Экспериментальные исследования параметров и константы осаждения аэрозолей свинца


Крупнова Т.В., Саркулов М.К., Уманский А.А., Тутукин А.В.  (АО «НИКИЭТ», Москва, Россия)

 

Введение

БРЕСТ-ОД-300 – это реакторная установка на быстрых нейтронах с интегральной схемой компоновки оборудования и свободным зеркалом свинцового теплоносителя, реализующая концепцию естественной безопасности.

В процессе эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300 происходит постоянный выход частиц свинца и его соединений в газовый объем корпуса блока реакторного, что приводит к образованию в нем аэрозолей свинца с последующим их осаждением на элементах оборудования РУ. Для подтверждения работоспособности элементов реакторной установки и построения замкнутой расчетной модели процессов массопереноса аэрозолей свинца необходимо знать коэффициент осаждения, определяющий поведение аэрозолей свинца в любой точке газового объема при заданных параметрах. Сопутствующая этому задача – оценка интенсивности выхода частиц свинца из свинцового теплоносителя в газовый объем при параметрах, соответствующих проектным режимам эксплуатации РУ, а также определение параметров осевших частиц (на первом этапе исследований: химический состав и размеры).

В 2019 г. в АО «НИКИЭТ» запланированы экспериментальные исследования, в ходе которых будут определены перечисленные параметры для нормальных условий эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300.

 

1. Свинцовый теплоноситель в РУ БРЕСТ-ОД-300

Цель проекта РУ БРЕСТ-ОД-300 – демонстрация физических и эксплуатационных характеристик, заложенных в концепцию естественной безопасности реактора данного типа и возможности его работы в замкнутом цикле в равновесном топливном режиме.

Естественная радиационная безопасность обеспечивается, в том числе, использованием в первом контуре РУ радиационно стойкого, слабо активируемого, химически пассивного при контакте с водой и воздухом свинцового теплоносителя, имеющего высокую точку кипения ( Ткип = 2024 К). Перечисленные свойства теплоносителя позволяют осуществлять теплоотвод при низком давлении и исключают пожары, химические и тепловые взрывы при разгерметизации контура, течах парогенератора и любых перегревах теплоносителя.

 

2. Аэрозоли свинца

Существует несколько путей формирования аэрозоля в газовом объеме первого контура реактора со свинцовым теплоносителем. Механизм образования аэрозолей сложен и, в общем случае, состоит из испарения свинца с поверхности теплоносителя, конденсации паров летучих компонентов теплоносителя и выноса частиц с газом, выходящим на поверхность теплоносителя при реализации барботажных процессов. В последнем случае выход аэрозоля зависит от интенсивности барботажа, состава барботирущей газовой смеси и ее химического взаимодействия со свинцовым теплоносителем. При химическом взаимодействии барботирующей газовой смеси и свинцового теплоносителя возможно образование пылевых взвешенных частиц в пузырьках.

В результате разрыва пузырей барботирующего газа на межфазной поверхности (теплоноситель–газ) возможен выход пылевой взвеси и капельный выход теплоносителя в газовый объем. При этом капли теплоносителя, имеющие достаточно малые размеры и вес, а также частицы оксидной пленки с поверхности теплоносителя могут проходить значительные расстояния по газовому контуру, осаждаясь на трубопроводах и элементах арматуры. В холодных областях капельки теплоносителя могут конденсироваться и также образовывать пыль. В щелевых пространствах, связанных с узлами защиты, насосами, приводами системы управления и защиты существует температурный градиент, что может привести к локальному осаждению аэрозоля в них. Чтобы оценить количество осевшего во время эксплуатации аэрозоля, необходимо знать концентрацию аэрозоля в газовом объеме, его дисперсность, морфологию, химический состав, скорость осаждения.

