Система водородной безопасности современной атомной станции

Система водородной безопасности современной атомной электростанции

Научно-технологическая проектная программа «Большие вызовы - 2023»

Команда

Гипотеза

Системы безопасности

Решение

О проблеме

Во время тяжёлой аварии на атомной электростанции выделяется от 1,5 тонн водорода, что при образовании гремучей смеси по силе взрыва эквивалентно 45 тоннам тротила. Такой взрыв способен разрушить защитную оболочку АЭС и привести к выбросу огромного количества радиоактивных веществ. Подобные аварии произошли на Чернобыльской АЭС в 1986 году и на АЭС "Фукусима" в 2011 и привели к разрушившему защитную оболочку станции взрыву, от которого пострадали десятки тысяч человек. Авария на американской станции "Три-Майл-Айленд" в 1979 была вовремя остановлена, благодаря чему защитная оболочка не была разрушена, и люди не пострадали.

Итак, причина взрывов на АЭС - обильное выделение водорода, который взаимодействует с кислородом, содержащимся в воздушной среде защитной оболочки, с образованием неустойчивого, самопроизвольно взрывающегося соединения - гремучей смеси.

Проблема возникновения водорода

Рассмотрим тяжёлую аварию с разрывом трубопровода первого контура и обесточиванием АЭС. Происходит резкое уменьшение давления в активной зоне, из-за чего вода начинает вскипать, образуется большое количество пара. Далее на некоторых реакторах начинают работать системы пассивного охлаждения активной зоны, после чего, через 24 часа, охлаждающая жидкость в гидроемкостях заканчивается, и уровень воды в активной зоне начинает уменьшаться.

Пароциркониевая реакция

При достижении 761°С начинается пароциркониевая реакция между испарившейся водой и оболочками тепловыделяющих элементов, в результате чего выделяется до 1,5 тонн водорода.

Zr + 2H₂O = ZrO₂ + 2H₂

При достижение 1200 °С реакцию уже невозможно остановить, так как выделяется большое количество теплоты и реакция начинает сама себя поддерживать.

Существующие системы безопасности

Система пассивного отвода тепла (СПОТ)

Предназначена для длительного отвода тепла от активной зоны к конечному поглотителю через второй контур при запроектных авариях. Система дублирует соответствующую активную систему отвода тепла к конечному поглотителю в случае невозможности выполнения ей проектных функций. В случае аварии СПОТ позволяет конденсировать пар и отводить тепло от защитной оболочки, не давая возрастать давлению внутри.

Гидроемкости 1 и 2 ступени (ГЕ-1 и ГЕ-2)

Гидроемкости относятся к пассивным системам безопасности АЭС, функционирующим без участия персонала и использования внешних источников энергоснабжения. Во время эксплуатации АЭС в этих емкостях хранится водный раствор борной кислоты (поглотителя нейтронов). Емкости предназначены для экстренного залива активной зоны реактора при нештатных ситуациях, связанных с потерей теплоносителя. Таким образом они предотвращает повреждение твэлов и расплавление топлива. В момент тяжелой аварии гидроемкости поддерживают необходимый уровень охлаждающей жидкости в активной зоне в течении 24 часов.

Устройство локализации расплава (УЛР)

Одно из технических средств, специально предусмотренных для управления тяжелыми запроектными авариями на внекорпусной стадии. Состоит из разных веществ, в том числе из оксидов железа и алюминия, понижающих остаточное тепловыделение на единицу объема. В «ловушке расплава» осуществляется прием, размещение и охлаждение расплава материалов активной зоны, внутрикорпусных устройств и корпуса реактора вплоть до полной кристаллизации. В условиях тяжелой аварии задерживает кориум (лавообразное вещество, образующееся в активной зоне при расплаве реактора) и не позволяет ему реагировать с бетоном.

Пассивные каталитические рекомбинаторы водорода (ПКРВ)

В них образуется область пониженного давления, в результате чего водород попадает внутрь устройства. Там он реагирует с кислородом в присутствии катализатора - платины, напыленной на алюминиевые пластины. Затем получившиеся безопасные продукты реакции возвращаются в защитную оболочку.

Образование гремучей смеси

Во время протекания аварии атмосфера защитной оболочки представляет собой смесь воздуха, водорода и водяного пара. На диаграмме показаны концентрации каждого из веществ при нормальных условиях (концентрация кислорода ~ 21%). Зона дефлаграции (воспламенения) изображена оранжевым цветом, а детонации (взрыва) - красным. При тяжелой аварии допускается воспламенение в защитной оболочке, однако лишь при штатной работе пассивных систем безопасности. Взрыв не допускается при любых условиях.

Гипотеза

Мы считаем, что обеспечить водородную безопасность перспективных проектов АЭС с ВВЭР средней и большой мощности можно путем уменьшения концентрации кислорода в защитной оболочке

Цель

Разработать концепцию системы для обеспечения водородной безопасности современной АЭС с реакторной установкой типа ВВЭР средней и большой мощности

Задачи

Изучить теоретический материал по выбранной и смежным темам
Придумать концепцию системы обеспечения водородной безопасности
Провести расчетно-теоретическое обоснование
Сделать макет, демонстрирующий принцип работы системы

Решение

Отталкиваясь от диаграммы Шапиро-Моффетти можно вывести три основных способа решения данной проблемы: уменьшение концентрации кислорода или водорода, повышение концентрации пара. Мы провели анализ и решили предложить систему, уменьшающую концентрацию кислорода до значения, при котором не может произойти взрыв. При этом необходимо учесть, что диаграмма будет изменяться в процессе сжигания кислорода, так как будет уменьшаться его концентрация в воздухе. Поэтому мы составили диаграмму для низких концентраций кислорода, на которой показано изменение зоны дефлаграции, в зависимости от процентного количества кислорода в парогазовой смеси (от 21% до 8%).

