ГЕНЕРИРАНЕ НА ВОДОРОД В СИСТЕМА ХЕРМЕТИЧНИ ПОМЕЩЕНИЯ НА ВВЕР ПРИ LOCA С Dy200

Размер: px
Започни от страница:

Download "ГЕНЕРИРАНЕ НА ВОДОРОД В СИСТЕМА ХЕРМЕТИЧНИ ПОМЕЩЕНИЯ НА ВВЕР ПРИ LOCA С Dy200"

Препис

1 24 ТЯЕ Научна конференция ЕМФ 2001 ГЕНЕРИРАНЕ НА ВОДОРОД В СИСТЕМА ХЕРМЕТИЧНИ ПОМЕЩЕНИЯ НА ВВЕР ПРИ LOCA С Dy Въведение Доц.д-р М. Лаков, ТУ София Авариите, свързани с разхсрметизация на I контур (LOCA) на АЕЦ, водят до влошаване на топлообмена в активната зона на реактора. Вследствие на това се повишават температурите на ядреното гориво и на обвивките на топлоогделящите елементи (ТОЕ). Стойностите, които могат да достигнат тези температури, зависят от : големината и мястото на разкъсването; конструктивните характеристики на I контур; параметрите на топлоносителя, при които е настъпило разкъсването. Във всички случаи на LOCA, независимо от условния диаметър на отвора на изтичането, съществува реална опасност от разхерметизация на ТОЕ и освобождаването на значително количество радионуклиди в СХП. Паралелно с това протича процес на генериране на свободен водород и увеличаване на концентрацията му в СХП. В настоящата работа е поставена задачата за оценка на количеството водород, който се натрупва в СХП след разхерметизация на I контур при LOCA Dy200. Резултатите от такова проучване могат да се използват като база за оценка на възможността за възникване на пожар или експлозия в СХП, които биха влошили условията за ликвидация на последствията от аварията. Освен това, резултатите могат да се използват и като база за вземане на решения за въвеждане на системи за отстраняване на водорода от СХП. 2. Източници на водород при авария с изтичане на топлоносител Основните източници на водород при аварии с изтичане на топлоносител са: Генериране на водород в реактора вследствие на паро-циркониевата реакция между парата и обвивките на ТОЕ; Освобождаване на разтворения в топлоносителя водород при изтичането му в СХП; Генериране на водород в активната зона вследствие на радиолизата на водата (топлоносителя); Генериране на водород в СХП вследствие на корозията на металните облицовки на помещенията и обшивките на топлоизолацията; Освобождаване на водород вследствие разлагането на хидразина, дозиран в аварийните системи; Освобождаване на водород вследствие на корозията на алуминиевото покритие на ГЦП. За целите на настоящото изследване са определени геометричните характеристики на всички помещения, влизащи в състава на СХП. Окрупнените данни,необходими за пресмятанията,са представени в таблица 1. При определяне на концентрацията на водорода в СХП са направени следните допускания: Цялото количество генериран водород от отделните източници се натрупва в СХП; Разпределението на концентрацията на водорода в СХП е равномерно;

2 Научна конференция ЕМФ 2001 ТЯЕ 25 Прието е консервативното допускане за : температура в СХП - 70 С; налягане в СХП - 0,1 МРа; влажност в СХП - 80%. Таблица 1 наименование материал стойност 1 Обшивките на топлоизолацията в СХП,ш2 Ламарина Облицовка на СХП, m 2 Стомана Покритие на ГЦП, m 2 AL лист 51 4 Пълен обем на СХП, т Въздушен обем, т Генериране на водород от паро-циркониевата реакция в активната зона При аварийни режими с кипене на топлоносителя в активната зона между обвивките на ТОЕ и парната фаза протича реакцията: (1) Zr + 2Н 2 О -> ZrO 2 + 2Н 2 + Q Тази реакция е силно екзотермична с освобождаване на около 6,5 MJ/kgZr топлина. Скоростта на оксидация на обвивките зависи преди всичко от температурата. За целите на настоящето изследване генерираният водород при паро-циркониевата реакция може да се оцени със зависимостта : (2) G Zr = V Ai.е RT където: G 7г ~маса на окисления цирконий, kg/ ш2 t - време на излагане на окисление, s Т - температура на обвивките, К R - универсална газова константа, 8314,29 J/kgmolK Константите А и В, според Pawel - Catheart, приемат стойности : А=294 Kg/(s.m' ); В=1, J/kgmol От (1) е видно, че при окисляването на 91 kg цирконий стехиометрично се получават 4 kg водород с нормален обем 97,4 m 3. Обемът на генерирания водород при окислението на 4kg Zr при приетите параметри в СХП (налягане - 0,1 МРа, температура -7 0 С )е 114,14m3. Според термо-хидравлични пресмятания за LOCA Dy200, проведени от ЕНПРОКОНСУЛТ-ЕАД при консервативни допускания за развитието на аварийния процес, максималната температура на обвивките на ТОЕ не надвишава 960К, а системата за аварийно охлаждане-саоз ниско налягане се включва 500s след сигнала за аварийна защита. Според оценки на ЕНЕРГОПРОЕКТ ЕАД, максималната температура на обвивките на ТОЕ не надвишава 853К (580 С), а включването на САОЗ ниско налягане става около 600 s след началото на аварията. Пресмятането на генерирания водород от паро-циркониевата реакция е проведено за цитираните данни, като е прието допълнително консервативно допускане, че максималната температура на обвивките на ТОЕ се запазва за целия период до включването на САОЗ ниско налягане. За разчетна температура на обвивките е приета