На формирование аэрозоля в газовом объеме, его распространение, циркуляцию и осаждение на поверхностях оборудования оказывает влияние ряд факторов, совокупность которых делает описание поведения аэрозоля достаточно сложным, как и учет всех этих факторов при проведении экспериментов. К этим факторам относятся температурные и гидродинамические режимы эксплуатации реакторной установки, барботаж газовых смесей при водородной регенерации, контроле и поддержании заданного уровня термодинамической активности кислорода свинцового теплоносителя, циркуляция защитного газа ( в том числе при контроле содержания примесей в нем), степень зашлакованности поверхности теплоносителя и ряд других факторов. Можно предполагать, что массовая скорость выхода аэрозоля будет зависеть от интенсивности барботирования, т.е. расхода газовой смеси, температуры теплоносителя, граничных условий и т.д.

В зависимости от размеров частиц, составляющих аэрозоль, их поведение в газовом объеме различается: крупные частицы будут подвержены седиментации, мелкие – инерционному перемещению в газовом контуре под действием конвективных потоков с дальнейшим осаждением на поверхностях элементов конструкции. Имеет место влияние электростатических и радиометрических сил.

Не все зависимости можно описать математически. Концентрация аэрозоля неравномерна по газовому объему, так же, как и распределение осажденного аэрозоля на ее поверхностях. Провести оценку параметров аэрозолей можно только на основе экспериментальных исследований.

В связи с вышесказанным для оценки конструктивных решений реакторной установки и подтверждения их работоспособности важно получение экспериментальных данных по выходу частиц из свинцового теплоносителя в газовый объем и осаждению из газового объема на твердые поверхности при различных параметрах эксплуатации.


 

3. Экспериментальные исследования по выходу аэрозолей свинца в АО «НИКИЭТ»

В ходе работ будут определены параметры частиц свинца – их спектр и химический состав, интенсивность выхода аэрозолей, а также коэффициент осаждения аэрозолей на стенку. Определение этих параметров будет проходить при реализации теплогидравлических условий и кислородного режима, соответствующих условиям нормальной эксплуатации в РУ БРЕСТ-ОД-300.

Прикладное (инженерное) значение имеет определение количества осевшего на стенку вещества в зависимости от параметров эксплуатации.

Для проведения экспериментальных исследований разработана методика, суть которой состоит в определении выхода и осаждения частиц путем взвешивания элементов (металлических пластин и фильтрующего элемента) до и после эксперимента. По изменению массы фильтрующего элемента микронного газового фильтра определяется концентрация частиц свинца, а по определению изменения масс пластин – коэффициент осаждения (переход «газ – твердая стенка»).


Рабочий участок для испытаний (рис. 1) включает в себя бак со свинцовым теплоносителем, контур подачи и отвода барботирующего через теплоноситель газа, систему технологии свинцового теплоносителя, газовую систему, газовый Т-образный фильтр, установленный на трубке отвода барботирющего газа, комплект пластин и ряд других систем и элементов.

Экспериментальные исследования параметров и константы осаждения аэрозолей свинца

Рис. 1. Рабочий участок

 

Испытания проходят поочередно при изменении расхода барботирующего газа через свинцовый теплоноситель от нуля до 1,8 н.л/мин и температуры теплоносителя от 450 до 550 °С. При каждом последующем режиме происходит замена комплекта пластин в баке и фильтрующего элемента на трубке отвода барботирующего газа.

Первый (безрасходный) режим каждой серии испытаний позволит оценить осаждение аэрозолей только при образовании их путем испарения с невозмущенной поверхности (зеркала) теплоносителя. В этом случае аэрозоль в газовом объеме образуется путем конденсации пересыщенных паров свинца. Условия проведения испытаний можно считать соответствующими температуре свинцового теплоносителя и расходу барботирющего через него газа при работе системы контроля герметичности оболочек твэлов в условиях нормальной эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300.

Комплект легких пластин (рис. 2) представляет собой стержень, на котором с шагом 100 мм установлены тринадцать пластин. Пять из них имеют различную шероховатость для определения зависимости осаждения частиц свинца от качества поверхности стенки, остальные пластины размещаются на стержне попарно в горизонтальной и вертикальной плоскостях для определения осаждения в зависимости от ориентации поверхности.

Экспериментальные исследования параметров и константы осаждения аэрозолей свинца

Рис. 2. Комплект пластин

 

По массе осажденного на Т-образном фильтре вещества, с учетом расхода барботирующего газа вычисляются усредненные по объему концентрации, которые используются в измерениях константы осаждения аэрозолей на стенках.

После проведения испытания и последующего взвешивания комплект пластин и фильтр должны быть исследованы методами рентгеноспектрального анализа и растровой электронной микроскопии для определения распределения частиц по размеру и их химического состава.

 


Заключение

В результате экспериментов, проводимых по изложенной выше методике, должны быть получены следующие данные:

  • зависимость изменения массы пластинок, распределенных по высоте, до и после испытаний от температуры свинца и расхода барботирующего газа;
  • зависимость изменения массы фильтрующего элемента до и после испытаний от температуры свинца и расхода барботирующего газа.

На основании полученных экспериментальных данных будет уточнена оценка коэффициента осаждения аэрозолей свинца на поверхностях оборудования первого контура РУ. Это, в свою очередь, позволит уточнить замыкающие соотношения для систем дифференциальных уравнений, используемых при моделировании процессов переноса аэрозолей свинца с помощью современных расчетных кодов ( как одномерных, так и трехмерных). В частности, полученные уточненные замыкающие соотношения будут использованы при моделировании распространения аэрозолей свинца в газовом объеме блока реакторного РУ БРЕСТ-ОД-300 методами вычислительной гидродинамики с помощью одного из современных CFD-кодов – STAR-CCM+, ANSYS Fluent или Логос-Аэрогидромеханика.

С помощью моделирования этих процессов будет возможно определить поведение аэрозолей свинца в любой точке газового объема и выход частиц свинца из теплоносителя в газовый объем ( для условий нормальной эксплуатации). Моделирование необходимо для определения состояния поверхностей элементов с целью оценки их работоспособности в условиях осаждения частиц свинца в зазорах и щелевых отверстиях.

Другой важной задачей, на решение которой направлены данные эксперименты, является определение дисперсности аэрозолей свинца в газовом объеме корпуса блока реакторного, так как этот параметр оказывает влияние на поведение дисперсной системы в целом. Анализ дисперсности осевших на стенке частиц позволит оценить общее количество частиц свинца, вышедших из теплоносителя, а самое главное – их распределение по размерам, так как не существует теоретического вывода формулы этого распределения, а эмпирические зависимости справедливы лишь для определенных условий экспериментов, в которых они были выявлены.

Исследование пути частиц свинца от выхода из теплоносителя в газовый объем до осаждения на стенку не проводилось ранее в работах по аэрозолям свинца и является принципиально новой задачей.

Данные, полученные в результате экспериментов, будут также полезны для работ по обоснованию радиационной безопасности в части, касающейся выхода активности с аэрозолями свинца, продуктов деления и активации и распространения их по контуру циркуляции.

 

Список литературы

  1. https://www.ippe.ru/
  2. И.Н. Бакман. Ядерная индустрия. // МГУ, 2005, 867 с.
  3. А.М. Посаженников, П.Н. Мартынов, И.В. Ягодкин, В.П. Мельников, А.К. Паповянц. Структура, свойства и механизм образования аэрозолей в газовых объемах контуров с тяжелым теплоносителем.//Новые промышленные технологии, 2011, № 1, с. 55–58.
  4. П.Н. Мартынов, А.М. Посаженников, И.В. Ягодкин. Исследование поведения аэрозолей в газовых контурах реакторных установок с тяжелым теплоносителем. // Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. Серия: материалы и ядерная энергетика, № 1, 2007, стр. 152–158.
  5. Н.А. Фукс. Механика аэрозолей. // АН СССР, М., 1955.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об энергетике, электротехнике и электронике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: