Μεταφορά θερμότητας διφασικής ροή σε Πυρηνικούς Αντιδραστήρες, με έμφαση σε μεταβατικά φαινόμενα

Εισαγωγή

Η μεταφορά θερμότητας διφασικής ροής σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος (LWR) είναι μια σημαντική περιοχή της Πυρηνικής Τεχνολογίας. Τα σύνθετα φαινόμενα που παρατηρούνται σε σταθερή κατάσταση αλλά και ιδιαίτερα σε μεταβατική λειτουργία ενός αντιδραστήρα ελαφρού ύδατος απαιτούν, εκτός της θεωρητικής και εκτενή πειραματική μελέτη. Θεωρητικές μελέτες φαινομένων διφασικής ροής πραγματοποιούνται στον Τομέα από το 1978, ενώ έχουν αναπτυχθεί και σχετικοί κώδικες Η/Υ (Simopoulos 86, Konstantaropoulou & Simopoulos 91). Μεταξύ 1987 και 1990 σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη, όπου πραγματοποιούνται πειραματικές μελέτες φαινομένων μεταφοράς θερμότητας με έμφαση στο φαινόμενο της επανάψυξης.

Το φαινόμενο της επανάψυξης

Όλοι οι τύποι των υδρόψυκτων πυρηνικών αντιδραστήρων ισχύος διαθέτουν κυκλώματα ψύξης που λειτουργούν σε υψηλές πιέσεις, οι οποίες κυμαίνονται από περίπου 70 bar σε αντιδραστήρες ζέοντος ύδατος (Boiling Water Reactor, BWR) και αντιδραστήρες βαρέως ύδατος εμμέσου κύκλου (Steam-Generating Heavy-Water Reactor, SGHWR) εώς 150 bar σε αντιδραστήρες πεπιεσμένου ύδατος (Pressurized Water Reactor, PWR). Απροσδόκητη μείωση της ροής ψυκτικού μέσου στον πυρήνα έχει σοβαρές συνέπειες για τον αντιδραστήρα. Τέτοια μείωση μπορεί να προκληθεί από οποιαδήποτε αιτία, από μια διαρροή σε κάποια σωλήνωση εως την πλήρη αποκοπή ενός κύριου αγωγού ψυκτικού μέσου, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε ατύχημα απώλειας ψυκτικού μέσου (Loss-Of-Coolant Accident, LOCA). Στις περιπτώσεις αυτές επεμβαίνει ένα σύστημα ψύξης εκτάκτου ανάγκης (Emergency Core-Cooling System, ECCS), ώστε να αποφευχθεί η τήξη των ακάλυπτων των στοιχείων καυσίμου λόγω της θερμότητας που παράγεται από τη σχάση. Η επανεγκατάσταση ενός φιλμ ψυκτικού υγρού, ή η επανάψυξη των υπερθερμασμένων στοιχείων καυσίμου είναι μια διαδικασία ιδαίτερης σημασίας σε περίπτωση τέτοιου ατυχήματος.

Σχεδόν όλες οι περιπτώσεις διφασικής ροής μπορούν να παρουσιαστούν κατά τη διαδικασία της επανάψυξης. Πολλά πειράματα νερού έχουν πραγματοποιηθεί για να προσομοιωθεί το φαινόμενο της επανάψυξης και να προβλεφθεί η συμπεριφορά του φιλμ του ψυκτικού μέσου

Η θερμοκρασιακή ιστορία μιας θέσης πάνω στο στοιχείο καυσίμου πριν και μετά την ενεργοποίηση του ECCS έχει μελετηθεί πειραματικά και θεωρητικά. Στην αρχή, η ψύξη έχει πολύ μικρή επίδραση και η θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται, αλλά με χαμηλότερο ρυθμό, εως ότου φθάσει στο μέγιστη τιμή η οποία καλείται θερμοκρασία καμπής. Στη συνέχεια αρχίζει να μειώνεται αργά, εως ότου συμβεί μια απότομη πτώση θερμοκρασίας. Ο χρόνος κατά τον οποί συμβαίνει αυτή η απότομη πτώση θερμοκρασίας είναι γνωστός ως χρόνος επανάψυξης. Ο χρόνος καμπής, η θερμοκρασία καμπής και ο χρόνος επανάψυξης είναι σημαντικές ποσότητες, και για τον προσδιορισμό τους έχει πραγματοποιηθεί πλήθος πειραμάτων.

