Etude de Siphon Breaker expérience et Simulation pour un réacteur de recherche

Summary

Le siphon briser le phénomène a été étudié expérimentalement et un modèle théorique a été proposé. Un programme de simulation basé sur le modèle théorique a été mis au point et les résultats du programme de simulation ont été comparés avec les résultats expérimentaux. Il a été conclu que les résultats du programme simulation correspondant bien les résultats expérimentaux.

Abstract

Dans les conditions de conception d’un réacteur de recherche, le phénomène de siphon induit par la rupture de la conduite peut provoquer des flux d’eau continu vers l’extérieur. Pour empêcher cet écoulement, un dispositif de contrôle est nécessaire. Un disjoncteur de siphon est un type de dispositif de sécurité qui peut être utilisé pour contrôler la perte d’eau de refroidissement efficace.

Pour analyser les caractéristiques du siphon rupture, ont conduit une expérience de réel à l’échelle. Les résultats de l’expérience, il a été constaté qu’il existe plusieurs facteurs de conception qui affectent le siphon briser le phénomène. Par conséquent, il est nécessaire d’élaborer un modèle théorique capable de prévoir et d’analyser le siphon briser le phénomène dans diverses conditions de conception. En utilisant les données expérimentales, il était possible d’élaborer un modèle théorique qui prédit avec précision l’état d’avancement et le résultat du phénomène de rupture siphon. Le modèle théorique établi est basé sur la mécanique des fluides et intègre le modèle Chisholm pour analyser les débits diphasiques. De l’équation de Bernoulli, la vitesse, la quantité, se posant avant hauteur, niveau d’eau, pression, coefficient de frottement et les facteurs liés à l’écoulement biphasé puisse être fournie ou calculée. En outre, pour pouvoir utiliser le modèle établi dans la présente étude, un programme de conception et d’analyse de disjoncteur siphon a été développé. Le programme de simulation fonctionne sur la base du modèle théorique et retourne le résultat sous forme de graphique. L’utilisateur peut confirmer la possibilité du siphon briser en vérifiant la forme du graphique. En outre, enregistrer le résultat de la simulation tout est possible et il peut être utilisé comme ressource pour analyser le siphon véritable rupture système.

En conclusion, l’utilisateur peut confirmer le statut du siphon breaking and design, le système de disjoncteur de siphon en utilisant le programme développé dans cette étude.

Introduction

Le nombre de réacteurs à l’aide de carburant de type à plaques, comme le Jordan recherche et la formation réacteur (JRTR) et le réacteur de recherche KiJang (KJRR), a augmenté récemment. Afin de connecter facilement le carburant de type à plaques, le réacteur de recherche nécessite un flux de noyau à la baisse. Étant donné que les réacteurs de recherche exigent la tête d’aspiration positive nette du système de refroidissement primaire, certains composants du système refroidissement pourraient potentiellement être installés sous le réacteur. Toutefois, en cas de rupture de canalisation dans le système de refroidissement primaire sous le réacteur, l’effet de siphon provoque un drainage continu du liquide de refroidissement qui pourrait résulter de l’exposition du réacteur à l’air. Cela signifie que la chaleur résiduelle ne peut être retirée, ce qui pourrait conduire à un accident grave. Dans le cas d’un accident de perte de liquide de refroidissement (LOCA), un dispositif de sécurité qui peut empêcher un accident grave est donc nécessaire. Un disjoncteur de siphon est un tel dispositif de sécurité. Il peut effectivement empêcher le drainage de l’eau à l’aide d’irruption d’air. L’ensemble du système est appelé le siphon briser le système.

Plusieurs études pour améliorer la sécurité de réacteurs de recherche ont été réalisées. McDonald et martre¹ ont réalisé une expérience pour confirmer l’efficacité d’un siphon robinet comme une casse-exploitation activement. Neill et Stephens² a réalisé une expérience utilisant un séparateur de siphon comme un dispositif actionné passivement dans un tuyau de petite taille. Sakurai³ a proposé un modèle analytique pour analyser le siphon rupture où un modèle de flux entièrement séparé air-eau a été appliqué.

Siphon de rupture est extrêmement complexe car il existe de nombreux paramètres qui doivent être prises en considération. En outre, parce que les expériences pour les réacteurs de recherche à l’échelle réelle n’a été effectuées, il est difficile d’appliquer des études antérieures dans les réacteurs de recherche contemporaine. Par conséquent, les études antérieures n’ont présenté un modèle théorique satisfaisant pour siphon briser. Pour cette raison, une expérience du réel à l’échelle a été menée afin d’établir un modèle théorique.

