Badanie eksperymentu i symulacji łamacza syfonów dla reaktora badawczego

Summary

Zjawisko pękania syfonu zostało zbadane eksperymentalnie i zaproponowano model teoretyczny. Opracowano program symulacyjny oparty na modelu teoretycznym, a wyniki programu symulacyjnego porównano z wynikami eksperymentalnymi. Stwierdzono, że wyniki programu symulacyjnego dobrze pokrywają się z wynikami eksperymentalnymi.

Abstract

W warunkach projektowych reaktora badawczego, zjawisko syfonu wywołane pęknięciem rury może powodować ciągły przepływ wody na zewnątrz. Aby zapobiec temu odpływowi, wymagane jest urządzenie sterujące. Wyłącznik syfonowy to rodzaj urządzenia zabezpieczającego, które można wykorzystać do skutecznego kontrolowania utraty wody chłodzącej.

Aby przeanalizować charakterystykę pękania syfonu, przeprowadzono eksperyment na rzeczywistą skalę. Na podstawie wyników eksperymentu stwierdzono, że istnieje kilka czynników konstrukcyjnych, które wpływają na zjawisko pękania syfonu. W związku z tym istnieje potrzeba opracowania modelu teoretycznego zdolnego do przewidywania i analizowania zjawiska pękania syfonu w różnych warunkach projektowych. Na podstawie danych eksperymentalnych udało się sformułować model teoretyczny, który dokładnie przewiduje postęp i wynik zjawiska pękania syfonu. Ustalony model teoretyczny opiera się na mechanice płynów i obejmuje model Chisholma do analizy przepływu dwufazowego. Z równania Bernoulliego można uzyskać lub obliczyć prędkość, wielkość, wysokość niedoregulowania, poziom wody, ciśnienie, współczynnik tarcia i czynniki związane z przepływem dwufazowym. Ponadto, aby wykorzystać model ustalony w tym badaniu, opracowano program do analizy i projektowania wyłącznika syfonów. Program symulacyjny działa w oparciu o model teoretyczny i zwraca wynik w postaci wykresu. Użytkownik może potwierdzić możliwość pęknięcia syfonu, sprawdzając kształt wykresu. Ponadto możliwe jest zapisanie całego wyniku symulacji, który może być wykorzystany jako zasób do analizy rzeczywistego systemu hamowania syfonu.

Podsumowując, użytkownik może potwierdzić stan wyłącznika syfonu i zaprojektować system wyłącznika syfonu za pomocą programu opracowanego w tym badaniu.

Introduction

Liczba reaktorów wykorzystujących paliwo płytowe, takich jak Jordan Research and Training Reactor (JRTR) i KiJang Research Reactor (KJRR), ostatnio wzrosła. Aby łatwo podłączyć paliwo płytowe, reaktor badawczy wymaga przepływu rdzenia w dół. Ponieważ reaktory badawcze wymagają dodatniej wysokości ssania netto głównego układu chłodzenia, niektóre elementy układu chłodzenia mogą być potencjalnie zainstalowane poniżej reaktora. Jeśli jednak dojdzie do pęknięcia rury w pierwotnym układzie chłodzenia poniżej reaktora, efekt syfonu powoduje ciągły odpływ chłodziwa, co może spowodować wystawienie reaktora na działanie powietrza. Oznacza to, że ciepło resztkowe nie może zostać usunięte, co może doprowadzić do poważnego wypadku. Dlatego w przypadku awarii płynu chłodzącego (LOCA) konieczne jest urządzenie zabezpieczające, które może zapobiec poważnemu wypadkowi. Takim urządzeniem zabezpieczającym jest wyłącznik syfonowy. Może skutecznie zapobiegać odpływowi wody poprzez wykorzystanie napływu powietrza. Cały system nazywa się systemem łamania syfonu.