Η πειραματική εγκατάσταση

Η πειραματική εγκατάσταση αποτελείται κυρίως από δύο κλάδους οι οποίοι τροφοδοτούν ανεξάρτητα το κανάλι δοκιμών με συνεχή ροή νερού και ατμού, όπως φαίνεται στο διάγραμμα

Ένα δοχείο θέρμανσης, εξοπλισμένο με τέσσερις ηλεκτρικές αντιστάσεις συνολικής ισχύος 36 kW (2x6, 2x12 kW), με δυνατότητα ελέγχου πίεσης, θερμοκρασίας και στάθμης, χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη πίεσης και την παραγωγή ατμού. Θερμό νερό στη θερμοκρασία κορεσμού εκρέει από το κάτω μέρος του δοχείου θέρμανσης προς το κανάλι δοκιμών μέσω μαγνητικού ροομέτρου.

Στην έξοδο του καναλιού δοκιμών ο ατμός οδηγείται σε ένα συμπυκνωτή αντιρροής ομοαξονικής διπλής σωλήνας πέντε κλάδων και το συμπύκνωμα οδηγείται στο δοχείο συγκένρωσης. Η πίεση στο δοχείο συγκέντρωσης διατηρείται σε ορισμένο επίπεδο.

Το νερό από το δοχείο συγκέντρωσης αντλείται στο δοχείο θέρμανσης από μία αυτόματα ελεγχόμενη φυγοκεντρική αντλία. Για τον έλεγχο της ροής στο δοχείο θέρμανσης, μέρος του νερού μπορεί να μεταφερθεί στο δοχείο συγκέντρωσης μέσω παράκαμψης. Ο κλάδος εξόδου της αντλίας προς το δοχείο συγκέντρωσης είναι εξοπλισμένος με αντεπίστροφή βαλβίδα.

Τα επιθυμητά όρια στάθμης στα δύο δοχεία διατηρούνται με τη βοήθεια δύο αυτόματων συστημάτων ελέγχου σταθμης, τα οποία ελέγχουν την παροχή ισχύος στις αντιστάσεις θέρμανσης και την αντλία.

Και τα δύο δοχεία είναι εξοπλισμένα με βαλβίδες εκτόνωσης ασφαλείας, οι οποίες εκτονώνουν στο περιβάλλον εκτός του χώρου του εργαστηρίου.

Η ροή από και προς το κανάλι δοκιμών μπορεί να αποκοπεί στιγμιαία με τη βοήθεια σωληνοειδών βαλβίδων.

Οι κύριες συσκευές ελέγχου και ασφαλείας της διάταξης, καθώς και άλλα όργανα παρακολούθησης, είναι εγκατεστημένα σε πίνακα.

Το κανάλι δοκιμών

Το κανάλι δοκιμών αποτελείται από ένα γυάλινο σωλήνα, ανθεκτικό σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία, ο οποίος επιτρέπει την οπτική παρατήρηση των φαινομένων. Ο σωλήνας περιβάλλει ομοαξονικά μία ηλεκτρικά θερμαινόμενη ράβδο και στα άκρα του προσαρμόζονται η κεφαλή τροφοδοσίας και η διάταξη εξόδου του διφασικού μείγματος νερού-ατμού. Κατά το διάστημα λειτουργίας της πειραματικής εγκατάστασης από το 1990 έως το 2000 χρησιμοποιήθηκε γυάλινος σωλήνας εσωτερικής διαμέτρου 25.4 mm, ο οποίος εν συνεχεία αντικαταστάθηκε από γυάλινο σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 50.0 mm.

Η θερμαινόμενη ράβδος κατασκευάστηκε από την εταιρεία "Hedin Co. Ltd" ως εξής: στην εξωτερική επιφάνεια ενός σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα (εξ. διάμετρος 12.7 mm), ο οποίος έχει πληρωθεί με σκόνη μαγνησίου και περιέχει μια θερμαντική ταινία ισχύος 4.5 kW, τοποθετήθηκαν δώδεκα θερμοστοιχεία Σιδήρου-Κονσταντάνης, σε διαφορετικές θέσεις κατά μήκος του σωλήνα. Για τη διατήρηση των αποστάσεων των θερμοστοιχείων χρησιμοποιήθηκαν σύρματα από ανοξείδωτο χάλυβα. Η κατασκευή αυτή τοποθετήθηκε στο εσωτερικό άλλου σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα (εξωτερική διάμμετρος 17.4625 mm) και στη συνέχεια όλη η κατασκευή μέσω μηχανικής κατεργασίας εξόλκυσης αποκτά εξωτερική διάμετρο ίση με 15.875 mm. Επομένως, η θερμαινόμενη ράβδος αποτελείται από έναν έμμεσα θερμαινόμενο χαλύβδινο σωλήνα (εξ. διάμετρος 15.875mm, πάχος 3.72mm), ο οποίος είναι πληρωμένος με σκόνη μαγνησίου. Δώδεκα θερμοστοιχεία έχουν εμφυτευθεί στο εσωτερικό της χαλύβδινης θήκης, καθιστώντας δυνατή την ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας του τοιχώματος κατά μήκος της ράβδου.

Το θερμαινόμενο μέρος της ράβδου έχει μήκος 1.016 m, ενώ υπάρχει ένα ψυχρό τμήμα μήκους 0.3302 m σε κάθε άκρο. Τα θερμοστοιχεία TC1 και TC12, τα οποία βρίσκονται στα ψυχρά άκρα της ράβδου, χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας κοντά στα o-ring στεγάνωσης στην είσοδο και την έξοδο του καναλιού δοκιμών. Το θερμοστοιχείο TC11 είναι συνδεδομένο με θυρίστορ το οποιο ελέγχει την απαραίτητη παροχή ισχύος για την προθέρμανση της ράβδου σε δεδομένη θερμοκρασία, η οποία ρυθμίζεται μέσω ελεγκτή "GULTON". Το θερμοστοιχείo TC11 είναι συνδεδεμένο σε ελεγκτη "GOULTON", ο οποίος διακόπτει την τροφοδοσία της θερμαντικής ταινίας, εαν το θερμοστοιχείο ξεπεράσει την ορισμένη από τον ελεγκτή θερμοκρασίας. Αυτό αποτελεί μέτρο ασφαλείας κατά της υπερθέρμανσης. Οποιοδήποτε από τα θερμοστοιχεία του καναλιού δοκιμών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για περιαματικές παρατηρήσεις, υπό την προϋπόθεση ότι είναι συνδεδμένο με κατάλληλη αντισταθμιστική σύνδεση με το σύστημα συλλογής δεδομένων, όπως παρουσιάζεται στα επόμενα.

Η κεφαλή τροφοδοσίας του καναλιού δοκιμών είναι σχεδιασμένη ώστε να παρέχει ένα ομοιόμοροφο φιλμ νερού στη θερμαινόμενη ράβδο, το οποίο εκρέει από ένα ακροφύσιο. Ο ατμός παρέχεται στο κανάλι δοκιμών μέσω ενός πορώδους δίσκου ο οποίος είναι τοποθετημένος στην πλευρά ενός δακτυλιοειδούς χώρου μεταξύ του γυάλινου σωλήνα και της ράβδου, ώστε να μη διαταράσσεται το πίπτον φιλμ νερού κατά την είσοδό του στο κανάλι δοκιμών. Το κάτω άκρο του γυάλινου σωλήνα είναι συνδεδμένο με μία διάταξη μέσω της οποίας ο ατμός και το νερό εγκαταλείπουν ξεχωριστά το κανάλι δοκιμών.