Pour étudier l’effet du disjoncteur siphon sur un réacteur de recherche, les expériences de real-balance de vérification ont été effectuées de Pohang University of Science et technologie (POSTECH) et Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI)^{4,5 ,6}. La figure 1 est l’installation réelle pour l’expérience de briseur de siphon. La figure 2 montre un schéma de l’installation et il comprend la marque de l’établissement.

Figure 1. Installation pour le siphon briser expérience démonstration. Diamètre du tube principal est 16 po et une fenêtre en acrylique est installée pour l’observation. L’orifice est un dispositif élaboré pour décrire la chute de pression. Il y a donc une partie de l’Assemblée d’orifice au fond du réservoir supérieur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2. Diagramme schématique de l’installation expérimentale. L’emplacement des points de mesure est présenté. Les nombres indiquent ces endroits pertinents ; point 0 signifie l’entrée du disjoncteur siphon, point 1 signifie le niveau d’eau, point 2 équivaut à la pièce reliée le disjoncteur du siphon et la canalisation principale et point 3 signifie la LOCA situer. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Le centre expérimental de briseur de siphon se compose d’un réservoir supérieur, un réservoir inférieur, un système de tuyauterie et une pompe de retour. La capacité du réservoir supérieur est 57,6 m³. La zone du fond et la profondeur sont 14,4 m² (4 m x 3,6 m) et 4 m, respectivement. Le réservoir inférieur et la position de LOCA sont situé à 8,3 m au-dessous du réservoir supérieur. La capacité du réservoir du bas est de 70 m³. Le réservoir inférieur est utilisé pour stocker l’eau pendant l’expérience. Le réservoir inférieur est relié à la pompe de retour. L’eau dans le réservoir inférieur est pompée dans le réservoir supérieur. La taille de la canalisation principale de la tuyauterie est de 16 po. La fin de la ligne de disjoncteur Siphon (SBL) se situe à 11,6 m surplombant le tuyau inférieur point de rupture. En outre, windows acryliques sont installés sur le tuyau pour la visualisation, comme illustré à la Figure 1.

Plusieurs appareils ont été installés pour mesurer les signaux physiques. Deux capteurs de pression absolue (APTs) et trois capteurs de pression différentielle (DPTs) ont été utilisés. Pour mesurer le débit massique de l’eau, un compteur de débit ultrasonique a été utilisé. Un système d’acquisition de données a été utilisé pour obtenir toutes les données de mesure à 250 ms des intervalles de temps. En plus de l’équipement pour la mesure, caméras ont été installées pour l’observation et un souverain était fixé sur la paroi intérieure du réservoir supérieur pour vérifier le niveau d’eau.

Différentes tailles de disjoncteur (SB) LOCA et siphon, siphon disjoncteur types (ligne/trou) et la présence d’orifice concernant le combustible des réacteurs et le point de rupture de canalisation ont été examinées dans l’expérience. Afin de vérifier l’effet de la taille LOCA et SBL, différentes tailles de LOCA et SBL ont été utilisés. Le LOCA varie de 6 à 16 po et les tailles SBL varies de 2 à 6 en. Dans l’expérience, type ligne et trou de briseurs de siphon ont été utilisés, mais le contenu suivant cette étude considère uniquement le type SBL utilisé dans les JRTR et les KJRR. Ainsi des résultats expérimentaux, la Figure 3 est un graphique qui inclut les données sur la pression et l’eau le débit. L’expérience a été menée sur 4 octobre 2013 et l’échantillon de données expérimentales est LN23 (type de ligne SB, aucun orifice, 12 en LOCA, 2,5 pouces SBL).

Partir des données d’expérience, le modèle théorique qui peut prédire le siphon briser le phénomène a été créé. Le modèle théorique commence par l’équation de Bernoulli. La vitesse du fluide est obtenue à partir de l’équation de Bernoulli et le débit volumétrique peut être obtenu en multipliant la vitesse du fluide par la surface du tuyau. En outre, le niveau d’eau peut être obtenu en utilisant le débit volumétrique. Le concept de base du modèle théorique est comme ci-dessus. Cependant, puisque le siphon briser le phénomène est un écoulement diphasique, il y a des points supplémentaires à prendre en considération. Afin d’étudier un modèle d’analyse de flux en deux phases, un test de vérification de précision a été réalisé. Étant donné que le modèle de Chisholm a été plus précis qu’un modèle homogène, le modèle de Chisholm est utilisé pour analyser le phénomène. Selon le modèle de Chisholm, la formule du multiplicateur en deux phases est exprimée par l’équation 1⁷. Dans cette équation, ф représente le multiplicateur en deux phases, ρ représente la densité et X représente la qualité.

(1)

classe p = « jove_content » > modèle dans the Chisholm, un coefficient B qui varie en fonction du débit massique a été inclus. En fin de compte, le calcul d’une formule de corrélation entre le coefficient B de Chisholm et conditions de conception de réacteur est un point important du modèle théorique. En d’autres termes, un autre l’expérience visait à obtenir des données permettant d’établir la relation entre les conditions de conception et de coefficient de Chisholm B. Depuis les résultats de test, une formule de corrélation entre les conditions de conception et le coefficient B de Chisholm a été créée. Le modèle théorique obtenu a été développé pour prédire le siphon briser phénomène bien.

En outre, un programme de simulation avec une Interface d’utilisateur graphique (GUI) a été développé. Par la transition des données de pression absolue dans la Figure 3, le phénomène peut être divisé en trois étapes : la perte de liquide de refroidissement (courant monophasé), rupture de Siphon (écoulement diphasique) et état d’équilibre. Par conséquent, le processus de l’algorithme de calcul principal comprend un processus en trois étapes correspondant aux trois étapes du phénomène réel. Y compris le processus de calcul, l’algorithme entier pour décrire le processus de simulation est illustré à la Figure 4⁸.

L’utilisation du logiciel (voir la vidéo 1) pour commencer la simulation, l’utilisateur a entré les paramètres d’entrée correspondant aux conditions de conception et les paramètres d’entrée sont stockés sous forme de valeurs fixes. Si l’utilisateur procède à la simulation après avoir entré les paramètres, le programme effectue la première étape de calcul. La première étape est le calcul monophasé, qui est le calcul de la perte de liquide de refroidissement dû à l’effet de siphon après la rupture de la canalisation. Les variables sont calculés automatiquement par le modèle théorique (comme dans l’équation de Bernoulli, préservation de débit massique, etc), et le calcul du produit de la saisie des paramètres par l’utilisateur. Les résultats du calcul sont stockées dans l’ordre dans la mémoire de l’ordinateur selon l’unité de temps désignée par l’utilisateur.

Si les gouttes d’eau niveau ci-dessous la position 0, cela signifie que le débit monophasé se termine, parce que l’air commence à se précipiter dans la LTT en ce moment. Par conséquent, la première étape pour courant monophasé continue jusqu'à ce que le niveau d’eau atteigne la position 0. Lorsque le niveau d’eau est à la position 0, cela signifie que la hauteur undershooting est nulle. La hauteur d’undershooting est la différence de hauteur entre l’entrée de la LTT et le niveau de l’eau du réservoir supérieur après la rupture de siphon. En d’autres termes, se posant avant hauteur indique combien le niveau d’eau a baissé le siphon briser. Par conséquent, la hauteur d’undershooting est un paramètre important, parce qu’il permettrait la détermination directe de la quantité de perte de liquide de refroidissement. Par conséquent, le programme détermine la fin de la première étape de calcul selon la hauteur undershooting.

Si la hauteur undershooting est supérieure à zéro, le programme effectue une deuxième étape de calcul qui peut simuler les débits diphasiques. Parce que l’écoulement de l’eau et l’air sont présents dans le siphon briser le stade, les propriétés physiques des deux fluides doivent être considérées. Par conséquent, les valeurs du multiplicateur en deux phases, la qualité et la fraction de vide sont jugées dans cette étape de calcul. Spécialement, la valeur de la fraction de vide est utilisée comme se terminant le critère de la deuxième étape de calcul. La fraction de vide peut être exprimée comme le ratio du flux d’air à la somme de l’air et l’eau coule. La deuxième étape de calcul continue jusqu'à ce que la valeur de fraction de vide (α) est au-dessus de 0,9. Une fois α plus de 0,9, la troisième étape de calcul produit qui décrit l’état stationnaire. Théoriquement, le critère de fin pour siphon rupture est α = 1 puisqu’il n’existe que de l’air dans le tuyau en ce moment. Toutefois, dans ce programme, les critères de fin pour siphon rupture est α = 0,9 pour éviter toute erreur dans le processus de calcul. Par conséquent, une perte partielle des résultats est inévitable, mais cette erreur peut être négligeable.

Calcul de l’état d’équilibre se produit pendant le temps défini par l’utilisateur. Parce qu’il n’y a aucun autre changement, l’état d’équilibre est caractérisé en ce que les valeurs de résultat de calcul sont toujours constantes. Si siphon rupture est réussie, le niveau final de l’eau dans le réservoir supérieur reste à une valeur spécifique, pas de zéro. Toutefois, si la rupture de siphon n’est pas effectuée avec succès, le liquide de refroidissement sera presque perdu, et le niveau final de l’eau approche zéro valeur. Par conséquent, si la valeur de niveau d’eau est égal à zéro en état stationnaire, il indique que les conditions de dessin ou modèle donné ne suffisent pas à remplir le siphon rupture.

Après le calcul, l’utilisateur peut confirmer les résultats de diverses manières. Les résultats indiquent l’état du siphon briser, siphon briser les progrès et singularité. Le programme de simulation peut prévoir et analyser le phénomène de façon réaliste et aider à la conception de ce système de disjoncteur de siphon. Dans ce document, le protocole de l’expérience, des résultats de l’expérience et l’application du programme simulation sont présentés.

Protocol

1. procédure expérimentale de ^{5 , 4 , 6}

1. préparation
   1. vérifier l’installation expérimentale. Basé sur la matrice de test, vérifiez attentivement les conditions d’essai matrice de test, telles que LOCA taille SBL dimensions, types de disjoncteur de siphon et la présence d’orifice, avant l’expérience. Aussi, le test pour confirmer que l’instrumentation et les composants de l’installation fonctionnent correctement sans bruit de données ou de dysfonctionnements.
   2. Remplir le réservoir supérieur avec de l’eau à l’aide de la pompe de retour installée à l’intérieur de la cuve inférieure.
   3. Enlever l’air résiduel à l’intérieur de la PPE. Utiliser une pompe à vide et la chambre de la mémoire tampon pour retirer l’air résiduel de SBL.
   4. Vérifier le niveau initial de l’eau du réservoir supérieur. Utiliser la règle fixée à la citerne.
2. Étape de test
   1. ouvrir la valve à la fin du système de tuyauterie.
   2. En utilisant le système d’acquisition de données dans la salle de contrôle, vérifier les données mesurées, tels que les variations de pression, niveau d’eau et débit pendant le phénomène de rupture de siphon. S’il n’y a aucun écoulement de liquide de refroidissement, la première expérience se termine. Enfin, enregistrer les résultats expérimentaux obtenus avec les conditions d’essai donnée.
3. Changer les variables de test (SBL taille, taille LOCA, présence de l’orifice et la position de le LOCA) comme suit.
   1. Changement la LTT taille successivement à 2, 2.5, 3, 4, 5 et 6 dans ; la LTT donnée est raccordée à la canalisation principale par un joint de bride à la position 2 à la Figure 2.
      Remarque : Les variables expérimentales, telles que SBL taille, taille LOCA et la présence d’orifice, sont modifiées à l’aide du joint de bride avec boulons et écrous. Par conséquent, ces procédés se déroulent manuellement.
   2. Répéter les étapes 1.1.1 - 1.2.2 jusqu'à ce que toutes les expériences de tailles SBL sont faits.
   3. Avec le LOCA en position 1, changer la taille LOCA successivement à 6, 8, 10, 12, 14 et 16 pouces, le réducteur donné est raccordé à la canalisation principale par un joint de bride à la position 3 à la Figure 2.
   4. Répéter les étapes 1.1.1 - 1.3.2 jusqu'à ce que toutes les expériences de tailles LOCA sont faits.
   5. Installer l’orifice (ou supprimer l’orifice) raccordé à la canalisation principale par un joint de bride au fond du réservoir supérieur.
      Remarque : Les expériences de l’étape précédente ont été menées avec l’absence (ou la présence) de l’orifice. Par conséquent, l’orifice doit être installé (ou être supprimé) pour la prochaine expérience.
      1. Pour faire ce travail, s’assurer qu’il n’y a pas d’eau dans le réservoir supérieur.
   6. Répétezlesétapes 1.1.1 - 1.3.4. Pour confirmer l’effet de taille SBL et LOCA sous la présence (ou non) de l’orifice, répétez l’étape précédente.
   7. Changer la LOCA sur la position 2, comme les expériences de l’étape précédente ont été réalisées avec la position de LOCA 1. Changer la position de LOCA pour la prochaine expérience.
      Remarque : Dans le montage expérimental, deux positions de LOCA sont construites. Chaque tube LOCA avec une vanne papillon est relié à un système de canalisations principales.
      1. Pour changer la position de LOCA, fermer la vanne de papillon à la position 1 de la LOCA et ouvrir la valve à la position de LOCA 2.
   8. Répétezlesétapes 1.1.1 - 1.3.6.