3 26 ТЯЕ Научна конференция ЕМФ 2001 стойността 900 К и продължителност на окислителния процес 500s. При тези допускания количеството на генерирания водород е 11,6 kg, а парциалния му обем (0,1 МРа и 70(,С) в СХП е 331 т 3 или % от обема на СХП. При същите термодинамични параметри парциалния обем на водната пара е 1,78 %. 2.2 Освобождаване на водород при изтичане на топлоносителя в СХП Съдържанието на водород в топлоносителя в експлоатационни условия зависи от характера на водохимичния режим на I контур. В реакторите от типа ВВЕР се прилага калиево-амонячно-борен воден режим, при който амоняка подтиска радиолизата на водата. Основните химични процеси, протичащи в топлоносителя са: n h ao h т 3+н2о 2NH30 N 2+3H2 Равновесната концентрация на водорода зависи от концентрацията на амоняка и от температурата на топлоносителя. При сегашните норми на водохимичен режим са установени следните концентрации в топлоносителя : водород - 30 до 60 ml/1; амоняк - 5 mg/1; калиев хидроокис - 4 до 12 mg/1. При оценката на освободения водород от топлоносителя в СХП се приема и цялото количество изтекъл топлоносител (250 ш 3), който остава в херметичните помещения, а в момента на аварията концентрацията на водорода в топлоносителя е 60 ш1(норм.)/ 1. При тези допускания освободения водород е 15 ш 3 (норм.). За приетите параметри в СХП парциалния обем на водорода е 17,56 т 3 или % от СХП. 2.3 Генериране на водород вследствие радиолизата на водата след заглушаване на реактора Радиолизата на топлоносителя след аварийното заглушаване на реактора се предизвиква от лъченията, получени при радиоактивното разпадане на продуктите на делене, натрупани в ядреното гориво. За точно пресмятане на количеството генериран водород е необходимо да са известни: характеристиките на ядреното гориво в момента на аварията; активността на радиоизотопите в горивото; спектрите на отделните видове лъчения. За целите на настоящето изследване, в качеството на оценка, са приети резултати от пресмятания на ВТИ Дзержински във връзка с проекти за реконструкция на Арменската АЕЦ. Използваните данни са коригирани с действителните обеми на СХП за 3 и 4 блок на АЕЦ Козлодуй, при което са получени следните следните данни за парциалния обем на водорода в СХП по дни: 1 денонощие - 0,51%; 2 денонощие - 0,86%; 3 денонощие - 1,12 %; 4 денонощие - 1,35 %; 5 денонощие - 1,53 %. 2.4 Генериране на водород от корозията на металните облицовки и покрития Източниците на свободен водород от корозия на стоманени елементи в СХП са три: «>Облицовка на помещенията в херметичната зона с листове нисковъглеродна стомана с дебелина 4 mm.

