Badanie eksperymentu i symulacji łamacza syfonów dla reaktora badawczego

Kwon-Yeong Lee; Wan-Soo Kim

doi:10.3791/55972

Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Badanie eksperymentu i symulacji łamacza syfonów dla reaktora badawczego

8.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55972

⸱

26 września 2017

Kwon-Yeong Lee¹ , Wan-Soo Kim¹

¹Department of Mechanical and Control Engineering, Handong Global University

W tym artykule

Podsumowanie

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.

Streszczenie

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.

Wprowadzenie

W ostatnim czasie wzrosła liczba reaktorów wykorzystujących paliwo płytkowe, takich jak Jordan Research and Training Reactor (JRTR) oraz KiJang Research Reactor (KJRR). Aby umożliwić łatwe łączenie paliwa płytkowego, reaktor badawczy wymaga przepływu rdzenia w dół. Ponieważ reaktory badawcze wymagają dodatkowej wysokości ssania netto (NPSH) pierwotnego układu chłodzenia, niektóre komponenty układu chłodzenia mogą zostać zainstalowane poniżej reaktora. Jednakże, w przypadku pęknięcia rury w pierwotnym układzie chłodzenia poniżej reaktora, efekt syfonu powoduje ciągły odpływ chłodziwa, co może doprowadzić do odsłonięcia reaktora. Oznacza to, że ciepło szczątkowe nie może zostać odprowadzone, co może doprowadzić do poważnego wypadku. Dlatego w przypadku awarii z utratą chłodziwa (LOCA) niezbędne jest urządzenie zabezpieczające, które może zapobiec poważnemu wypadkowi. Takim urządzeniem zabezpieczającym jest przerywacz syfonu. Może on skutecznie zapobiec odpływowi wody poprzez wykorzystanie napływu powietrza. Cały układ nazywany jest układem przerywania syfonu.

Przeprowadzono szereg badań mających na celu poprawę bezpieczeństwa reaktorów badawczych. McDonald i Marten¹ przeprowadzili eksperyment w celu potwierdzenia wydajności zaworu przerywającego syfon jako aktywnie działającego przerywacza. Neill i Stephens² przeprowadzili eksperyment z wykorzystaniem przerywacza syfonu jako urządzenia działającego pasywnie w ruro przewodzie o małej średnicy. Sakurai³ zaproponował model analityczny do analizy przerywania syfonu, w którym zastosowano model przepływu powietrze-woda w pełni rozdzielonego.

Przerwanie syfonu jest procesem niezwykle złożonym, ponieważ należy wziąć pod uwagę wiele parametrów. Co więcej, ze względu na brak eksperymentów przeprowadzonych w skali rzeczywistej dla reaktorów badawczych, trudne jest zastosowanie wcześniejszych badań do współczesnych reaktorów badawczych. W związku z tym dotychczasowe prace nie przedstawiły satysfakcjonującego modelu teoretycznego przerwania syfonu. Z tego powodu przeprowadzono eksperyment w skali rzeczywistej w celu opracowania modelu teoretycznego.

W celu zbadania wpływu przerywacza syfonu na reaktor badawczy, Pohang University of Science and Technology (POSTECH) oraz Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) przeprowadziły eksperymenty weryfikacyjne w skali rzeczywistej⁴^,⁵^,⁶. Rysunek 1 przedstawia rzeczywistą instalację do eksperymentu z przerywaczem syfonu. Rysunek 2 pokazuje schemat instalacji wraz z oznaczeniami elementów.

figure-introduction-1
Rysunek 1. Układ do eksperymentu demonstracyjnego z przerwaniem syfonu. Główna rura ma rozmiar 16 in i zainstalowano w niej akrylowe okno obserwacyjne. Zwężka jest urządzeniem przygotowanym do opisania spadku ciśnienia. W związku z tym, w dolnej części górnego zbiornika znajduje się zespół zwężki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

figure-introduction-2
Rysunek 2. Schemat instalacji eksperymentalnej. Przedstawiono rozmieszczenie punktów pomiarowych. Numery wskazują odpowiednie lokalizacje; punkt 0 oznacza wlot przerywacza syfonu, punkt 1 oznacza poziom wody, punkt 2 oznacza miejsce połączenia przerywacza syfonu z rurą główną, a punkt 3 oznacza miejsce wystąpienia LOCA. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Eksperymentalna instalacja przerywacza syfonu składa się z górnego zbiornika, dolnego zbiornika, systemu rurociągów oraz pompy powrotnej. Pojemność górnego zbiornika wynosi 57.6 m³. Powierzchnia dna i głębokość wynoszą odpowiednio 14.4 m²(4 m x 3.6 m) oraz 4 m. Dolny zbiornik i miejsce wystąpienia LOCA znajdują się 8.3 m poniżej górnego zbiornika. Pojemność dolnego zbiornika wynosi 70 m³. Dolny zbiornik służy do magazynowania wody podczas eksperymentu. Jest on połączony z pompą powrotną, która tłoczy wodę z dolnego zbiornika do górnego. Średnica głównej rury w systemie rurociągów wynosi 16 in. Końcówka linii przerywacza syfonu (SBL) znajduje się na wysokości 11.6 m powyżej punktu pęknięcia dolnej rury. Ponadto, w celu wizualizacji, na rurociągu zainstalowano okna akrylowe, jak pokazano na Rysunku 1.

