Исследователи из швейцарского Института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute, PSI) впервые экспериментально изучили пассивные системы охлаждения для малых модульных реакторов, собрав высокоточные измерительные данные.
В традиционных реакторах для охлаждения в аварийной ситуации используются активные средства безопасности, такие как системы водяного распыления, требующие работы насосов и арматуры. Они отводят тепло и поддерживают давление в гермооболочке под контролем. Однако эти системы зависят от надежного энергоснабжения. При его отказе их функционирование может нарушиться.
Ключевой особенностью многих малых модульных реакторов (ММР) является их концепция безопасности: вместо использования активных систем, требующих внешней энергии, они полагаются на пассивное охлаждение. Физические эффекты, такие как конденсация, гравитация и разность плотностей, могут обеспечить безопасность реактора в аварийной ситуации.
Однако до сих пор для моделирования таких сложных процессов охлаждения требовались экспериментальные данные, которые были ограничены, сообщает Институт Пауля Шеррера. Новое исследование в институте вносит важный вклад в восполнение этого пробела. На экспериментальном стенде PANDA исследователи впервые исследовали пассивные системы охлаждения для ММР в реалистичных условиях. Эксперименты, проведенные при научной поддержке партнеров из более чем десяти стран, предоставляют высокоточные измерительные данные, которые могут быть использованы для валидации таких систем в моделях. Результаты опубликованы в журнале Nuclear Engineering and Design.
Экспериментальный стенд PANDA занимает пять этажей и достигает высоты 25 метров. Он состоит из нескольких контейнеров общим объемом около 500 кубических метров, в которых можно реалистично моделировать процессы, происходящие в ядерных реакторах. PANDA не содержит радиоактивных материалов. Пар, достигающий температуры до 200 градусов Цельсия и давления до 10 бар, генерируется электрическим нагревателем мощностью 1,5 МВт. Более чем в 80 различных точках газовые смеси из разных зон установки могут отбираться и анализироваться с помощью масс-спектрометра.
Исследовательская группа Института Пауля Шеррера испытала замкнутый охлаждающий контур. Он состоит из вертикальной трубы высотой примерно шесть метров, по которой течет холодная вода. Если во время аварии пар попадет в гермооболочку, он будет конденсироваться на холодной поверхности трубы и стекать обратно в реактор в виде жидкой воды. Тепло, выделяющееся при этом процессе, передается воде внутри трубы. Поскольку теплая вода менее плотная, чем холодная, она естественным образом поднимается вверх и отдает свое тепло водяному резервуару. Охлажденная вода затем стекает обратно вниз. Таким образом создается естественный цикл, основанный исключительно на разнице плотностей теплой и холодной воды — полностью без насосов или электроэнергии.
Хотя предыдущие эксперименты уже показали, что такие системы работают, команда PSI впервые представила высокодетализированные измерительные данные, показывающие, как именно протекали бы физические процессы внутри системы в масштабе атомной электростанции. Используя скоростные камеры, исследователи даже зафиксировали мельчайшие капельки воды, конденсирующиеся на поверхности трубы. Впервые исследователям удалось наблюдать, как разделяются газы внутри гермооболочки: больше воздуха скапливается в нижней части, в то время как больше пара остается в верхней. Это открытие важно как для проектирования реакторов, так и для компьютерного моделирования. Если этот эффект не учитывать, система будет менее эффективно отводить тепло.
Кроме того, исследователи отслеживали мельчайшие частицы в газе и продемонстрировали, что вблизи трубы он движется очень медленно. Следовательно, в этой области конденсация определяется не более крупными потоками, а в первую очередь диффузией: водяной пар достигает поверхности трубы медленно и конденсируется на ней. Это означает, что процесс охлаждения сильно зависит от локальных условий.
Как отметили в Институте Пауля Шеррера, многие концепции ММР могут быть воспроизведены на этом экспериментальном стенде. Около 1450 датчиков готовы предоставить ценные данные.
«До сих пор исследователи, разрабатывающие модели, не могли быть уверены, что их расчеты соответствуют реальности», — заявил Яго Ривера Дуран из Центра ядерной инженерии и наук PSI. «Мы закрываем этот пробел с помощью стенда PANDA».
Как сообщили в институте, это сделает данные, критически важные для оценок безопасности и лицензирования будущих реакторов, доступными впервые.
«Последняя публикация знаменует собой запуск международной инициативы по сравнительному анализу моделей на основе данных, полученных на стенде PANDA», — заявили в PSI. «Двадцать пять учреждений уже участвуют в этом глобальном сотрудничестве, используя результаты экспериментов для верификации и улучшения своих методов моделирования. Последующий проект PANDA-2 будет опираться на эту работу и сосредоточится еще более интенсивно на сложных сценариях, а также на долгосрочной автономной работе пассивных систем безопасности. В настоящее время ожидается, что этот международный проект продлится до 2030 года, при этом национальные проекты и проекты ЕС уже запланированы на период до 2030-х годов».