Przeprowadzono kilka badań mających na celu poprawę bezpieczeństwa reaktorów badawczych. McDonald i Marten¹ przeprowadzili eksperyment w celu potwierdzenia działania zaworu rozdzielającego syfon jako aktywnie działającego wyłącznika. Neill i Stephens² przeprowadzili eksperyment z użyciem wyłącznika syfonowego jako pasywnie obsługiwanego urządzenia w rurze o małych rozmiarach. Sakurai³ zaproponował model analityczny do analizy pękania syfonu, w którym zastosowano całkowicie oddzielny model przepływu powietrza i wody.

Łamanie syfonu jest niezwykle skomplikowane, ponieważ istnieje wiele parametrów, które należy wziąć pod uwagę. Ponadto, ponieważ nie przeprowadzono eksperymentów z reaktorami badawczymi na skalę rzeczywistą, trudno jest zastosować wcześniejsze badania do współczesnych reaktorów badawczych. W związku z tym wcześniejsze badania nie przedstawiły zadowalającego teoretycznego modelu pękania syfonu. Z tego powodu przeprowadzono eksperyment na skalę rzeczywistą w celu ustalenia modelu teoretycznego.

Aby zbadać wpływ wyłącznika syfonu na reaktor badawczy, Pohang University of Science and Technology (POSTECH) oraz Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) przeprowadziły eksperymenty weryfikacyjne na skalę rzeczywistą^4,5^,6. Rysunek 1 przedstawia rzeczywiste urządzenie do eksperymentu z wyłącznikiem syfonu. Rysunek 2 pokazuje schemat obiektu i zawiera znak obiektu.

Rysunek 1. Pomieszczenie do eksperymentu demonstracyjnego z pękaniem syfonu. Główny rozmiar rury to 16 cali, a do obserwacji zainstalowane jest akrylowe okno. Kryza jest urządzeniem przygotowanym do opisu spadku ciśnienia. Dlatego na dnie górnego zbiornika znajduje się część montażowa kryzy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Schemat ideowy zakładu doświadczalnego. Przedstawiono położenie punktów pomiarowych. Liczby wskazują te odpowiednie lokalizacje; punkt 0 oznacza wejście wyłącznika syfonu, punkt 1 oznacza poziom wody, punkt 2 oznacza połączoną część wyłącznika syfonu i rurę główną, a punkt 3 oznacza pozycję LOKA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Eksperymentalny obiekt do łamania syfonów składa się z górnego zbiornika, dolnego zbiornika, systemu rurociągów i pompy powrotnej. Pojemność górnego zbiornika wynosi 57,6^m3. Powierzchnia dna i głębokość wynoszą odpowiednio 14,4^m2 (4 m x 3,6 m) i 4 m. Dolny zbiornik i stanowisko LOCA znajdują się 8,3 m poniżej górnego zbiornika. Pojemność dolnego zbiornika wynosi 70^m3. Dolny zbiornik służy do przechowywania wody podczas eksperymentu. Dolny zbiornik jest podłączony do pompy powrotnej. Woda w dolnym zbiorniku jest pompowana do górnego zbiornika. Główny rozmiar rury systemu rurociągów wynosi 16 cali. Koniec linii wyłącznika syfonu (SBL) znajduje się na wysokości 11,6 m powyżej dolnego punktu pęknięcia rury. Ponadto na rurze instalowane są okna akrylowe w celu wizualizacji, jak pokazano na Rysunek 1.

Zainstalowano kilka urządzeń do pomiaru sygnałów fizycznych. Zastosowano dwa przetworniki ciśnienia bezwzględnego (APT) i trzy przetworniki różnicy ciśnień (DPT). Do pomiaru masowego natężenia przepływu wody użyto przepływomierza ultradźwiękowego. Wykorzystano system akwizycji danych, aby uzyskać wszystkie dane pomiarowe w odstępach czasowych 250 ms. Oprócz sprzętu do pomiaru zainstalowano kamery do obserwacji, a na wewnętrznej ścianie górnego zbiornika przymocowano linijkę do sprawdzania poziomu wody.