2. Exécution du programme de Simulation

1. cliquez sur l’icône du programme à exécuter le programme de Simulation de disjoncteur Siphon.
   Remarque : La procédure est illustrée dans la vidéo 1. Comme le montre, l’écran initial du programme simulation se compose de 4 boutons (montrer le paramètre, Run, manuel et sortie). Lorsque l’utilisateur clique sur le ' Show paramètres ' bouton, une nouvelle fenêtre de commande s’ouvre et il comprend la liste des paramètres. L’utilisateur peut modifier et confirmer les valeurs numériques des variables. Le ' Run ' bouton exécute les calculs en substituant les paramètres d’entrée dans les formules inclus. Le ' Manuel ' bouton est destiné à informer la version de programme et de son utilisation et la ' sortie ' bouton ferme le programme. Les résultats sont indiqués dans le ' Show Results ' windows.
2. Cliquez sur le " Voir la paramètre " bouton.
3. Modifier les données d’entrée, compte tenu des conditions de simulation donnée.
4. Cliquez sur le " Run " bouton.
5. Vérifier la forme de graphique de niveau d’eau le ' Show Results ' fenêtre. Le programme organise les valeurs de résultat avec le temps et trace le graphique automatiquement.
   1. Grâce à la forme du graphique, visuellement confirmer la possibilité du siphon briser ; si le niveau d’eau ou de la hauteur se posant avant a la même valeur régulièrement jusqu'à la fin, siphon rupture est possible vu les circonstances. Voir la Figure 3.
6. Vérifier les autres sorties le ' Show Results ' fenêtre. Notez qu’il existe huit options (niveau d’eau, se posant avant hauteur, pression, vitesse d’écoulement, vitesse de l’air, vitesse de mélange en deux phases, quantité et friction) pour vérifier la sortie. Sélectionnez le type de graphique à l’aide de la case à cocher.
   Remarque : Il est facile de comprendre le phénomène de rupture de siphon en un coup de œil parce que le changement de chaque valeur avec le temps peut être vu dans les graphes.
7. Confirmer la valeur spécifique de sortie selon le temps en cliquant sur le " calculer dans le temps spécifique " bouton. Entrez le temps désiré et vérifier les résultats selon l’heure réglée.
8. Enregistrer toutes les données de résultat de simulation en cliquant sur le " enregistrer les données " bouton.
   Remarque : Les résultats sont sauvegardés sous forme de fichier texte, et des conditions simulées sont enregistrées ensemble.

Results

Tout le processus de rupture de siphon se compose de trois étapes. La première étape est l’écoulement du liquide de refroidissement dû à l’effet de siphon. La deuxième étape est le processus de démarrage de l’afflux d’air à travers la LTT pour bloquer la perte de liquide de refroidissement, appelé rupture de siphon. Le phénomène de rupture de siphon peut être considéré comme une forte augmentation de la pression absolue à la Figure 3. Après que la pression ab...

Discussion

Un disjoncteur de siphon est un dispositif de sécurité actionné passivement utilisé pour prévenir la perte de liquide de refroidissement lorsque survient un accident de rupture de tuyau. Toutefois, il est difficile d’appliquer aux réacteurs de recherche contemporaine car il n’y a aucune expérience pour les réacteurs de recherche à l’échelle réelle. Pour cette raison, l’expérience du réel à l’échelle a été menée par POSTECH et KAERI. Le but de l’expérience était de confirmer que la rupture de siphon est réalisable à la ta...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Transducteur de pression absolue	Sensor Technics	CTE9000	0,05 % d’erreur à pleine échelle
Transducteur de pression différentielle	Setra	C230	0,25 % d’erreur à pleine échelle
Débitmètre à ultrasons	Tokyo Keiki	UFP-20	Résolution 0,01m^3/h
Visual Studio 2012	Microsoft	Windows 8	Microsoft Foundation Class
E.R.W. acier tuyau	Hyundai Hysco	KS D 3507(SPP)	400A (diamètre extérieur) x 7.9mm (épaisseur)