Атомная энергетика, находящаяся в ведении государственной корпорации по атомной энергии «Росатом», сегодня производит более 18% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Генерирующие энергию атомные электростанции (АЭС) представляют собой сложнейшие промышленные объекты, и их нормальное функционирование во многом определяется режимом радиационной безопасности и мерами его обеспечения. Безопасность является одним из основных приоритетов Госкорпорации «Росатом». О том, какие исследования проведены в уральском ядерном центре в интересах водородной безопасности на АЭС, рассказал заместитель научного руководителя Российского Федерального Ядерного Центра — Всероссийского научно-исследовательского института технической физики имени академика Е.И. Забабахина (РФЯЦ-ВНИИТФ) профессор Вадим Симоненко.
В современной ядерной энергетике наиболее распространенными и экономически выгодными являются реакторы на тепловых нейтронах с легководным теплоносителем. При работе ядерных реакторов накаливается большое количество радиоактивных материалов. Если авария происходит с потерей теплоносителя и отсутствует энергоснабжение реакторной установки, то авария сопровождается разрушением активной зоны и выходом большого количества (до нескольких тонн) водорода под защитную оболочку, где находятся реактор и помещения с оборудованием (с общим объемом помещений более 60 тыс. куб. м). Водород, перемешанный с воздухом, представляет громадную опасность. Взрыв этой смеси может привести к разгерметизации защитной оболочки, выходу больших количеств радиоактивных материалов и распространению их на огромные территории.
РФЯЦ-ВНИИТФ проводит уникальные исследования, нацеленные на повышение водородной безопасности АЭС с ВВЭР при тяжелых запроектных авариях. Такие аварии случаются очень редко: за всю историю мировой ядерной энергетики было три таких аварии — на АЭС ТримайлАйленд (США, 28.03.1979), на Чернобыльской АЭС (СССР, Украина, 26.04.1986) и на АЭС Фукусима (Дайичи, Япония, 11.04.2011). Однако масштабы причиненного ущерба колоссальны. Принятые в настоящее время меры предотвращения таких аварий формировались в 1980-е годы. С тех пор наука и технологии ушли далеко вперед, поэтому государства с развитой ядерной энергетикой стремятся усовершенствовать средства ослабления опасности аварий, начиная с этапа проектирования АЭС.
Именно на это направлена исследовательская программа, завершенная в этом году РФЯЦ-ВНИИТФ. Ее основная цель состояла в получении экспериментальных данных, необходимых для верификации действующих проектных кодов и создания нового поколения таких кодов. Генеральным заказчиком программы стал концерн «Росэнергоатом». В 2010 году при обсуждении ряда вопросов Владимир Григорьевич Асмолов, в то время заместитель генерального директора концерна «Росэнергоатом», и Георгий Николаевич Рыкованов, тогда директор и научный руководитель РФЯЦ-ВНИИТФ, предложили использовать для такой цели возможности ядерного центра. Привлекательным было то, что специалисты центра традиционно занимаются динамическими экспериментами с взрывными процессами и горением. При этом РФЯЦ-ВНИИТФ располагает возможностями проведения опасных экспериментов, в том числе с разрушением экспериментальных установок.
С целью разработки программы экспериментов были проанализированы результаты прежних исследований, методические достижения, теоретические модели и используемые программные средства, их использование при разработке проектных кодов. Работа проводилась в сотрудничестве с ведущими научными центрами страны, вовлеченными в обеспечение работ по водородной безопасности АЭС, — с Национальным исследовательским центром — Курчатовским Институтом (НИЦ — КИ), с Институтом проблем безопасности развития атомной энергетики (ИБРАЭ РАН), с Государственным научным центром Физико-энергетическим институтом (ГНЦ ФЭИ). В результате было выявлено два «белых пятна», определивших направления для новых исследований:
- расширение и обобщение данных по критериям воспламенения для различных составов сред, начальных температур (до 200° С) и давлений (до 5 атм), характерных для тяжелых аварий;
- проведение динамических экспериментов по заполнению парогазовым составом выделенных помещений и по развитию процессов горения в них с привязкой к перспективным проектам АЭС.
Была составлена довольно обширная программа исследований по этим двум направлениям. После непростого согласования работы по программе стартовали в июне 2015 года, проводились напряженно и были завершены в сжатые сроки к июню 2016 года. Все намеченные эксперименты были выполнены, и получены очень ценные результаты.
Работы по первой задаче были начаты на имевшейся в научно-исследовательском испытательном комплексе РФЯЦ-ВНИИТФ установке, в дальнейшем модернизированной. Всего по этой части программы было проведено 650 экспериментов. Их специфика такова, что для получения одной критериальной точки по воспламенению требовалось до десяти опытов, поэтому зачетных результатов было 85 (42 критериальных для основного состава водород — воздух — пар воды, 30 — для расширенного состава с добавлением монооксида углерода, 5 — с добавлением аэрозолей воды). Восемь экспериментов были посвящены изучению влияния на процесс способа инициирования. Полученные данные оказались крайне полезными для развития моделей воспламенения и самовоспламенения.
