МОДЕЛИРАНЕ НА водород при ЗЛОПОЛУКА РБМК

При проектирането на атомните електроцентрали е задължително внимание на поведението на различните реакторни системи в извънредни ситуации: .. В случай на неуспех на устройства в сълзотворен тръби, помпи и др оценка на последиците от такава хипотетична авария изисква изчисляване на динамиката на ядрени, физико-химични и термохидравлични процеси, протичащи по време на развитието на злополука. Този проблем в строга формулировка е решен, както следва: в първата фаза създаде математически модел обикновено работят технологии, след това този модел въведени различни видове нарушения отразяващи разстройства на процеса, както и нови процеси, които се извършват само в случай на извънредни ситуации, и се осъществява чрез модел оценка отговор тези пертурбации (втората част на задачата).

Основните принципи на математически модели на реакторни системи ние разгледани в предишната глава на примера на математически модел на поведението на охлаждащата течност на вода на първичния ВВЕР верига.

Когато се разглежда хипотетична авария първата част от проблема - модел на нормален режим - се основава на целта на експерименталните данни (резултати от измерванията на параметрите на процеса), и стойността му за реалното функциониране на процеса може да бъде проверена. Harder е случаят с втората част от проблема. Тук обикновено се използва "челен" път - чрез симулатор експериментално изучава физичните и химични производствени условия, характерни за катастрофата и са математически (аналитична или вероятностни) описание. На следващо място, описание на "вмъква" ​​в математическия модел, настройките против аварийни и да получите стойността на съответните параметри на процеса: температура, налягане, концентрация на реагентите и т.н. Тези показатели са основата за да заключи, че "оцелеят", ако аварията на оборудване, но ако не .. Той оцелява, тогава какво вещества (или енергия) и колко ще бъдат пуснати в неконтролирана среда.

Във втората част на проблема в случай на колко сложен процес, за които е невъзможно да се извършат пробно злополука (например, както се прави чрез счупване на автомобилите на сайта), основно се провери не може да бъде. В същото време, данните, получени тук е изключително важно, тъй като те се използва за две цели: първо, да се направи оценка на възможните щети на природата и, второ, да се подпомогне развитието на технически мерки за предотвратяване на големи аварии (като например въвеждането на запасите по безопасност) и средства отстраняването им, ако се случи инцидент.

Обикновено хипотетични аварии на ядрени реактори "губят" много сложни математически модели, използващи високопроизводителни изчисления. Тези модели са резултат от много години на работа на големи екипи от учени и тяхното приложение със сигурност ще трябва да се справи с проблемите, посочени по-горе (за предотвратяване на аварии и да се разработят мерки за отстраняването им), свързани с икономиката на процеса. Въпреки това, оценка на въздействието върху околната среда, особено в ранните етапи на развитие на проекта, или при екологичната оценка, можете да използвате по-опростен подход, който включва следните етапи. - цялостна подготовка на "сценария" на аварията,
- откриване на физико-химически процеси отговорни за възникването на опасности - намери данни в литературата на механизма (природата) и количествените параметри на тези процеси.
- изчисление на динамиката на процеса в "сценария" на аварията.

За количествено описва образуването на газове, използвайки данни на фундаментални изследвания на термодинамиката и кинетиката на физико-химични процеси, описани в публикации на разположение.

Така че следващия "сценария" на аварията.

1. В резултат на смущения в циркулационния кръг на топлоносителя на реактора е настъпило "пара" работни канали. Началото на "задушаване", за да приемете отправна точка.

2. "задушаване" довело до увеличаване на силата на реактора. на тон

3. В рамките на 2.5 - 3 секунди от началото на температурата на канал злополука издига от номинала (573 К) до 1273 К и след това продължава да расте в първо приближение линейно с времето. Температурата на графита за времето от до 3 остава постоянна с допълнително нараства линейно с градиент от 10-30 K / сек.

4. При повишаване на температурата покачването на налягането на парите във веригата доведе до разкъсване настъпили канали "памучни" двойки влизат в контакт с графиката tovoy зидария.

5. След 25-30 секунди след "памук" експлозия възникнали, което доведе до унищожаване на устройството.

Източници на експлозивни газове

1. Реакционната цирконий-пара. В реакцията на водна пара с протича химична реакция метален цирконий

Кинетиката на тази реакция са описани от Baker-Justa:

DN / DT = 1,1.10 -5 [S (т) KZR] 0 5 -0тона, 5. мола Н2 / сек. (9. 2)

където N - брой молове от водород, S (т) - цирконий площ контактуване на пара е равна на RBMK-1000 1,2.10 8 cm 2; т - времето в секунди. Значение постоянна KZR процент е направена в съответствие с препоръка равен МААЕ

където R - универсална постоянна газ, кал / (mol.K) и ТК - Работна температура канал К. При изчисленията се предполагаше, че температурата в произшествието се променили закона

където Т - времето в секунди, и - коефициент характеризиращи скоростта на повишаване на температурата, K / сек и Tk0 = 573 К - номиналната температура канали.

Взаимодействието на цирконий с пара се провежда по време на целия период на до експлозията. Количеството на водород оформен във времето т. Тя се определя чрез интегриране на уравнение (9. 2) с коефициенти, дадени от уравнение (9.3) и (9.4). Изчисляване дава горна граница количество водород, разви във времето т. защото: 1) правото Baker-Justa - добра, и експерименталните стойности обикновено са малко по-малко количество водород изчислява от уравнението; 2) изчислението се предполагаше, че реакционната цирконий-пара е една и съща във всички канали.

2. Реакцията на графит с пара. При температури над 700 К, водна пара започва да реагира видимо с елементен въглерод

до образуване на опасни въглероден окис и водород.

При окисляването на графит на прах в поток от смес от водна пара и хелий реакционни кинетики е описано от Langmuir-Hinshelwood.

където К1 = 5,0. 12 октомври ехр [-68000 / RTG] cm3 / (R. S), (7, 9)

и Тг - температура графит, К.

Когато налягането на водната пара, съответстващо на налягането на наситената пара при 1 атмосфера, т.е.. Е. При условия, в които течащата пара реагират с графита в произшествие, реакцията протича съгласно уравнението на първия ред по отношение на вода и скоростта на образуване на смес от въглероден окис и водород е е равна на:

Използване на (9.7), специфичната скорост на реакция (на 1 г от окисляем въглерод) е равен на:

Има СН 2О - концентрация на водната пара мола / cm 3. В изчисленията Приема се, че концентрацията на водата, преминаваща през нагрява повърхността на графит е постоянна и съответства на наситена пара при 573 К. плътност = 36,5 кг / м3, т.е. ..

СН 2О = 2, 0. 10 -3 мола / cm 3, се приема, че температурата на графита през т> до + (2,5-3) варира в съответствие с Tg = Tg0 + б т. (9. 11), където n0 - графит номинална температура (773 К), б - коефициент характеризиране на скоростта на нарастване на температурата на графит, K / S, и Т - време в секунди.

Скоростта на образуване на въглероден окис и водород в целия графит полагане е

където m - масата на реактивния графит В изчисленията се предполага, че тя е равна на 0,01% от теглото на графит в реактора, т.е., м = 200 кг ...

Реакцията на въглерод с пара възможно само когато т> до + (2,5 - 3). т. е. след "памук", когато двойки влизат в контакт с графита.

Уравнение (9.12) при условие, че реагира 0.01% от теглото на графит дава очевидно долна граница количество експлозивна смес от водород и въглероден монооксид.

Брой на смес от водород и въглероден оксид в резултат от реакцията (9.5) се изчислява чрез интегриране на уравнение (9.12) при промяна на температурата, съгласно уравнение (9.11). Уравнение (9.12) може да се използва за изчисляване на очаквания само в температурния диапазон от 700 T 1400 К. При температури над 1400 К трябва да се счита, че графит реагира напълно превърнати в смес от водород и въглероден оксид в присъствието на достатъчно количество вода, падаща върху графит. Реакцията тук е в режим на дифузия, и скорост на захранване определя от скоростта на водна пара на повърхността на графит.

3. радиационна-химични производство на водород и кислород. При излагане на йонизиращо лъчение, водна пара настъпва образуването на водород и кислород. Скоростта на този процес е пропорционална на дозата погълната в чифт I (т) не зависи от температурата:

където NA - Авогадро номер, G (Н2) - облъчване химичен добив водородни молекули / 100 ЕГ и (т) - абсорбираната мощност на дозата в пара ЕГ / сек. В радиолизата на наситена пара в условия на потока при температура 750-800 K горе максималният добив е водород 8,0 молекули / 100 еВ. Тези условия са близки до условията на пара радиолизата време на авария, в процеса на изчисляване на добива на водород се поеме, равна на стойността споменато по-горе. В радиолизата на водна пара и кислород се генерира в количество, еквивалентно на водород. G (О2) = 4,0 молекула / 100 ЕГ.

Образуването на водород и кислород в радиолизата на водна пара се извършва през време на инцидента на времето за експлозия. Количеството на водород, произведен от радиолизата на водна пара се изчислява чрез интегриране на уравнението (9. 13). Предполага се, че мощността на дозата се абсорбира в една двойка, промени в интервала от време 2-10 според закона

I (т) = Йо + в тон, (9. 14). където - коефициент характеризиране на скоростта на нарастване на мощността на дозата, от Io = 1,53.10 5 W (9,55.10 23 ЕГ / сек) - абсорбираната мощност на дозата в пара при мощност от 200 MW реактор за Imax = 2,45.10 6W (1 25 53.10 ЕГ / сек) - скоростта погълната доза при 3600 MW. Освен това - преди време т 30 мощността на дозата в остава постоянна и равна на Imax.

По принцип също горива реакция ядрена с вода и топлинна дисоциацията на водните молекули в парна фаза, която произвежда водород. Въпреки това, тези реакции трябва ефективно да се извършват на по-дълги интервали от време, отколкото смята от нас.

Количествена оценка на образуването на експлозивни газове

Интегриране уравнения горе, се провеждат върху числено програмируеми микро MC-54 стандартни програми. Резултатите от изчисляването на кинетиката на образуването на експлозивни газове, дадени на фиг. 9.1-9.3.

Фиг. 9.1 показва резултата от изчисляване на кинетиката на образуването на водород поради реакцията на циркониево-пара. са направени изчисления за два варианта на канали промени в температурата (те са изобразени в долната част на фигурата): увеличение на температура 573-1273 К в продължение на 3 секунди и повече - не се променя (1) и повишаването на температурата 573-1273 К в продължение на 3 секунди и повече - над бавен растеж с = 40 K / S (2).

Фиг. 9. 2 показва резултатите от изчисляване на кинетиката на образуване на смес от водород и въглероден окис чрез взаимодействие на водна пара с графит. Изчислените изпълнения (виж долната част на фигурата.) Температура на графит разкъсване канали веригата не се променя (1) и температурата на графита след разрушаване на канали се увеличава със скорост 10 (2) 20 (3) и 30 (4) ° С / сек. При изчисленията, както е споменато по-горе, се предполага, че реагира 0.01% от общото количество на графита в зидарията.

Накрая, фиг. 9.3 представя резултатите от изчисляване на кинетиката на образуването на водород и кислород в резултат на радиолизата на водна пара в различните изпълнения на динамиката на промяна в капацитет на абсорбираната доза в двойка, които са предвидени в долната част на фигурата (1, 2, 3).

Следователно Изчисленията показват, че принос за образуването на експлозивни газове допринася не само цирконий-пара реакция, но взаимодействие-взаимодействащи водна пара с графит. Приносът на радиация химически образуване на водород - е относително малък.

Фиг. 9.1. Образуването на водород поради реакцията на пара-циркониев (а) при различни изпълнения на промяна на температурата (б).

Получава се, използвайки данните ни подход недвусмислено посочват ролята на водород и въглероден оксид в унищожаване Чернобил реакторния възел 4 и пагубните последици от това събитие.

Фиг. 9. 2. Образуването на водород, чрез взаимодействието на водна пара с графита (а) в различни изпълнения времевата зависимост на температурата на графит (б).

Фиг. 9.3. Образуването на водород и кислород поради радиолизата на водна пара (а) при различни изпълнения, промени с времето на мощността на дозата на йонизиращо лъчение абсорбира от двойка (б).

Още веднъж, ние се отбележи, че изчисленията не сме получили никакви специални условия за данни за безопасност не се използват сложни математически модели и не се използват мощни компютри. Използвани само общи основни понятия на термодинамиката, химична кинетика и радиация химия. Въпреки това, те могат да дадат ясна представа за степента на хипотетична авария и да служи като научна основа за приемането на концептуалните и предварителни инженерни решения.