Математическое моделирование натекания водорода в гермзоне реакторного здания АЭС с ВВЭР-1200

Введение. Закономерности образования водородно-воздушных смесей при натекании водорода в верхнюю часть помещения большого объема в начальные моменты времени недостаточно изучены. Поэтому определение закономерностей образования локальных влозрыво- и пожароопасных водородно-воздушных смесей при натекании водорода в нижнюю часть подкупольного пространства реакторного здания является актуальным.

Цели и задачи. Целью статьи является теоретическое исследование возникновения локальных пожаро- и взрывоопасных зон водородно-воздушной смеси, образующейся при натекании водорода в гермзоне реакторного здания, для обоснования параметров концентрационных датчиков системы контроля концент­рации водорода. Для ее достижения разработана зонная математическая модель расчета концентраций водорода в помещении. Проведены численные эксперименты по определению закономерностей образования водородно-воздушных смесей.

Теоретические основы. Обобщенное трехмерное нестационарное дифференциальное уравнение законов сохранения массы, импульса и энергии используется для расчета локальных концентрационных полей водорода. Разработанная зонная модель позволяет определить концентрации водорода в конвективной колонке и в припотолочном слое.

Результаты и их обсуждение. Получены характерные поля массовых концентраций водорода в объеме под­купольного пространства. Показано, что на начальной стадии натекания водорода под перекрытием купольного пространства образуется зона припотолочного слоя, что подтверждает обоснованность применения зонной модели. Выполнено сравнение концентраций водорода, полученных по полевой и зонной моделям. Получены распределения массовых концентраций водорода по высоте конвективной колонки при различных числах Рейнольдса в отверстии натекания водорода. Показано, что концентрационные датчики водорода могут диагностировать аварийный режим натекания водорода в подкупольное пространство только в узкой области чисел Рейнольдса Re = 900–5000. Существует режим натекания (Re = 3358), при котором образуется максимальная объемная концентрация водорода в месте расположения концентрационных датчиков при максимальных размерах пожаро- и взрывоопасных зон водородно-воздушной смеси в помещении.

Выводы. Используемые датчики концентрации водорода в подкупольном пространстве реакторного здания АЭС с водно-водяными реакторами могут не обнаружить водород в верхней точке купола при пороге чувст­вительности в 2 % об. При этом по высоте конвективной колонки образуются водородно-воздушные смеси, находящиеся в пожаро- и взрывоопасных концентрационных пределах.

1. Кириллов И.А., Харитонова Н.Л., Шарафутдинов Р.Б., Хренников Н.Н. Обеспечение водо­родной безопасности на атомных электростанциях с водоохлаждаемыми реакторными установками. Современное состояние проблемы // Ядерная и радиационная безопасность. 2017. № 2 (48). С. 1–12. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=29680571

2. International Atomic Energy Agency (IAEA). Mitigation of hydrogen hazards in water cooled power reactors // IAEA-TECDOC-1196. Vienna, 2001.

3. Shapiro Z.M., Moffette T.R. Hydrogen flammabi­lity data and application to PWR loss-of-coolant accident, WAPD-SC-545 // Westinghouse Electric Corp. Bettis Plant, Pittsburgh, 1957; The Theoretical Possibilities and Consequences of Major Accidents in Large Nuclear Power Plants, WASH-740 // Atomic Energy Comission. 1957.

4. Payot F., Reinecke E., Morfin F., Sabroux J.C., Meynet N., Bentaib A., et al. Understanding of the operation behaviour of Passive Autocatalytic Recombiner(PRA) for hydrogen mitigation in realistic containment conditions during a severe Light Water Nuclear Reactor (LWR) accidents // Nuclear Engineering and Design. 2012. Vol. 248. Pp. 178–196. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2012.03.042

5. Shukla V., Ganju S., Varma S., Sengupta S., Maheshwari N.K. Affect of recombiner location on its performance in closed containment under dry and steam conditions // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. Issue 47. Pp. 25957–25973. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.08.015

6. Шебеко Ю.Н., Келлер В.Д., Еременко О.Я., Смолин И.М.. Закономерности образования и горе­ния локальных водородовоздушных смесей в большом объеме // Химическая промышленность. 1988. № 12. С. 24–27.

7. Шевяков Г.Г., Савельева Н.И. Распространение и горение струи водорода в открытой атмосфере // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2004. № 1 (9). С. 23–27.

8. Rubtsov N.M., Seplyarskii B.S. Concentration limits of combustion in rich hydrogen–air mix­tures in the presence of inhibitors // Mendeleev Communi­cations. 2010. Vol. 20. Issue 5. Pp. 296–298. DOI: 10.1016/j.mencom.2010.09.020

9. Кириллов И.А., Симоненко В.А., Харитонова Н.Л. Проблемы нормативного, экспериментального и расчетно-теоретического обеспечения без­опасности водородной энергетики // Российские нанотехнологии. 2020. Т. 15. № 3. С. 402–414. DOI: 10.1134/S1992722320030061

10. Пантелеев В.А., Кириллов И.А. Метод описания сценариев каскадных и межсистемных аварий с учетом вероятностных факторов // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2019. № 5. С. 53.

11. Gharari R., Kazeminejad H., Mataji Kojouri N., Hedayat A. A review on hydrogen generation, explosion and mitigation during severe accidents in light water nuclear reactors // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. Vol. 43. Issue 4. Pp. 1939–1965. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.11.174

12. Rozen A. Simulation of start-up behaviour of a passive autocatalytic hydrogen recombiner // Nukleonika. 2018. Vol. 63. Issue 2. Pp. 27–41. DOI: 10.2478/nuka-2018-0004

13. Dehjourian M., Sayareh R., Rahgoshay M., Jahanfarnia G., Shirani A. Investigation of a hydrogen mitigation system during large break loss-of-coolant accident for a two-loop pressurized water reactor // Nuclear Engineering and Technology. 2016. Vol. 48. Issue 5. Pp. 1174–1183. DOI: 10.1016/j.net.2016.04.002

14. Пузач С.В., Лебедченко О.С. Расположение взрыво- и пожароопасных участков водородно-­воздушной смеси по высоте конвективной колон­ки, образующейся над источником натекания водорода в помещении // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2017. Т. 26. № 1. С. 18–24. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.01.18-24

15. Hoyes J.R., Ivings M.J. CFD modeling of hydrogen stratification in enclosures: Model validation and application to PAR performance // Nuclear Engineering and Design. 2016. Vol. 310. Pp. 142–153. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2016.08.036

16. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М. : Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

17. Пузач С.В. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобез­опасности. М. : Академия ГПС, 2005. 336 с.