W celu pomiaru sygnałów fizycznych zainstalowano kilka urządzeń. Wykorzystano dwa przetworniki ciśnienia absolutnego (APT) oraz trzy przetworniki ciśnienia różnicowego (DPT). Do pomiaru masowego natężenia przepływu wody użyto ultradźwiękowego przepływomierza. System akwizycji danych posłużył do gromadzenia wszystkich danych pomiarowych w odstępach czasu 250 ms. Oprócz aparatury pomiarowej zainstalowano kamery do obserwacji oraz przymocowano linijkę do wewnętrznej ścianki górnego zbiornika w celu kontroli poziomu wody.

W eksperymencie uwzględniono różne rozmiary awarii chłodzenia (LOCA) i przerywaczy syfonowych (SB), rodzaje przerywaczy syfonowych (liniowe/otworowe) oraz obecność otworu dławiącego w odniesieniu do paliwa reaktora i punktu pęknięcia rury. Aby zweryfikować wpływ rozmiaru LOCA i SBL, zastosowano różne wymiary LOCA i SBL. Rozmiary LOCA mieściły się w przedziale od 6 in do 16 in, a rozmiary SBL od 2 in do 6 in. W eksperymencie wykorzystano przerywacze syfonowe typu liniowego i otworowego, jednak w dalszej części niniejszej pracy rozważano jedynie typ SBL stosowany w JRTR i KJRR. Jako przykład wyników eksperymentalnych, Rysunek 3 przedstawia wykres zawierający dane dotyczące ciśnienia i natężenia przepływu wody. Eksperyment przeprowadzono 4 października 2013 r., a próbka danych eksperymentalnych to LN23 (SB typu liniowego, brak otworu dławiącego, LOCA 12 in, SBL 2,5 in).

Na podstawie danych eksperymentalnych opracowano model teoretyczny pozwalający przewidzieć zjawisko przerwania syfonu. Model teoretyczny opiera się na równaniu Bernoulliego. Prędkość płynu wyznacza się z równania Bernoulliego, a natężenie przepływu objętościowego można uzyskać poprzez pomnożenie prędkości płynu przez pole przekroju rury. Ponadto, znając natężenie przepływu objętościowego, można wyznaczyć poziom wody. Powyższe punkty stanowią podstawę koncepcji modelu teoretycznego. Jednakże, ponieważ przerwanie syfonu jest przepływem dwufazowym, należy uwzględnić dodatkowe aspekty. W celu opracowania modelu analizy przepływu dwufazowego przeprowadzono test weryfikacji dokładności. Ponieważ model Chisholma okazał się dokładniejszy od modelu homogenicznego, do analizy zjawiska zastosowano model Chisholma. Zgodnie z modelem Chisholma, wzór na mnożnik dwufazowy przedstawiono w Równaniu 1⁷. W równaniu tym ф oznacza mnożnik dwufazowy, ρ oznacza gęstość, a X oznacza zawartość pary.

figure-introduction-3 (1)

W modelu Chisholma uwzględniono współczynnik B, który zmienia się wraz z natężeniem przepływu masy. Ostatecznie wyprowadzenie formuły korelacyjnej między współczynnikiem B Chisholma a warunkami konstrukcyjnymi reaktora stanowi kluczowy punkt modelu teoretycznego. Innymi słowy, kolejnym celem eksperymentu było pozyskanie danych do ustalenia zależności między warunkami konstrukcyjnymi a współczynnikiem B Chisholma. Na podstawie wyników badań opracowano formułę korelacyjną między warunkami konstrukcyjnymi a współczynnikiem B Chisholma. Powstały model teoretyczny został opracowany w celu skutecznego przewidywania zjawiska przerwania syfonu.

Ponadto opracowano program symulacyjny z graficznym interfejsem użytkownika (GUI). Na podstawie zmian danych ciśnienia absolutnego przedstawionych na Rysunku 3, zjawisko to można podzielić na trzy etapy: utratę chłodziwa (przepływ jednofazowy), przerwanie syfonu (przepływ dwufazowy) oraz stan ustalony. W związku z tym główny proces obliczeniowy algorytmu obejmuje trzy kroki odpowiadające trzem etapom rzeczywistego zjawiska. Cały algorytm opisujący proces symulacji, wraz z procesem obliczeniowym, przedstawiono na Rysunku 4⁸.

Aby rozpocząć symulację za pomocą oprogramowania (patrz Supplemental Video 1), użytkownik wprowadza parametry wejściowe odpowiadające warunkom projektowym, które są następnie zapisywane jako wartości stałe. Jeśli użytkownik kontynuuje symulację po wprowadzeniu parametrów, program wykonuje obliczenia dla pierwszego kroku. Pierwszym krokiem jest obliczenie jednofazowe, obejmujące obliczenia ubytku chłodziwa w wyniku efektu syfonu po pęknięciu rurociągu. Zmienne są obliczane automatycznie przez model teoretyczny (zgodnie z równaniem Bernoulliego, zasadą zachowania strumienia masy itp.), a obliczenia przebiegają w oparciu o parametry wprowadzone przez użytkownika. Wyniki obliczeń są sekwencyjnie zapisywane w pamięci komputera zgodnie z jednostką czasu określoną przez użytkownika.

Jeśli poziom wody spadnie poniżej pozycji 0, oznacza to koniec przepływu jednofazowego, ponieważ w tym momencie powietrze zaczyna wnikać do SBL. W związku z tym pierwszy etap przepływu jednofazowego trwa do momentu, gdy poziom wody osiągnie pozycję 0. Gdy poziom wody znajduje się w pozycji 0, oznacza to, że wysokość spadku jest równa zero. Wysokość spadku to różnica wysokości między wlotem SBL a poziomem wody w górnym zbiorniku po przerwaniu syfonu. Innymi słowy, wysokość spadku wskazuje, o ile obniżył się poziom wody podczas przerywania syfonu. Z tego względu wysokość spadku jest istotnym parametrem, ponieważ pozwala na bezpośrednie określenie ilości utraconego chłodziwa. W konsekwencji program wyznacza koniec obliczeń pierwszego etapu na podstawie wysokości spadku.

Jeśli wysokość niedostrzału jest większa od zera, program wykonuje obliczenia w drugim kroku, które mogą symulować przepływ dwufazowy. Ponieważ w fazie przerywania syfonu występuje przepływ zarówno wody, jak i powietrza, należy uwzględnić właściwości fizyczne obu płynów. W związku z tym w tym kroku obliczeniowym uwzględnia się wartości mnożnika dwufazowego, jakości oraz ułamka pustek. W szczególności wartość ułamka pustek jest wykorzystywana jako kryterium zakończenia obliczeń w drugim kroku. Ułamek pustek można wyrazić jako stosunek przepływu powietrza do sumy przepływów powietrza i wody. Obliczenia w drugim kroku są kontynuowane do momentu, gdy wartość ułamka pustek (α) przekroczy 0,9. Gdy α przekroczy 0,9, następuje trzeci krok obliczeń, który opisuje stan ustalony. Teoretycznie kryterium zakończenia przerywania syfonu to α = 1, ponieważ w tym czasie w rurze znajduje się tylko powietrze. Jednak w tym programie kryterium zakończenia przerywania syfonu ustalono na α = 0,9, aby uniknąć błędów w procesie obliczeniowym. W związku z tym nieunikniona jest częściowa utrata wyników, lecz błąd ten może być pomijalny.

Obliczenia stanu ustalonego są przeprowadzane w czasie określonym przez użytkownika. Ponieważ nie występują już dalsze zmiany, stan ustalony charakteryzuje się tym, że wartości wyników obliczeń są stałe. Jeśli przerwanie syfonu przebiegnie pomyślnie, końcowy poziom wody w górnym zbiorniku pozostanie na określonej wartości, a nie spadnie do zera. Jednakże, jeśli przerwanie syfonu nie zostanie wykonane pomyślnie, chłodziwo zostanie niemal całkowicie utracone, a końcowy poziom wody będzie zbliżał się do wartości zero. Zatem, jeśli w stanie ustalonym wartość poziomu wody jest równa zero, wskazuje to, że przyjęte warunki projektowe są niewystarczające do całkowitego przerwania syfonu.

Po wykonaniu obliczeń użytkownik może potwierdzić wyniki na różne sposoby. Wyniki wskazują status przerwania syfonu, postęp przerywania syfonu oraz osobliwość. Program symulacyjny pozwala na realistyczne przewidzenie i analizę zjawiska oraz wspomaga projektowanie systemu przerywacza syfonu. W niniejszej pracy przedstawiono protokół eksperymentalny, wyniki doświadczeń oraz zastosowanie programu symulacyjnego.