MODELAREA ÎNVĂȚĂMÂNTULUI DE HIDROGEN ÎN CADRUL ACCIDENTULUI DE REACTOR DE TIP RBMK
În proiectarea centralelor nucleare este considerație obligatorie a comportamentului diferitelor sisteme de reactoare în situații de urgență: .. În cazul defectării dispozitivelor din tubulatură lacrimogene, pompe, etc. Evaluarea consecințelor unui astfel de accident ipotetic impune calcularea dinamicii proceselor nucleare, fizico-chimice și termo-hidraulic care apar în timpul dezvoltării accident. Această problemă într-o formulare riguroasă este rezolvată după cum urmează: în prima etapă a creat un model matematic de tehnologii operate în mod normal, atunci acest model a introdus diferite tipuri de tulburări care reflectă tulburări ale procesului, precum și noi procese, care au loc numai în caz de urgență, și realizat de model de evaluare a răspunsului pe aceste perturbații (a doua parte a problemei).
Principiile de bază ale creării modelelor matematice ale sistemelor de reactoare am considerat în capitolul precedent, folosind exemplul construirii unui model matematic al comportamentului unui agent de răcire a apei în primul circuit al unui reactor de apă cu apă.
Atunci când se analizează ipotetic prima parte a problemei accident - un model de modul normal - se bazează pe obiectivul datelor experimentale (rezultate de măsurare a parametrilor de proces), iar valoarea sa pentru funcționarea efectivă proces poate fi verificată. Situația cu a doua parte a problemei este mult mai complicată. Aici, de obicei, folosiți „frontal“ cale - de simulator experimental studiat condițiile fizice și chimice de proces caracteristice accident și sunt matematice (analitice sau probabilistă) descriere. În continuare, o descriere a „inserat“ în modelul matematic, setările de urgență con și pentru a obține valoarea parametrilor de proces corespunzători: temperatura, presiunea, concentrațiile de reactant, etc. Acești indicatori sunt baza pentru a concluziona că „supraviețui“ în cazul în care accidentul echipament, dar dacă nu .. va stărui, apoi, ce substanțe (sau energie) și în ce cantități sunt eliberate în mod incontrolabil în mediul înconjurător.
A doua parte a sarcinii în cazul oricărui proces tehnologic complicat, pentru care este imposibil să se facă un accident experimental (de exemplu, așa cum se întâmplă, ruperea autovehiculelor pe interval), nu poate fi verificat în principiu. În același timp, datele obținute de aici este extrem de important, deoarece acestea sunt utilizate în două scopuri: în primul rând, pentru a evalua posibilele daune naturii și, în al doilea rând, pentru a sprijini dezvoltarea unor măsuri tehnice de prevenire a accidentelor (cum ar fi introducerea unor marje de siguranță) și mijloace eliminarea acestora, dacă accidentul persistă.
În mod tipic, accidentele ipotetice din reactorul nuclear "pierd" pe modele matematice foarte complexe, folosind computere de înaltă performanță. Astfel de modele sunt rezultatul multor ani de activitate a grupurilor mari de oameni de știință și aplicarea lor este cu siguranță necesară pentru a rezolva problemele tehnice menționate mai sus (prevenirea accidentelor și elaborarea de măsuri pentru eliminarea acestora) legate de economia procesului tehnologic. Cu toate acestea, pentru a evalua consecințele asupra mediului, în special în stadiile incipiente de dezvoltare a proiectului sau în evaluarea impactului asupra mediului, se poate utiliza o abordare mai simplă, care implică următorii pași. - elaborarea atentă a unui "scenariu" al accidentului,
- identificarea proceselor fizico-chimice responsabile de apariția pericolului - căutarea datelor din literatură privind mecanismul (natura) și parametrii cantitativi ai acestor procese.
- calculul dinamicii procesului în cadrul "scenariului" accidentului.
Pentru o descriere cantitativă a formării gazelor, folosim datele studiilor fundamentale privind termodinamica și cinetica proceselor fizico-chimice descrise în publicațiile accesibile.
Deci, următorul "scenariu" al accidentului este acceptat.
1. Ca urmare a circulației agentului de răcire în circuitul reactorului, canalele de lucru au fost "aburite". Momentul de început al "aburului" este considerat ca punct de referință pentru.
