабатывания, поэтому их прежде всего рекомендуют для реакторов с газовым или жидко-металлическим теплоносителем, где в аварийных ситуациях имеет место большой градиент температуры теплоносителя до подъема мощности реактора.
Действительно, в составляющих основу атомной энергетики водо-водяных реакторах, в отличие от газовых и жидкометаллических, диапазон изменения температур в активной зоне при существенном изменении мощности реактора невелик (конечно, если не начался кризис теплоотдачи). Это делает практически трудноосуществимым создание в них надежных ПУАЗ на рассмотренных и анализируемых авторами [1], [2], [3] принципах, которые с одной стороны, для исключения ложных срабатываний, должны обладать четко выраженным пороговым характером работы, а также малой инерционностью, а с другой стороны – должны быть устойчивы к эксплуатационным факторам.
Одним из определяющих факторов разрушения твэлов в водо-водяных реакторах является кризис теплоотдачи при кипении, приводящий к резкому повышению температуры оболочки твэла, её плавлению и выходу топливной композиции в теплоноситель [4]. Рассматриваемые ранее устройства прямодействующей аварийной защиты не учитывали этот механизм, и поэтому, практически теряли свою эффективность ввиду своей инерционности. Следуя логике “клин клином вышибают” наиболее рациональным физическим эффектом, на основе которого следует строить работу прямодействующей аварийной защиты, является тот же самый кризис теплоотдачи, обладающий ярко выраженной пороговостью. При этом решается основная проблема, не позволявшая ранее рассматривать ПУАЗ в качестве равноценных ныне действующим активным системам, а именно обеспечивается быстродействие, превосходящее быстродействие любых подавляемых (данным средством) аварийных процессов и/или их сочетаний, приводящих к превышению установленных пределов безопасности.
Описанный принцип может быть реализован в компактных автономных устройствах ампульного типа, с возможностью установки их непосредственно в тепловыделяющую сборку на место одного из твэлов и позволяющих вводить отрицательную реактивность (например, жидкий поглотитель из аккумулятора) в аварийных ситуациях.
В работе [5] приведен комплекс 26 критериев, рассматриваемый как инструмент для быстрой экспертной оценки безопасности разрабатываемых, действующих или модернизируемых установок в целях их анализа, сравнения (с прототипами и вариантов между собой), выявления узких мест и их устранения. Ниже этот критериальный комплекс рассматривается применительно к оснащению водо-водяной реакторной установки устройством аварийной защиты прямого действия, использующим явление кризиса теплоотдачи.
- Самозащищенность. Оснащение ТВС или активной зоны рассматриваемыми пассивным устройством аварийной защиты (ПУАЗ) повышает самозащищенность РУ, так как при опасном повышении мощности реактора, приводящем к опасности возникновения (или возникновению) кризиса теплоотдачи на твэла, независимо от внешних факторов, срабатывает механизм ввода отрицательной реактивности и реактор глушится.
- Оснащенность. Реакторная установка оснащается дополнительно независимой системой остановки, срабатывающей при достижении опасных параметров.
- Обеспеченность функций. Рассматриваемое устройство безопасности не мешает функции управления при нормальной эксплуатации, обеспечивает остановку реактора при проектных авариях и дублирование (страхование) функции остановки при непроектном отказе основной системы остановки.
- Структурное деление систем. Подсистемы, обеспечивающие защитное действие устройства (исполнительная, управляющая и обеспечивающая) полностью автономны и не связаны с другими системами защиты
- Постоянство выполнения функций. Функция безопасности устройства (аварийного ввода отрицательной реактивности) обеспечивается постоянно, когда установка работает и когда остановлена.
- Автоматичность. Устройство срабатывает автоматически при достижении режимным параметром аварийного значения – снижения локального запаса до кризиса ниже установленного значения.
- Обеспечение быстродействия. Быстродействие устройства превосходит быстродействие любых подавляемых (данным средством) аварийных процессов и/или их сочетаний, приводящих к превышению установленных пределов безопасности. Это достигается идентичностью физических эффектов срабатывания устройства и разрушения активной зоны (кризис теплоотдачи), а также правильным конструктивным исполнением ПУАЗ, что обеспечивает упреждающее срабатыванию его по сравнению с опасным развитием аварийной ситуации в активной зоне.
- Безопасный отказ. Отказобезопасность. Отказ устройства в виде ложного срабатывания приведет к вводу отрицательной реактивности в активную зону, что не приводит к опасным последствиям. Вероятность отказа устройства в аварийной ситуации сильно зависит от конкретной конструкции и может быть сведена к минимуму, например, за счет выполнения отрывного и крепежного элементов с конусными поверхностями (рис.1, а), что исключит возможность заклинивания при плавлении разрушаемого элемента (припоя). Это приводит к тому, что устройство, скорее, сработает ложно, чем откажет, то есть удовлетворяет критерию отказобезопасности.
- Резервирование структурное. Ввиду ограниченности физических размеров и упрощенности устройств, устанавливаемых в ТВС, наиболее рациональной представляется одноканальная структура, без резервных элементов. Этот недостаток может компенсироваться увеличением числа устройств в активной зоне, т.е. избыточностью самих устройств.
- Резервирование временное. Временное резервирование обеспечивается за счет принципа работы защитного устройства, подразумевающего упреждающее развитие опасного явления (кризиса теплоотдачи) на самом устройстве по сравнению со временем начала опасных процессов на твэлах.
- Резервирование функциональное. Можно выделить еще одну функцию, помимо аварийной защиты реактора, которую может выполнять устройство при его установке в ТВС. Эта функция обеспечения ядерной безопасности при хранении и транспортировке отработавших ТВС.
- Резервирование информационное. Ввиду полной автономности устройств информационное резервирование, т.е. обеспечение избыточной информацией (контроль не основных косвенно влияющих параметров) излишне.
- 13. Независимость (по функциям и размещению). Применение рассматриваемых устройств полностью удовлетворяет данному критерию, так как обеспечивает функциональное и физическое (пространственное) разделение систем безопасности, причем, отказ одной системы (канала, элемента) не приводит к отказу других средств безопасности.
- Разнообразие, разнотипность, неодинаковость. В рассматриваемой системе безопасности применяются средства, отличные по принципу действия, конструктивному исполнению, агрегатному состоянию, размещению, источникам энергии и элементной базе от основной системы остановки реактора. Так, если в основной системе остановки применяются твердотельные (стержневые) тягоприводные рабочие органы, вводимые в зону силой тяжести, в рассматриваемой системе остановки используется текучий поглотитель (в жидком или сыпучем состоянии), без приводных тяг, вводимый в зону собственным давлением.
- 15. Эшелонирование (защита в глубину). ПУАЗ должны быть разработаны и настроены таким образом, что их срабатывание происходит лишь в случае невыполнения заданной функции защиты основной системой защиты, когда параметры работы (расход, мощность, давление, температура, паросодержание) и их сочетание достигают действительно опасных значений, угрожающих наступлением кризиса теплоотдачи на твэлах.
- 16. Пассивность (срабатывания). Рассматриваемые устройства наиболее полно удовлетворяют этому критерию, так как срабатывание должно происходить непосредственно от аварийного события (режимных параметров или их сочетания), не требуют для срабатывания подачи энергии и/или включения (функционирования) других (прежде всего управляющих) систем.
- Защищенность от внешних воздействий (со стороны посторонних предметов и людей). Рассматриваемые устройства безопасности в процессе выполнения ими своих основных функций находятся в корпусе реактора (практически недоступное место), а, следовательно, защищены от внешних воздействий, в том числе от неумелых и/или злонамеренных действий. Срабатывание устройств рассчитано и на случай несанкционированных действий – никакие внешние воздействия не приводят к потере функций.
- Контролируемость (готовности и факта срабатывания). Устройства пригодны к проведению контроля при вводе в эксплуатацию и в течение всего срока службы для указания состояния исполнительных средств (готовности и факта срабатывания), например, по наличию жидкого или сыпучего поглотителя в емкости, а также по давлению внутри корпуса устройства. Наличие поглотителя в сбросной камере может контролироваться, например, индуктивным методом, по давлению или по изменению электросопротивления. Следует отметить ограниченность контролируемости применительно к рассматриваемым устройствам ввиду их одноразовости. По этой причине невозможно провести проверку работоспособности конкретных устройств в целом и ее составных элементов, а также испытания на соответствия проектным показателям без их срабатывания, что влечет выход устройств из строя и непригодность к дальнейшей эксплуатации. Попытка создания многоразовых устройств подобного типа, вероятно, приведет к необоснованному усложнению и удорожанию.
- 19. Опробованность в штатных условиях. Удовлетворение этому критерию потребует проведения большого объема экспериментальных работ (в том числе в реакторных условиях), для чего могут быть использованы, например, петлевые установки исследовательских реакторов, а так же экспериментальные стенды с использованием электронагрева. С точки зрения разработки реальных ПУАЗ, использующих явление кризиса теплоотдачи, этот этап является, пожалуй, наиболее сложным и дорогостоящим.
- Посвященность (одной цели). Устройство предназначается и используется для выполнения одной целевой функции – вводу положительной реактивности в активную зону при достижении опасных значений технологических параметров и функционально отделено от систем нормальной эксплуатации.
- Низкая энергонапряженность энергоустановки и ее средств безопасности. Если первая часть критерия может и должна быть выполнена, то со второй частью, относительно рассматриваемого устройства, ситуация сложнее. Именно более высокая энергонапряженность в локальной области защитного устройства обеспечивает выполнение защитного действия в аварийной ситуации, поэтому есть ограничения в создании щадящих условий работы для всех элементов и в отсутствии там экстремальных условий. Необходимо учитывать, что меньший запас до кризиса теплоотдачи в защитном устройстве по сравнению с запасом до кризиса в активной зоне – есть ключевой фактор принципа работы данной системы защиты.
- Модульность энергоустановки и ее средств безопасности (ампульность). Рассматриваемое устройство полностью удовлетворяет данному критерию, что обеспечивает его заменяемость и возможность технического усовершенствования, с заменой устройств на улучшенные.
- Простота конструкторских решений и обслуживания энергоустановки и ее средств безопасности. В части простоты конструкторских решений данные устройства защиты могут легко удовлетворить этому критерию. Что же касается обслуживания энергоустановки и ее средств безопасности в случае срабатывания устройства, то, вероятно, придется выгружать ТВС с отработанным устройствам, и заменять ее свежей.
- Безвредность действия (для окружения). Ампульность устройства, при надлежащей толщине стенок корпуса, обеспечивает отсутствие его влияния на окружение, так как все процессы происходящие при срабатывании ограничиваются корпусом (оболочкой) устройства.
- Дружественность средств безопасности оперативному персоналу. Полная автономность устройства исключает влияние на него со стороны оперативного персонала, а, значит, позволяет сосредоточиться персоналу на других системах безопасности, обеспечивая благоприятные условия для принятия правильных решений.
- Доведение действия до конца. Простота конструкции и алгоритма действия устройства позволяет доводить до конца защитное действие (ввод положительной реактивности) при наступлении кризиса теплоотдачи в локальной области, приводящего к плавлению припоя и отрыву пробки, удерживающий поглотитель от ввода в активную зону.
Результаты экспертной оценки представлены в таблице.
Таблица Результаты экспертной оценки ПУАЗ на основе кризиса теплоотдачи
Условные обозначения: (++) – полностью удовлетворяет; (+) – в большей степени удовлетворяет;
(+ –) – удовлетворяет частично; (– +) – требует улучшения
| № п/п | критерий | Экспертная оценка |
|---|---|---|
| 1 | Самозащищенность | ++ |
| 2 | Оснащенность | ++ |
| 3 | Обеспеченность функций | ++ |
| 4 | Структурное деление систем | ++ |
| 5 | Постоянство выполнения функций | ++ |
| 6 | Автоматичность | ++ |
| 7 | Обеспечение быстродействия | ++ |
| 8 | Безопасный отказ. Отказобезопасность. | ++ / + |
| 9 | Резервирование структурное | + - |
| 10 | Резервирование временное | ++ |
| 11 | Резервирование функциональное | ++ |
| 12 | Резервирование информационное | - + |
| 13 | Независимость (по функциям и размещению) | ++ |
| 14 | Разнообразие, разнотипность, неодинаковость | ++ |
| 15 | Эшелонирование (защита в глубину) | ++ |
| 16 | Пассивность (срабатывания) | ++ |
| 17 | Защищенность от внешних воздействий (со стороны посторонних предметов и людей) | + |
| 18 | Контролируемость (готовности и факта срабатывания) | + |
| 19 | Опробованность в штатных условиях | - + |
| 20 | Посвященность (одной цели) | ++ |
| 21 | Низкая энергонапряженность энергоустановки и ее средств без¬опасности | + - |
| 22 | Модульность энергоустановки и ее средств безопасности (ампульность) | ++ |
| 23 | Простота конструкторских решений, обслуживания энергоуста¬новки и ее средств безопасности | + |
| 24 | Безвредность действия (для окружения) | ++ |
| 25 | Дружественность средств безопасности оперативному персоналу | ++ |
| 26 | Доведение действия до конца | ++ |
Этот критериальный анализ позволяет говорить о имеющихся достоинствах пассивных устройств аварийной защиты (ПУАЗ) на основе использования такого явления, как кризис теплоотдачи, а, следовательно, и о возможной перспективности разработок устройств аварийной защиты данного типа.
Конечно же, приведенные выше доводы не являются бесспорными, поэтому данный материал может рассматриваться в только качестве дополнительной информации для специалистов, проектирующих системы аварийной защиты ядерных реакторов.
Список источников
- Портяной А.Г., Сердунь Е.Н., Сорокин А.П. и др. Пассивные устройства аварийной защиты реакторов: классификация характеристик и их оценка. – Атомная энергия, 1998, т.84, вып.5, с.39-398.
- Ионайтис Р.Р., Шведов Н.Л. Прямодействующая аварийная защита. – Атомная техника за рубежом, 1988, №1 с. 10-16.
- Ионайтис Р. Р., Шведов Н. Л. Системы безопасности ядерных реакторов. АИНФ-614. М.: ЦНИИатоминформ, 1984. 100 с.
- Самойлов О.Б., Усынин Г.Б., Бахметьев А.М., Безопасность ядерных энергетических установок, М., Анергоатомиздат, 1989 г.
- Ионайтис P.P. Комплекс критериев для определения, обеспечения и повышения уровня безопасности энергоустановок. – Атомная энергия, 1995, т.79, вып.2, с.84-87.
uzikof@gmail.com
uzikov62@mail.ru
Address
Bratskaya st., 27 apt. 61 Dimitrovgrad, Ulyanovsk region, Russia, 433515
Call Us
+7 917 622 40 47