4 Научна конференция ЕМФ 2001 ТЯЕ 27 Обшивка на топлоизолацията на основното оборудване в I контур (ГЦТ, ГЗЗ, ГЦП, ПГ) с ламаринени листове с дебелина 0,7 mm. В пределите на СХП се намира голямо количество конструкции от въглеродна стомана като: подпори на ГЦП; подвески на тръбопроводи; подвески и укрепващи елементи на ПГ; площадки, стълбища, конзоли; херметични врати; метални боксове и Др- Основната реакция, по която се получава водород при изброените три източника е: Fe+2H2B 0 2 -> Fe{H2B 0 2)2 + Н 2 Стехиометричният добив е 2 kg водород от 56 kg реагирало желязо (lkgmol Н, от 56 kgmol Fe). Приета е максимална скорост на корозия на Fe 0,0035 kg/m2h. При тези допускания часовото производство на водород е 0,0574 kgmol/h или 1,51 m 3(H 2)/h или 0,013 об.% Н 2/Ъ при приетите параметри за СХП. Натрупването на водород в СХП по денонощия е както следва: 1 ден.- 0,312 %; 2 ден.- 0,624 %; 3 ден,- 0,936 %; 4 ден.- 1,248 %; 5 ден,- 1,56%. 2.5 Генериране на водород в СХП от разлагането на хидразина Предназначението на хидразина е за химическо свързване на радиоизотопите на йода, постъпили в СХП след LOCA в I контур. Съставът на водния разтвор, който се впръсква в СХП е: Н 3ВО3=160 g/kg; КОН =160 g/kg; N 2 Н.,.2Н, О = 15 g/kg. Опитно е установено,че скоростта на разлагането на хидразина вследствие на радиолизата е 0,167%/h. При оценката на получения от разлагането на хидразина водород се предполага обем на резервоара за хидразин 1 0 т 3, при което се получава масата на хидразина - 150kg. Количеството хидразин, който се разлага за 1 час е 0,25 kg. Разлагането на хидразина става по реакциите: 2N 2HaU N 2 + H 2 + 2NH3 2NH3Un N 2 + 3H2 Следователно от 1 kgmol (32 kg) хидразин се получават 2 kgmol (4 kg) водород. Обемът на генерирания водород за 1 час при приетите параметри на СХП е 0,41 m 3/h. Така в херметичните помещения след началото на аварията се получава следния парциален обем на водорода: 1 ден,- 0,085 %; 2 ден,- 0,17 %; 3 ден.- 0,255 %; 4 ден,- 0,34%; 5 ден.- 0,425 %. 2.6 Генериране на водород вследствие на корозията на алуминиевото покритие на ГЦП Корозията на алуминиевото покритие на ГЦП протича по реакцията: 2 А П ЗН20 А H2+Q Следователно от 1 kgmol алуминий се получават 1,5 kgmol водород. Скоростта на корозия на алуминия в основен боратен разтвор е приета 1,8.10~3 mm/h, а масовата скорост е 4,86.10'3kgAl/m2 h. За цялото покритие скоростта на корозия е _3 KgAl/h

5 28 ТЯЕ Научна конференция ЕМФ 2001 или 19. КГ3 kgmolal/h. От това следва, че скоростта на генерация на водород е 28,5.10~3kgmolH2/h или 0,75 m 3H 2/h. Нарастването на парциалния обем на водорода от началото на аварията е: 1 ден.- 6 %; 2 ден,- 0,312 %; 3 ден.- 0,468 %; 4 ден,- 0,624%; 5 ден,- 0,78 %. 3. Заключение Изследвано е генерирането на водород в Система херметични помещения на ВВЕР при разхерметизация на контура с Dy200. Оценките на количеството освободен водород в СХП за отделните източници е направена при консервативни допускания. Резултатите от проведените пресмятания са систематизирани в Приложение 1. Основният извод, който може да се направи е, че възпламенителна концентрация на водорода в СХП се достига около 5-то денонощие след началото на аварията, при предположение, че по време на аварийния процес не сработват предпазните клапи на СХП. Литература 1. Йовчев М. Водоподготовка и воден режим на ТЕЦ и АЕЦ. София, Техника, Йовчев М. Корозия на топлоенергийни и ядреноенергийни обекти. София, Техника, Козн П. Технология води знергетических реакторов. Москва, Атомиздат, Герасимов В.В., Монахов А.С. Материали ядерной техники. Москва, Знергоиздат, Kubaschenski О. Zirconium chemical properties of its compounds and alloys. Atomic Energy Reviw Special Issue 6, IAEA

6 Научна конференция ЕМФ 2001 ТЯЕ 29 Сумарно натрупване 408 а о O n 't О оо_ 6,132 С умарно натрупване на водорос в % в систем а Х ерм етични пом ещ ения за В В Е Р (3 и 4 блок на А ЕЦ - К озлодуй ) при LO C A D y200 Източник Корозия на А 1-покритие на ГЦП Разлагане на хидразина Корозия на облицовки и покрития Радиолиза на водата Изтичане на топлоносител Пароциркониева реакция 6 0,085 CN ГО О t o сг 0,312 l... 0,468 о о ' 0,624 0,86 1Г-) o ' 0,255 0,936 CN 0,624 0,340 1,248 1,35 t CO CN 1,56 0,425 0,780 Време (денонощия) - CN m 'T W>