Вторую задачу помогли уточнить специалисты Атомэнергопроекта, непосредственного заказчика работ, которые рекомендовали для динамических экспериментов рассматривать процессы в сопряженных помещениях парогенератора (ПГ) и главного циркуляционного насоса (ГЦН). Именно в них поступает водород во многих сценариях тяжелых аварий, заполняя эти помещения водородосодержащим парогазовым составом, в котором запускаются процессы горения.
Для решения второй задачи использовались три типа установок. Две из них — большие макеты в масштабе 1:10 — создавались заново, а третьей служила многофункциональная ударная труба, имеющаяся в РФЯЦ-ВНИИТФ. Ее характерные размеры примерно в 200 раз меньше характерных размеров ПГ и ГЦН.
Многофункциональная ударная трубаМногофункциональная ударная труба эксплуатируется в лабораторных условиях и хорошо оснащена диагностическими средствами. Она позволяет проводить эксперименты с вертикальной и горизонтальной ориентацией сопряженных помещений. Основной недостаток ударной трубы в том, что все эксперименты на ней проводились только при нормальной исходной температуре (в дальнейшем планируется оснащение ее системой термостабилизации до температур 200° С). Были получены данные по изменению режима воспламенения при повышении концентрации водорода от предельных низких значений. Так, пламя распространяется только вверх при 6% концентрации водорода, при 8% — добавляется распространение в боковые стороны, при 10% — добавляется также распространение пламени вниз. Новые данные были получены о диффузном горении под потолком помещений при малых концентрациях водорода.
Из результатов динамических экспериментов особенно ценными были данные о влиянии перегородки и величины проема на переход горения из помещения в помещение при различных ориентациях сопряжения. При этом эксперименты на ударной трубе служили в качестве предварительных для больших макетов. Кроме того, оперативность подготовки опытов на ударной трубе и высокая квалификация персонала позволили провести уникальные эксперименты по истечению пароводородной струи и воспламенению в ней. Благодаря высокой точности результаты всех экспериментов на ударной трубе имеют большую самостоятельную ценность и могут непосредственно использоваться для развития моделей течений и горения и моделирующих программ нового поколения.
Большие макеты создавались в двух вариантах — непрочный и прочный макеты помещений ПГ и ГЦН. На каждом макете проведено по пять серий экспериментов: три моделировали одиночное помещение, и две — связанные помещения. Каждая серия состояла из нескольких подготовительных и заключительного «огневого». В предварительных экспериментах выбирались условия наиболее благоприятные для проведения «огневого». В нем осуществлялось воспламенение состава.
Для обеспечения визуализации процессов затекания пара и водорода и последующего горения стенки непрочного макета изготавливались прозрачными. Давление при поступлении пара и водорода поддерживалось близким к атмосферному, а температура была около 110 — 120° С. Как правило, в экспериментах с воспламенением легкий макет разрушался, но большим плюсом были простота подготовки экспериментов и богатая информация о деталях протекания процессов. Кроме того, в непрочном макете проще вносить изменения в конструкцию установки с целью оценки влияния вариации различных параметров.
В первых трех сериях экспериментов на непрочном макете рассматривались процессы, происходящие в изолированном помещении парогенератора. Была получена информация по распределению водорода и пара в верхней части помещения при разных направлениях струи. Были зарегистрированы режимы распространения пламени. Эти данные могут быть непосредственно использованы для развития моделей и кодов. В 4-й и 5-й сериях экспериментов на непрочном макете рассматривались процессы в двух моделях сопряженных помещений ПГ и ГЦН. Получены убедительные данные о существенном ускорении горения (на порядок по скорости пламени) при переходе из помещения ПГ в помещение ГЦН. Этот важный результат целесообразно учитывать в проектных работах. Он также может быть использован для развития моделей и кодов.
Для экспериментов с воспроизведением условий тяжелых аварий по давлениям (до 5 атм), температурам и водородосодержащим парогазовым составам потребовался прочный макет, состоящий из двух прочных камер объемом около 14 куб. м. Камеры оборудованы окнами на трех высотах. Они используются для постановки оптических измерений и организации ввода каналов измерительных методик. На трех уровнях камеры могут быть соединены сильфоном с внутренним диаметром 500 мм. На прочном макете также были проведены пять серий экспериментов, и каждая из них дала ценную информацию для развития моделей и верификации кодов.
В целом вся выполненная программа является существенным вкладом в совершенствование арсенала средств, служащих повышению водородной безопасности АЭС. Применение ее результатов в проектных работах принесет существенные дивиденды нашей отрасли и повысит водородную безопасность российских АЭС.
РФЯЦ-ВНИИТФ подготовил предложения по развитию исследований вопросов водородной безопасности. Техническая база и опыт уникальных специалистов РФЯЦ-ВНИИТФ могут быть с успехом использованы для решения задач, связанных с водородной безопасностью, не только в атомной энергетике, но в других отраслях промышленности и видах деятельности, таких как подземная добыча полезных ископаемых, добыча и транспортировка углеводородов, разработка перспективных двигателей на водородном топливе.