2. "Zaparivanie" a dus la creșterea puterii reactorului. Pentru t 3. În termen de 2,5 - 3 s de la începutul accidentului, temperatura canalelor a crescut de la valoarea nominală (573 K) la 1273 K și apoi a continuat să crească liniar cu timpul în prima aproximare. Temperatura grafitului în timpul de la până la 3 s a rămas constantă și a crescut în continuare liniar cu un gradient de 10-30 K / s. 4. Cu creșterea temperaturii, creșterea presiunii aburului în circuit a dus la ruperea canalelor: a apărut un "bumbac", aburul a intrat în contact cu zidăria de grafit. 5. După 25-30 de secunde după "bumbac" a avut loc o explozie, ceea ce a dus la distrugerea aparatului. Surse de gaze explozive 1. Reacția de parozirconiu. Interacțiunea dintre vaporii de apă și zirconiul metalic este urmată de o reacție chimică Cinetica acestei reacții este descrisă de ecuația Baker-Just: dN / dt = 1,1,10-5 [S (t) kZr] O, 5 t -0,5 mol H2 / c. (9,2) unde N este numărul de moli de hidrogen, S (t) este zona de zirconiu în contact cu vaporii de apă, egală cu 1,2,10 8 cm2 pentru reactorul RBMK-1000; t este timpul din s. Valoarea constantei ratei kZr a fost luată în conformitate cu recomandarea AIEA egală cu unde R este constanta gazului universal, cal / (mol.K) si Tk este temperatura canalelor de lucru, K. In calcule sa presupus ca temperatura in caz de accident sa schimbat conform legii unde t este timpul în secunde și a este coeficientul care caracterizează rata de creștere a temperaturii, K / s și Tk0 = 573 K reprezintă temperatura nominală a canalelor. Interacțiunea dintre zirconiu și abur are loc pe parcursul întregii perioade de timp până la momentul exploziei. Cantitatea de hidrogen formată în timpul t. se determină prin integrarea ecuației (9.2) cu coeficienții indicați prin ecuațiile (9.3) și (9.4). Calculul dă limita superioară a cantității de hidrogen eliberată în timpul t. deoarece: 1) legea Baker-Just este ideală și, de obicei, valorile experimentale ale cantității de hidrogen sunt oarecum mai mici decât cele calculate din această ecuație; 2) În calcul, sa presupus că reacția abur-zirconiu are loc în mod identic în toate canalele. 2. Reacția grafitului cu vaporii de apă. La temperaturi care depășesc 700 K, vaporii de apă încep să reacționeze considerabil cu carbonul elementar cu formarea de monoxid de carbon exploziv și hidrogen. Când pulberea de grafit este oxidat în fluxul unui amestec de vapori de apă și heliu, cinetica reacției este descrisă de ecuația Langmuir-Hinshelwood. unde k1 = 5,0. 10 12 exp [-68000 / RTg], cm3 / (gc), (9,7) și Tr este temperatura grafitului, K. Atunci când presiunea vaporilor de apă corespunzătoare presiunii de vapori saturați la 1 atm, adică. E. În condițiile în care aburul curge reacționează cu grafit într-un accident, reacția are loc conform ecuației de ordinul întâi în ceea ce privește apa și viteza de formare a amestecului de monoxid de carbon și hidrogen este este egal cu: Luând în considerare (9.7), rata de reacție specifică (pe g de carbon oxidabil) este: Aici, dH2O este concentrația de vapori de apă, mol / cm3. În calcule se presupune că concentrația de apă care trece pe suprafața grafitului încălzit este constantă și corespunde densității vaporilor saturați la 573 K = 36,5 kg / m3, Se presupune că temperatura grafitului la t> to + (2.5-3) s variază în conformitate cu legea Tg = Tg0 + b t. (9.11), unde Tr0 este temperatura nominală a grafitului (773 K), b este coeficientul care caracterizează rata de creștere a temperaturii grafitului, K / s și t este timpul în s. Rata de formare a monoxidului de carbon și a hidrogenului în întreaga așezare a grafitului este unde m este masa grafitului reactiv d. Se presupune în calcule că acesta este 0,01% din masa totală a grafitului din reactor, adică m = 200 kg. Interacțiunea dintre carbon și abur este posibilă numai la t> to + (2,5 - 3) s. adică după "bumbac", când aburul a intrat în contact cu grafitul. Ecuația (9.12), cu condiția ca aceasta să reacționeze cu 0,01% din masa totală a grafitului, indică în mod clar LIMITUL DE BAZĂ a cantității de amestec exploziv de hidrogen și monoxid de carbon. Numărul de amestec de hidrogen și monoxid de carbon rezultat din reacția (9.5) se calculează prin integrarea ecuației (9.12), atunci când temperatura se modifică în conformitate cu ecuația (9.11). Ecuația (9.12) poate fi utilizat pentru calcularea estimată numai în intervalul de temperatură de 700 T 1400 K. La temperaturi de peste 1400 K trebuie să se considere că grafitul reacționează complet transformat într-un amestec de hidrogen și monoxid de carbon în prezența apei suficientă care se încadrează pe grafit. Reacția aici este în modul de difuzie, iar viteza sa este determinată de rata de aprovizionare a vaporilor de apă cu suprafața grafitului. 3. Formarea chimică a radiației de hidrogen și oxigen. Când este expus la radiații ionizante, vaporii de apă generează hidrogen și oxigen. Rata acestui proces este proporțională cu puterea dozei absorbite I (t) în vapori și nu depinde de temperatură: unde NA este numărul lui Avogadro, G (H2) este randamentul chimic al radiației hidrogen, molecula / 100 eV, iar I (t) este doza absorbită în pereche, eV / s. În radioliza vaporilor de apă saturați în condiții de flux la o temperatură de peste 750-800 K, randamentul maxim al hidrogenului este de 8,0 molecule / 100 eV. Aceste condiții sunt apropiate de condițiile de radioliză a vaporilor în caz de accident, în timpul calculului sa presupus că randamentul de hidrogen este egal cu valoarea menționată mai sus. În radioliza vaporilor de apă, oxigenul este produs, de asemenea, într-o cantitate echivalentă cu hidrogenul. G (O2) = 4,0 molecula / 100 eV. Formarea hidrogenului și a oxigenului în timpul radiolizării vaporilor de apă are loc în timpul întregului accident de la până la explozie. Cantitatea de hidrogen produsă prin radioliza vaporilor de apă se calculează prin integrarea ecuației (9. 13). Se presupune că doza absorbită în vapori variază în intervalul de timp 2-10 s conform legii I (t) = Io + c t, (9, 14). în cazul în care un - coeficient care caracterizează rata de creștere a ratei dozei, de la Io = 1,53.10 5 W (9,55.10 23 eV / sec) - doza absorbită în abur la ieșire de 200 MW la reactor Imax = 2,45.10 6W (1 , 53,10 25 eV / s) - doza absorbită la 3600 MW. În plus, până la momentul t30c, viteza dozei rămâne constantă și egală cu Imax. În principiu, este posibilă și reacția unui combustibil nuclear cu apa și disocierea termică a unei molecule de apă în faza de vapori, în care se formează de asemenea hidrogen. Cu toate acestea, aceste reacții ar trebui să fie eficiente la intervale mari de timp, decât cele considerate de noi. Cuantificarea formării gazelor explozive Integrarea ecuațiilor de mai sus a fost efectuată numeric utilizând microcalculatorul programabil MK-54 pentru programele standard. Rezultatele calculării cineticii formării gazelor explozive sunt prezentate în Fig. 9.1 - 9.3. În Fig. 9.1 Este prezentat rezultatul calculului cineticii producerii hidrogenului datorat reactiei cu zirconiu cu abur. Calculele au fost făcute pentru două variante de canale modificări ale temperaturii (acestea sunt descrise în partea de jos a figurii): creșterea temperaturii 573-1273 K timp de 3 sec și mai mult - nu se schimbă (1) și creșterea temperaturii 573-1273 K timp de 3 sec și mai mult - peste creștere lentă cu o valoare a = 40 K / s (2). În Fig. 9. 2 prezintă rezultatele de calcul cinetica formării unui amestec de hidrogen și monoxid de carbon, prin reacția cu vapori de apă din grafit. materializări calculate (vezi partea de jos a figurii.) Temperatura rupere de grafit canale în aval nu se schimbă (1) și temperatura grafitului după ruperea canalelor crește la o rată de 10 (2) 20 (3) și 30 (4) grade / s. În calculele, așa cum sa menționat mai sus, sa presupus că reacționează 0,01% din cantitatea totală de grafit în zidărie. În cele din urmă, Fig. 9.3 prezintă rezultatele de calcul cinetica formării hidrogenului și oxigenului din cauza radiolizei de vapori de apă la diferite forme de realizare ale dinamicii schimbării în capacitatea dozei absorbite într-o pereche, care sunt prevăzute în partea inferioară a figurii (1, 2, 3). Prin urmare, calculele arată că nu numai reacția de abur-zirconiu contribuie la formarea de gaze explozive, ci și la interacțiunea dintre vaporii de apă și grafit. Contribuția formării radiațiilor chimice la hidrogen este relativ mică. Fig. 9.1. Formarea hidrogenului datorată reacției abur-zirconiu (a) pentru diferite variații ale temperaturii (b). S-a obținut folosind datele noastre de abordare indică în mod clar rolul de hidrogen și monoxid de carbon în unitatea de distrugere Cernobîl reactor 4 și consecințele dezastruoase ale acestui eveniment. Fig. 9. 2. Formarea hidrogenului datorită reacției vaporilor de apă cu grafitul (a) pentru diferite variante ale dependenței de timp a temperaturii de grafit (b). Fig. 9.3. Formarea hidrogenului și a oxigenului datorată radiolizării vaporilor de apă (a) pentru diferite variații în timpul ratei de dozare a radiației ionizante absorbite în vapori (b). Încă o dată, observăm că în calcule nu am utilizat date obținute în mod special pentru condițiile de accident, nu am aplicat modele matematice complexe și nu am folosit echipamente de calcul performante. Au fost folosite doar concepte fundamentale generale ale termodinamicii, cineticii chimice și chimiei radiațiilor. Cu toate acestea, ele pot oferi, de asemenea, o reprezentare vizuală a amplorii accidentului ipotetic și servesc drept bază științifică pentru adoptarea de soluții tehnice conceptuale și preliminare.
Trimiteți-le prietenilor: