ВОДОРОДНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ АЭС

Актуальность проблемы

Как показала авария на АЭС «Фукусима Дайичи» в марте 2011 г., сопровождавшаяся взрывами водорода с последующим выбросом радионуклидов в атмосферу, проблема водородной безопасности АЭС сохраняет свою актуальность.

Образование водорода в реакторах на тепловых нейтронах с водным теплоносителем в режиме нормальной эксплуатации обусловлено разложением воды или пара под действием облучения в активной зоне реактора. При запроектной аварии с осушением активной зоны возникают условия для выделения водорода в термохимических реакциях пара с цирконием, топливом, конструкционными материалами и топлива с бетоном. Повышенная концентрация водорода внутри защитной оболочки АЭС в аварийных условиях может привести к взрыву с разрушением защитной оболочки и выходом радиоактивных продуктов деления в окружающую среду. Кроме того, большинство турбогенераторов, которые эксплуатируются на АЭС, имеют водородное охлаждение, и при их использовании необходимо предусматривать меры пожарной безопасности машинного зала. На сегодняшний день известны десятки случаев крупных пожаров в машинных залах тепловых и атомных электростанций, в том числе с обрушением крыш машинных залов, что приводило к выходу из строя технологического оборудования и значительным материальным потерям.

Одним из существенных отличий АЭС от других энергетических объектов (например, предприятий газовой отрасли) в отношении поведения горючих газов при их аварийном выходе в помещения машинного зала, является наличие в атмосфере помещений АЭС распыленной воды (как в результате работы спринклерной системы при аварии, так и вследствие объемной конденсации пара). Принятые сейчас правила и меры по предотвращению и снижению риска взрыва водорода исходят из знания концентрационных пределов распространения горения и детонации. Эти пределы установлены экспериментально и не учитывают присутствия капельной взвеси. Между тем известно, что дисперсная фаза очень существенно влияет на характер горения.

Содержание исследований и полученные результаты

В ИБРАЭ РАН в течение длительного времени, в том числе в рамках выполненного в 2006-2009 гг. экспериментального проекта PARAMETER и реализованного в период 2010—2014 гг. международного проекта ERCOSAM/SAMARA, проводятся экспериментальные и теоретические исследования физических аспектов процессов горения и детонации, исследования процессов стратификации и горения водородо-паровоздушных смесей в присутствии мелкодисперсных капель воды. В результате этих исследований:

• выполнено трехмерное компьютерное моделирование процесса стратификации водородо-паровоздушной смеси под защитной оболочкой АЭС;
• определены критерии обоснования водородной безопасности АЭС с реакторными установками с водным теплоносителем (ВВЭР, PWR, BWR);
• получены количественные оценки параметров системы предотвращения горения и детонации водорода с учетом конкретных технических характеристик оборудования АЭС с РУ ВВЭР-1000;
• разработана методика подавления горения и детонации водорода при аварии РУ ВВЭР-1000 за счет разбавления водорода паром и включения экспериментально выявленного механизма подавления горения вследствие образования мелкодисперсных капель воды.

Моделирование процесса стратификации  водородопаровоздушной смеси под защитной оболочкой АЭС.

Детонационная волна в газокапельной взвеси представляет существенно трехмерное явление со сложной пространственной структурой. При распространении в канале детонация образует характерную пространственно периодическую ячеистую структуру, что проявляется в распределении давления на стенах канала. Пространственный период сильно зависит от плотности дисперсной фазы и резко возрастает при приближении к пределу детонации.

Структура детонации при распространении в канале с капельной взвесью.
Показаны линии уровня максимального за весь процесс давления на стенках канала квадратного сечения.

Существует критическая плотность дисперсной фазы, при превышении которой происходит подавление детонации. Так, для типичного для аварии на АЭС состава газовой смеси (12.5% О₂, 25%Н₂, 47.5%N₂, 15% Н₂О) расчетное критическое значение плотности дисперсной фазы составляет ~ 4 кг/см³.

Анализ результатов моделирования показал, что технически возможно осуществить подавление горения и детонации водорода при аварии за счет использования имеющихся на АЭС с РУ ВВЭР-1000 запасов воды, которые находятся в деаэраторах при температуре 165°С и давлении 0.65 МПа. 

Это может быть осуществлено путем подачи воды из деаэраторов в машинный зал  к  форсункам-распылителям, размещаемым в зоне  возможных утечек водорода из турбогенераторов. Вода поступает к распылителям жидкости под действием начального давления в деаэраторах и перепадом высот установки деаэраторов относительно турбогенераторов.

При движении смешанной струи пара и водорода в атмосфере происходит изменение газового состава за счет дополнительного смешивания с воздухом. Это изменение состава смеси отображено на диаграмме мольная доля пара — мольная доля водорода (кривые 3 и 4). Кривые 1 и 2 отображают, соответственно, пределы горения и детонации водородопаровоздушной смеси. Движение влево и вниз вдоль линий 3 и 4 соответствует разбавлению смеси воздухом при турбулентном перемешивании. Как видно из диаграммы, при недостаточно интенсивной подаче воды от деаэратора (30 кг/с, диаметр подводящей трубы 100 мм, кривая 3) состав смеси при определенных условиях соответствует попаданию в область горения. При достаточной подаче воды (165 кг/с, диаметр подводящей трубы 180 мм, кривая 4) смесь является негорючей (кривая 4 не пересекает области горения и детонации).

Концентрационные пределы распространения горения в режимах дефлаграции / детонациии и кривые изменения компонентного состава водородо-паровоздушной смеси при утечке водорода в турбогенераторе АЭС с РУ ВВЭР: 1 — предел горения; 2 — предел детонации; 3 — разбавление смеси воздухом при турбулентном перемешивании (подача воды от деаэратора 30 кг/с); 4 — то же (подача воды 165 кг/с).

Выводы

В результате проведенных в ИБРАЭ РАН исследований показано, что существует принципиальная и технически реализуемая возможность предотвращения пожара и взрыва в машинном зале АЭС, вызванного аварийной утечкой водорода из турбогенератора.