W eksperymencie uwzględniono różne rozmiary LOCA i wyłączników syfonowych (SB), typy wyłączników syfonowych (Linia/Otwór) oraz obecność kryzy dotyczącej paliwa reaktora i punktu pęknięcia rury. W celu weryfikacji wpływu wielkości LOCA i SBL zastosowano różne wielkości LOCA i SBL. Rozmiary LOCA wahały się od 6 cali do 16 cali, a rozmiary SBL wahały się od 2 cali do 6 cali. W eksperymencie zastosowano wyłączniki syfonowe typu liniowego i otworowego, ale poniższa treść tego badania uwzględnia tylko typ SBL stosowany w JRTR i KJRR. Jako przykład wyników eksperymentalnych, Rysunek 3 to wykres zawierający dane dotyczące ciśnienia i natężenia przepływu wody. Eksperyment został przeprowadzony w dniu 4 października 2013 r., a próbka danych eksperymentalnych to LN23 (typ linii SB, bez kryzy, 12 w LOCA, 2,5 w SBL).

Na podstawie danych z eksperymentu ustalono model teoretyczny, który może przewidzieć zjawisko pękania syfonu. Model teoretyczny zaczyna się od równania Bernoulliego. Prędkość płynu uzyskuje się z równania Bernoulliego, a objętościowe natężenie przepływu można uzyskać, mnożąc prędkość płynu przez powierzchnię rury. Ponadto poziom wody można uzyskać za pomocą objętościowego natężenia przepływu. Podstawowa koncepcja modelu teoretycznego jest jak wyżej. Ponieważ jednak zjawisko pękania syfonu jest przepływem dwufazowym, należy wziąć pod uwagę dodatkowe punkty. Aby uwzględnić dwufazowy model analizy przepływu, przeprowadzono test weryfikacji dokładności. Ponieważ model Chisholma był dokładniejszy niż model jednorodny, model Chisholma jest używany do analizy zjawiska. Zgodnie z modelem Chisholma wzór na mnożnik dwufazowy jest wyrażony jako równanie 1⁷. W tym równaniu ф reprezentuje mnożnik dwufazowy, ρ reprezentuje gęstość, a X reprezentuje jakość.

(1)

W modelu Chisholma uwzględniono współczynnik B, który zmienia się wraz z przepływem masy. Ostatecznie wyprowadzenie wzoru na korelację między współczynnikiem Chisholma B a warunkami projektowymi reaktora jest istotnym punktem modelu teoretycznego. Innymi słowy, kolejnym celem eksperymentu było uzyskanie danych w celu ustalenia związku między warunkami obliczeniowymi a współczynnikiem Chisholma B. Na podstawie wyników badań ustalono wzór na korelację między warunkami obliczeniowymi a współczynnikiem Chisholma B. Powstały w ten sposób model teoretyczny został opracowany w celu dokładnego przewidywania zjawiska pękania syfonu.

Ponadto stworzono program symulacyjny z graficznym interfejsem użytkownika (GUI). Poprzez przejście danych o ciśnieniu bezwzględnym w Rysunek 3, zjawisko można podzielić na trzy etapy: Utrata chłodziwa (przepływ jednofazowy), Pęknięcie syfonu (przepływ dwufazowy) i Stan ustalony. Dlatego główny proces obliczeniowy algorytmu obejmuje trzyetapowy proces odpowiadający trzem etapom rzeczywistego zjawiska. Łącznie z procesem obliczeń, cały algorytm opisujący proces symulacji jest pokazany w Rysunek 4⁸.

Korzystając z oprogramowania (zobacz Dodatkowe wideo 1) do rozpoczęcia symulacji, użytkownik wprowadza parametry wejściowe odpowiadające warunkom projektowym, a parametry wejściowe są przechowywane jako stałe wartości. Jeśli użytkownik kontynuuje symulację po wprowadzeniu parametrów, program wykonuje obliczenia w pierwszym kroku. Pierwszym krokiem jest obliczenie jednofazowe, czyli obliczenie utraty chłodziwa w wyniku efektu syfonu po pęknięciu rury. Zmienne są obliczane automatycznie przez model teoretyczny (jak w równaniu Bernoulliego, zachowanie przepływu masy itp.), a obliczenia przebiegają na podstawie parametrów wprowadzonych przez użytkownika. Wyniki obliczeń są sekwencyjnie zapisywane w pamięci komputera zgodnie z jednostką czasu wyznaczoną przez użytkownika.