Проведя SWOT-анализ каждого пути решения проблемы мы пришли к выводу, что самым эффективным и рациональным методом будет уменьшение концентрации кислорода путем горения некоторого вещества в воздушной среде защитной оболочки. Среди 12 первично-выбранных веществ мы выбрали пропан, т.к. продукты его реакции с кислородом безопасны, а на 1 моль C₃H₈ приходится 5 молей O₂, что позволяет быстро избавляться от кислорода в контейнменте.

С₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O + Q

Выбор реагента

Выбор горелки

Пламенные горелки

Все пламенные горелки объединяет то, что во время окисления топлива кислорода выделяется большое колическтво тепла с образованием пламени. Она не подошла по той причине, потому что для её работы нужна концентрация кислорода не менее 14 процентов.

Беспламенный каталитический горелки

Сгорание топлива происходит при концентрации кислорода не менее 4 процентов. Процесс горения не сопровождается образованием пламени. Основная реакция горения топлива происходит в присутствии катализатора

Панельные горелки

Сгорание происходит в маленьких отверстиях, проделанных в жаропрочной панели, поэтому не происходит образование пламени и горение может осуществляться при концентрации кислорода превышающей 2 процента.

Внедрение нашей системы водородной безопасности на АЭС

Размещение хранилищ пропана
Пропан - очень взрывоопасный газ, которому достаточно даже незначительной искры для воспламенения. Поэтому необходимо обеспечить безопасность хранения газа. Для этого мы расположили склады на отдаленном расстоянии от реакторов и разбили поток пропана на два, чтобы в случае отключения одного из хранилищ газ продолжал поступать к горелкам.
Гидродинамические расчеты.
Очень важной стадией проектирования нашей системы стали гидродинамические расчеты, ведь необходимо учесть падение давления из-за трения газа о трубы и в местах перегиба труб. В результате проведенных расчетов, мы пришли к выводу, что необходимо использовать трубы в диаметре 0.1 м и длиной в 150 м.
Внедрение системы безопасности в перспективные АЭС высокой и средней мощности.
Резкий перепад давления будет фиксировать датчик, далее он будет подавать сигнал об подаче пропана в горелки и инициировать его поджигание. Для того, чтобы сжечь 4 тонны газа за 24 часа необходимо использовать 10 горелок.
Внедрение нашей системы безопасности на ВВЭР-1000
Так как мы планируем встраивать нашу систему не только в прогрессивные проекты, но и существующие, даже без системы пассивного охлаждения активной зоны. Для этого нужно учесть, что из активной зоны при аварии сразу начинает выходить водород, то есть это означает, что примерно через два часа образуется гремучая смесь. За это время необходимо снизить концентрацию кислорода до 4-8 процентов. То есть необходимо использовать количество горелок в 24 раза больше чем на АЭС с системами ГЕ-1 и ГЕ-2, а именно 240 штук.

Визуализация нашего решения

Для демонстрации работы спроектированной нами системы мы создали 3D макет современной АЭС, где отображены ее основные конструкционные элементы.

3D модель макета

Визуализация аварии с разрывом трубопровода

Команда проекта

Воронин Вячеслав
Физик-теоретик, увлекается программированием, чтением книг и игрой на аккордеоне
@Voronin_Slavik
Шнайдер Егор
Физик-теоретик, увлекается чтением книг, шахматами, астрофизикой
@george_shnayder_123
Александр Коняев
Инженер, увлекается стрельбой и воркаутом
@Konyaschka
Павловский Иван
Программист, увлекается чтением книг, игрой на гитаре и историей
@Pavlovskyiw
Кищенко Алексей
Программист, увлекается спортом
@A1eSDq
Филиппов Александр
Инженер, увлекается 3D-моделированием
@Fil_Alexandr

Вверх

Заместитель начальника лаборатории
АО "ГНЦ РФ-ФЭИ", к.т.н.

Калякин Дмитрий Сергеевич

Ведущий научный сотрудник
АО "ГНЦ РФ-ФЭИ", д.т.н.

Педагог дополнительного образования Центра развития творчества детей и юношества "Эврика". Эксперт в области технического моделирования, физики и информатики

Морозов Андрей Владимирович

Фарнакеев Игорь Валерьевич

Эксперты в области атомной энергетики

Руководитель приоритетного направления научно-технологического развития АСММ госкорпорации "Росатом", научный руководитель АО "ВНИИАЭС", д.т.н., эксперт в области водородной безопасности

Студент НИЯУ МИФИ, стажёр направления "Современная энергетика"

Соловьёв Сергей Леонидович

Феденева Анна Витальевна

Партнеры

Госкорпорация "Росатом"
Физико-энергетический институт им.
А. И. Лейпунского

Наша команда за работой

Мы работаем, чтобы вы не боялись радиационной катастрофы

Back to top