Συλλογή και ανάλυση δεδομένων

Όλη η εγκατάσταση είναι εξοπλισμένη με μεταλλάκτες και επενεργητές ώστε να λειτουργεί εντελώς αυτόματα. Υπάρχουν περίπου 50 ενδείκτες και μεταλλάκτες θερμοκρασίας, πίεσης, παροχής ατμού και υγρού, ελέγχου στάθμης και διασταθούς καταστάσεως ON - OFF. Η πίεση στο εσωτερικό του δοχείου θέρμανσης, στην είσοδο και την έξοδο του καναλιού δοκιμών ελέγχεται από τρεις μεταλλάκτες πίεσης. Η παροχή όγκου του νερού στην είσοδο και την έξοδο του καναλιού δοκιμών μετράται συνεχώς από υψηλής ακρίβειας Μαγνητικά Ροόμετρα. Αντίστοιχα η παροχή όγκου του ατμού στην είσοδο του καναλιού δοκιμών μετράται συνεχώς από υψηλής ακρίβειας Ροόμετρο Πλωτήρος, το οποίο έχει τη δυνατότητα ηλεκτρικού σήματος εξόδου.

Τα αναλογικά σήματα των μεταλλακτών οδηγούνται μέσω πολυπλέκτη σε αναλογοψηφιακό μετατροπέα, απ' ευθείας συνδεδμένο στο bus Η/Υ συμβατού με IBM PC τύπου 80386/40MHz.

Ένα φιλικό προς το χρήστη, ελεγχόμενο μέσω menu, πρόγραμμα FORTRAN, το οποίο καλεί ρουτίνες ASSEMBLY, παρακολουθεί τη διάταξη και συλλέγει δεδομένα με ρυθμούς έως και 100 δειγμάτων ανά δευτερόλεπτο.

Τα συλλεγόμενα δεδομένα μεταφέρονται αυτόματα μέσω του τοπικού δικτύου σε υπολογιστή τύπου HP-9000/370, βασισμένο σε UNIX, όπου ειδικά προγράμματα FORTRAN καλούν υπολογιστικές και γραφικές ρουτίνες για την παραγωγή και εκτύπωση κατάλληλων διαγραμμάτων περιγραφής των φαινομένων

Θερμοκρασία περιβλήματος και διάδοση υγρού μετώπου

Παρουσιάζεται ένα αντιπροσωπευτικό διάγραμμα επεξεργασίας δεδομένων που συλλέχθηκαν σε πείραμα επανάψυξης ατμοσφαιρικών συνθηκών (Πίεση 1 bar, αρχική θερμοκρασία τοιχώματος 550° C, υπόψυξη 0 K χωρίς παροχή ατμού). Από το διάγραμμα αυτό φαίνεται καθαρά το προφίλ θερμοκρασίας κατά την επανάψυξη κάθε ενός από τα δώδεκα θερμοστοιχεία της ράβδου. Αναπτύχθηκε επίσης μέθοδος για τον υπολογισμό της θέσης του υγρού μετώπου κατά μήκος της ράβδου.

Έχουν πραγματοποιηθεί πειράματα για τη μελέτη της διάδοσης του υγρού μετώπου σε πιέσεις 1-7 bar για διάφορες αρχικές θερμοκρασίες τοιχώματος, υπόψυξη 0 K, ελάχιστη παροχή ατμού και παροχή υγρού ίση με 1 L/min.

Τέλος, μια συσχέτιση η οποία προτάθηκε από προσομοίωση (Simopoulos 86) προεκτάθηκε προς τα κάτω εως το 1 bar, χρησιμοποιώντας δεδομένα που έχουν παραχθεί από αυτή την εγκατάσταση.