Jeśli poziom wody spadnie poniżej pozycji 0, oznacza to, że przepływ jednofazowy się kończy, ponieważ powietrze zaczyna w tym momencie wdzierać się do SBL. Dlatego pierwszy krok dla przepływu jednofazowego postępuje do momentu, gdy poziom wody osiągnie pozycję 0. Gdy poziom wody znajduje się w pozycji 0, oznacza to, że wysokość podzamykania wynosi zero. Wysokość podzamykania to różnica wysokości między wejściem SBL a poziomem wody w górnym zbiorniku po pęknięciu syfonu. Innymi słowy, wysokość podstawki wskazuje, o ile obniżył się poziom wody podczas pękania syfonu. Dlatego wysokość niedoregulowania jest ważnym parametrem, ponieważ pozwoliłaby na bezpośrednie określenie wielkości ubytku chłodziwa. W związku z tym program określa koniec obliczeń w pierwszym kroku zgodnie z wysokością niedoregulowania.

Jeśli wysokość niedoregulowania jest większa od zera, program wykonuje obliczenia drugiego kroku, które mogą symulować przepływ dwufazowy. Ponieważ na etapie pękania syfonu występuje zarówno przepływ wody, jak i powietrza, należy wziąć pod uwagę właściwości fizyczne obu płynów. W związku z tym w tym kroku obliczeń uwzględniane są wartości mnożnika dwufazowego, jakości i frakcji porowatej. W szczególności wartość ułamka pustego jest używana jako kryterium końcowe obliczeń w drugim kroku. Frakcję pustek można wyrazić jako stosunek przepływu powietrza do sumy przepływów powietrza i wody. Obliczenia w drugim kroku są kontynuowane do momentu, gdy wartość ułamka pustego (α) przekroczy 0,9. Gdy α przekroczy 0,9, następuje trzeci krok obliczeń, który opisuje stan ustalony. Teoretycznie końcowym kryterium pęknięcia syfonu jest α = 1, ponieważ w tej chwili w rurze znajduje się tylko powietrze. Jednak w tym programie końcowe kryterium łamania syfonu wynosi α = 0,9, aby uniknąć błędu w procesie obliczeń. Dlatego częściowa utrata wyników jest nieunikniona, ale ten błąd może być znikomy.

Obliczenia stanu ustalonego przebiegają w czasie ustawionym przez użytkownika. Ponieważ nie ma dalszych zmian, stan ustalony charakteryzuje się tym, że wartości wyników obliczeń są zawsze stałe. Jeśli pęknięcie syfonu powiedzie się, końcowy poziom wody w górnym zbiorniku pozostanie na określonym poziomie, a nie zerowym. Jeśli jednak pęknięcie syfonu nie zostanie wykonane pomyślnie, płyn chłodzący zostanie prawie utracony, a końcowy poziom wody zbliży się do wartości zerowej. W związku z tym, jeśli wartość poziomu wody jest równa zero w stanie ustalonym, oznacza to, że dane warunki projektowe nie są wystarczające do zakończenia pękania syfonu.

Po obliczeniach, użytkownik może potwierdzić wyniki na różne sposoby. Wyniki pokazują stan pękania syfonu, postęp pękania syfonu i osobliwość. Program symulacyjny może realistycznie przewidywać i analizować zjawisko oraz pomagać w projektowaniu systemu wyłącznika syfonowego. W artykule przedstawiono protokół eksperymentu, wyniki eksperymentu oraz zastosowanie programu symulacyjnego.

Protocol

1. Procedura eksperymentalna^4,5,6

1. Etap przygotowawczy
   1. Sprawdź placówkę doświadczalną. Na podstawie matrycy testowej przed eksperymentem dokładnie sprawdź warunki testowe matrycy testowej, takie jak rozmiar LOKA, rozmiar SBL, typy wyłączników syfonowych i obecność kryzy. Przetestuj również, aby potwierdzić, że oprzyrządowanie i komponenty obiektu działają poprawnie, bez zakłóceń danych lub usterek.
   2. Napełnij górny zbiornik wodą za pomocą pompy powrotnej zainstalowanej wewnątrz dolnego zbiornika.
   3. Usuń resztki powietrza z wnętrza SBL. Użyj pompy próżniowej i komory buforowej, aby usunąć resztki powietrza z SBL.
   4. Sprawdź początkowy poziom wody w górnym zbiorniku. Użyj linijki dołączonej do zbiornika.
2. Krok testowy
   1. Otwórz zawór na końcu systemu rurociągów.
   2. Korzystając z systemu akwizycji danych w sterowni, sprawdź zmierzone dane, takie jak poziom wody, natężenie przepływu i zmiany ciśnienia, podczas zjawiska pękania syfonu. Jeśli nie ma odpływu chłodziwa, pierwszy eksperyment się kończy. Na koniec zapisz uzyskane wyniki eksperymentalne w podanych warunkach testowych.
3. Zmień zmienne testowe (rozmiar SBL, rozmiar LCA, obecność kryzy i położenie LOKA) w następujący sposób.
   1. Zmień kolejno rozmiar SBL na 2, 2,5, 3, 4, 5 i 6 cali; dany SBL jest połączony z główną rurą za pomocą złącza kołnierzowego w pozycji 2 w Rysunek 2.
      UWAGA: Zmienne eksperymentalne, takie jak rozmiar SBL, rozmiar LOCA i obecność kryzy, są zmieniane za pomocą połączenia kołnierzowego ze i nakrętkami. Dlatego procesy te są przeprowadzane ręcznie.
   2. Powtarzaj kroki 1.1.1 - 1.2.2, aż wszystkie eksperymenty z rozmiarami SBL zostaną zakończone.
   3. Z LOCA w pozycji 1, zmień rozmiar LOCA kolejno na 6, 8, 10, 12, 14 i 16 cali; dany reduktor jest połączony z główną rurą za pomocą złącza kołnierzowego w pozycji 3 w Rysunek 2.
   4. Powtarzaj kroki 1.1.1 - 1.3.2, aż wszystkie eksperymenty z rozmiarami LOCA zostaną zakończone.
   5. Zamontuj kryzę (lub wyjmij kryzę) połączoną z główną rurą za pomocą złącza kołnierzowego na dnie górnego zbiornika.
      UWAGA: Eksperymenty z poprzedniego etapu zostały przeprowadzone przy braku (lub obecności) kryzy. Dlatego kryza powinna zostać zainstalowana (lub usunięta) do następnego eksperymentu.
      1. Aby wykonać tę pracę, upewnij się, że w górnym zbiorniku nie ma wody.
   6. Powtórz kroki 1.1.1 - 1.3.4. Aby potwierdzić wpływ rozmiaru SBL i LOCA pod obecność (lub brak) kryzy, powtórz poprzedni krok.
   7. Zmień LOCA na pozycję 2, ponieważ eksperymenty z poprzedniego kroku zostały przeprowadzone z pozycją LOCA 1. Zmień pozycję LOCA dla następnego eksperymentu.
      UWAGA: W konfiguracji eksperymentalnej konstruowane są dwie pozycje LOKA. Każda rura LOCA z przepustnicą izolacyjną jest podłączona do głównego systemu rurociągów.
      1. Aby zmienić pozycję LOKA, zamknij przepustnicę odcinającą w pozycji LOCA 1 i otwórz zawór w pozycji LOCA 2.
   8. Powtórz kroki 1.1.1 - 1.3.6.

2. Uruchamianie programu symulacyjnego

1. Kliknij ikonę programu, aby uruchomić program symulacyjny wyłącznika syfonu.
   UWAGA: Procedura jest pokazana w filmie uzupełniającym 1. Jak pokazano, ekran początkowy programu symulacyjnego składa się z 4 przycisków (Pokaż parametr, Uruchom, Ręcznie i Wyjdź). Gdy użytkownik kliknie przycisk "Pokaż parametry", otworzy się nowe okno poleceń, które zawiera listę parametrów. Użytkownik ma możliwość modyfikowania i potwierdzania wartości liczbowych zmiennych. Przycisk "Uruchom" wykonuje obliczenia, podstawiając parametry wejściowe do dołączonych wzorów. Przycisk "Ręcznie" służy do powiadamiania o użytkowaniu i wersji programu, a przycisk "Wyjdź" zamyka program. Wyniki są wyświetlane w oknie "Pokaż wyniki".
2. Kliknij przycisk "Pokaż parametr".
3. Zmień dane wejściowe z uwzględnieniem podanych warunków symulacji.
4. Kliknij przycisk "Uruchom".
5. Sprawdź kształt wykresu poziomu wody w oknie "Pokaż wyniki". Program porządkuje wartości wyników w czasie i automatycznie wykreśla wykres.
   1. Poprzez kształt wykresu potwierdź wizualnie możliwość pęknięcia syfonu; jeśli poziom wody lub wysokość niedoregulowania ma tę samą wartość niezmiennie do końca, pęknięcie syfonu jest możliwe w danych warunkach. Zobacz Rysunek 3.
6. Sprawdź inne dane wyjściowe w oknie "Pokaż wyniki". Zwróć uwagę, że istnieje osiem opcji (poziom wody, wysokość niedoregulowania, ciśnienie, prędkość wody, prędkość powietrza, prędkość mieszanki dwufazowej, ilość i tarcie), aby sprawdzić wyjście. Wybierz typ wykresu za pomocą pola wyboru.
   UWAGA: Na pierwszy rzut oka łatwo jest uchwycić zjawisko pękania syfonu, ponieważ zmianę każdej wartości w czasie można zobaczyć na wykresie.
7. Potwierdź konkretną wartość wydruku w zależności od czasu, klikając przycisk "Oblicz w określonym czasie". Wprowadź żądany czas i sprawdź wyniki zgodnie z ustawionym czasem.
8. Zapisz wszystkie dane wynikowe symulacji, klikając przycisk "Zapisz dane".
   UWAGA: Wyniki są zapisywane w postaci pliku tekstowego, a symulowane warunki są zapisywane razem.

Results

Cały proces rozbijania syfonu składa się z trzech etapów. Pierwszym etapem jest odpływ chłodziwa spowodowany efektem syfonu. Drugi etap to proces uruchamiania dopływu powietrza przez SBL w celu zablokowania utraty chłodziwa, zwany pękaniem syfonu. Zjawisko pękania syfonu może być postrzegane jako gwałtowny wzrost ciśnienia bezwzględnego w Rysunek 3. Po gwałtownym wzroście ciśnienia bezwzględnego jest ono stopniowo zmniejszane z powodu spadku poziomu wody. Pod...

Discussion

Wyłącznik syfonowy to pasywnie obsługiwane urządzenie zabezpieczające służące do zapobiegania utracie chłodziwa w przypadku pęknięcia rury. Jest to jednak trudne do zastosowania we współczesnych reaktorach badawczych, ponieważ nie ma eksperymentu dla reaktorów badawczych na skalę rzeczywistą. Z tego powodu eksperyment na skalę rzeczywistą został przeprowadzony przez POSTECH i KAERI. Celem eksperymentu było potwierdzenie, że złamanie syfonu jest możliwe w skali rzeczywistej oraz zidentyfikowanie czynników wpływających na ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Przetwornik ciśnienia bezwzględnego	Sensor Technics	CTE9000	0,05% błędu w pełnej skali
Przetwornik różnicy ciśnień	Setra	C230	0,25% błąd pełnej skali
Przepływomierz ultradźwiękowy	Tokyo Keiki	UFP-20	Rozdzielczość 0,01m^3/h
Visual Studio 2012	Microsoft	Windows 8	Microsoft Foundation Class
Stal ERW rura	Hyundai Hysco	KS D 3507 (SPP)	400 A (średnica zewnętrzna) x 7,9 mm (grubość)