analize de securitate

Analize de accident

359

11. ANALIZE DE ACCIDENT 11.1. ANALIZE DE SECURITATE NUCLEARĂ O parte importantă a procesului de proiectare şi licenţiere a unei centrale nucleare este ocupată de analizele de securitate nucleară. Aceasta trebuie să demonstreze că proiectul realizat este capabil să ândeplinească cerinţele privitoare la limitele acceptabile pentru eliberările radioactive în mediu şi dozele de radiaţii. Metodele implicate în atingerea acestui ţel pot fi fie deterministe fie probabiliste. Cele deterministe au drept scop analiza comportării centralei pentru anumite regimuri operaţionale predeterminate şi pentru condiţii accidentale astfel încât rezultatele obţinute să poată duce la validarea proiectul considerat. Analiza probabilistă de securitate are drept scop evaluarea riscului datorat centralei. Deşi metodele sunt diferite, analiza deterministă şi cea probabilistă de securitate sunt dependente una de alta. Pe de o parte, dupa o analiză preliminară probabilistă de securitate se pot determina evenimente cu o frecvenţă de apariţie foarte mică, evenimente care sunt excluse din accidentele bază de proiect şi care în această fază nu mai trebuiesc analizate determinist. În schimb, analizele probabiliste beneficiază de rezultatele analizelor deterministe pentru a determina stările de succes sau insucces în estimarea riscului provenit de la centrală. Analiza de securitate deterministă, cea de care vom vorbi în continuare, urmăreşte conceptele tradiţionale ale analizei inginereşti. Astfel, cunoscându-se descrierea fizică a sistemelor centralei nucleare se determină comportarea acesteia pe baza ecuaţiilor ce descriu fenomenele relevante împreună cu informaţiile despre proprietăţile materialelor utilizate şi un set de condiţii iniţiale. Atât programele de calcul cât şi modelele analitice utilizate trebuie să fie verificate, validate şi acceptate pentru analizele particulare la care se aplică. Din punct de vedere istoric, ipotezele utilizate în analizele de securitate au fost alese astfel încât să fie conservative, în special la analiza regimurilor tranzitorii anticipate şi a accidentelor bază de proiect. Acest mod de tratare conservativ presupune utilizarea de ipoteze, date şi chiar modele matematice pesimiste pentru a obţine în final o analiză pesimistă a accidentului. Avantajul acestui mod de tratare rezidă în faptul că se cunoaşte apriori că rezultatul este pesimist iar în unele situaţii analizele de securitate pot fi simplificate, atâta timp cât rezultatele sunt acceptabile, prin utilizarea unor ipoteze acoperitoare în locul unora realiste. Totuşi, aceast mod de tratare prezintă numeroase inconveniente:

Termohidraulica reactorilor nucleari de tip CANDU

360

- diferenţa dintre comportarea aşteptată a centralei şi comportarea prezisă de

tratarea consevativă este necunoscută. Cu alte cuvinte, cât de conservator este rezultatul?

- cu trecerea timpului există tendinţa să se adauge din ce în ce mai mult conservatorism într-un mod nesistematic

- cu cât predicţiile bazate pe ipoteze conservatoare devin mai apropiate de limitele impuse de organismele reglementatoare, reglementatorii sunt stînjeniţi de aparenta lipsă de margine de siguranţă, chiar dacă sunt conştienţi că rezultatele sunt conservative

- predicţiile codurilor de calcul pot fi atât de drastice încât datele fizice se găsesc într-un domeniu în care validarea nu este posibilă (de exemplu temperaturi foarte înalte în elemetul combustibil).

Recent această optică s-a schimbat, utilizându-se la analizele de securitate aşa numita metodă “cea mai bună estimare plus analiza incertitudinilor” (“best-estimate plus uncertainty analysis”). Acest lucru implică utilizarea de modele fizice, ipoteze şi date mult mai realiste astfel încât rezultatele obţinute descriu o comportare mult mai apropiată de realitate. Analiza incertitudinilor este necesară pentru a fi siguri că la o mică modificare a ipotezelor sau a datelor rezultatele nu se înrăutăţesc rapid şi pentru a obţine astfel un domeniu probabil al consecinţelor accidentului. Acest mod de tratare măreşte costul şi complexitatea analizei, însă:

- cuantifică marginea de siguranţă faţă de criteriile de acceptare - permite o combinare raţională a incertitudinilor - încorporează efectele unor mici modificări ale ipotezelor sau a datelor - evidenţiază parametri care sunt importanţi din punct de vedere al securităţii - focalizează cercetările şi dezvoltările ulterioare ale codurilor de calcul în

domeniile în care este într-adevăr nevoie - asigură o bază mult mai realistă pentru pregătirea operatorilor.

Modul de tratare tradiţional al analizelor de securitate pentru CANDU a fost unul hibrid în sensul că au fost utilizate modele cu cea mai bună estimare a fenomenelor fizice combinate cu valori conservative pentru parametri cheie de intrare cu scopul de a obţine o predicţie conservativă dar rezonabilă fenomenologic a accidentelor. Parametri care sunt aleşi conservativ includ parametri fundamentali ai zonei active, condiţiile iniţiale ale centralei, măsurarea performanţelor sistemelor precum şi ipoteza indisponibilităţii unor părţi din sistemele de reducere a consecinţelor accidentelor. Este important de notat că în general nu există o alegere unică în direcţie conservativă pentru un parametru, ceea ce este conservativ pentru o aplicaţie poate fi neconservativ în altă aplicaţie. De exemplu, minimizând numărul

Analize de accident

361

de răcitoare locale de aer din anvelopă se obţine un rezultat conservativ în ceea ce priveşte presiunea maximă în anvelopă dar nu este conservativ când se calculează eficienţa declanşării reactorului datorită presiunii ridicate în anvelopă. Cele mai uzuale ipoteze utilizate la alegerea parametrilor cheie de securitate sunt prezentaţi în tabelul 11-1. Tendinţa actuală este aceea de a efectua o analiză folosind cea mai bună estimare prin înlăturarea ipotezelor prezentate mai sus. Incertitudinile asupra unor parametri cheie, ca de exemplu reactivitatea datorată golirii canalelor de combustibil, întîrzierea sistemelor de oprire rapidă, sunt apoi adăugate pe baze statistice. Acest gen de analiză a arătat consecinţe mult mai puţin severe ale accidentelor decât analizele pentru licenţiere efectuate utilizând valori extreme. Tabelul 11-1 Parametri cheie pentru analizele de securitate

Parametru Valoare / direcţie conservativă

Motivaţie

Puterea termică a reactorului

Ridicată Minimizează timpul de utilizare a inventarului apei de răcire, minimizează marginea de siguranţă faţă de CHF, etc.

Sistemul de reglare al reactorului

Funcţionare normală sau inactiv, în funcţie de care situaţie este mai defavorabilă; setback-ul nu este în general creditat decât dacă are tendinţa de a masca desclanşarea

Aleasă astfel încât să întîrzie declanşarea reactorului

Prezenţa radionuclizilor în STC

Concentraţia maximă permisibilă pentru iod şi gaze nobile iar concentraţia de tritiu este cea pentru sfîrşitul perioadei de exploatare

Maximizează eliberările de radionuclizi şi doza

Generatorii de abur Curaţi & cu depuneri Reducerea eficacităţii declanşării reactorului

Rata de scurgeri din ţevile GA

Maxim permis în funcţionare plus considerarea efectelor datorită accidentului

Măreşte eliberarea de radioactivitate

Debitul în STC Redus Micşorează marginea de siguranţă faţă de CHF

Debitul în canalele cu instrumentaţie de măsură

Mare Reduce eficienţa declanşării pentru debit redus


362

Coeficientul de vid Mare Redus

Maximizează energia suplimentară produsă în UO2 Întîrzie declanşarea pentru presiune ridicată STC

Încărcarea cu combustibil

Zona activă la echilibru Zona activă nouă

Maximizează temperatura elementului combustibil, eliberarea de radioactivitate Maximizează regimul tranzitoriu de supraputere

Sistemele de oprire Declanşare datorită celui mai puţin eficient sistem utilizând ultimul din cele trei canale cu instrumentaţie

Întîrzierea eficienţei sistemelor de oprire

SDS#2 Indisponibilitatea celor mai eficiente duze de injecţie

Reduce reactivitatea negativă introdusă

SDS#1 Indisponibilitatea celor mai eficiente două bare

Reduce reactivitatea negativă introdusă şi rapiditatea opririi

Puterea maximă a canalului/casetei

Mare Maximizează temperatura UO2 şi a tecii

Puterea reziduală Mare Minimizează timpul de utilizare a inventarului de apă de răcire

Gradientul iniţial al fluxului de neutroni

Mare Maximizează temperatura UO2 şi a tecii

Subrăcirea locală maximă a moderatorului

Mică Micşorează marginea de siguranţă faţă de CHF pe suprafaţa exterioară a tubului calandria

Numărul răcitoarelor de aer în funcţionare şi a altor surse reci din anvelopă

Mic Mare

Maximizează presiunea în anvelopă Întîrzie declanşarea datorită presiunii ridicate în anvelopă şi maximizează probabilitatea de combustie a hidrogenului

Numărul colectoarelor sistemului de stropire în anvelopă

Mic, tipic 4 din 6 Mare

Maximizează presiunea în anvelopă pe termen scurt Maximizează presiunea pe termen lung şi rata de scurgeri din anvelopă, maximizează probabilitatea de combustie a

Analize de accident

363

hidrogenului pe termen lung

Rata de scurgeri din anvelopă

Mare, tipic de la 2x până la 10x rata de scurgeri proiectată Mică

Maximizează doza pentru public Maximizează presiunea în anvelopă

Scurgeri din anvelopă prin bypass

Preexistenţa scurgerilor de la ţevile GA

Maximizează doza pentru public

Starea vremii Cea mai puţin favorabilă dispersiei durează > 10 % din perioada de timp

Maximizează doza pentru public

Acţiunea operatorilor

Pentru acţiuni care pot fi efectuate din camera de comandă nu este creditată înainte de 15 minute după o clară indicaţie a evenimentului iar pentru acţiuni care trebuie efectuate pe teren nu este creditată înainte de 30 minute

Asigurarea unui interval de timp adecvat pentru diagnoză

11.2. EVENIMENTE DE INIŢIERE A ACCIDENTELOR Pentru elementul combustibil principalii parametri de securitate sunt reprezentaţi de:

- menţinerea integrităţii tecii - inventarul de produse de fisiune din combustibil şi inventarul care poate fi

eliberat - temperatura combustibilului

Răcirea corespunzătoare a elementului combustibil împiedică eliberarea radioactivităţii conţinute. Aşa cum am văzut, în funcţionare normală:

- mai mult de 90 % din produsele de fisiune sunt reţinute în matricea UO2 - maxim 10 % din produsele de fisiune, în general produse de fisiune volatile

(cele mai volatile sunt gazele nobile şi iodul), sunt reţinute în goluri sau în crăpăturile pastilei sau se regăsesc libere în interstiţiul combustibil-teacă.

Această repartiţie a produselor de fisiune este valabilă pentru elementul combustibil cu puterea liniară ca mai mare, pentru celelalte proporţia este modificată în favoarea celor reţinute în matricea UO2. Astfel, accidentele care


364

deteriorează teaca (dar nu şi combustibilul) au un potenţial de a elibera maxim 10 % din produsele de fisiune. Teaca poate fi deteriorată fie mecanic prin accidente în manipularea combustibilului, fie prin supraîncălzire. La 600-800 °C teaca se deformează plastic datorită presiunii produselor de fisiune gazoase şi eventual se va rupe. Pentru eliberarea restului de produse de fisiune gazoase şi a produselor de fisiune solide ca cesiu şi stronţiu este necesară creşterea temperaturii UO2 la valori apropiate de puctul de topire (2840 °C) sau ca UO2 să fie oxidat puternic prin expunere în aer. Gazele nobile sunt inerte din punct de vedere chimic, astfel că ele vor fi eliberate rapid în cazul deteriorării elementului combustibil, figura 11-1. Iodul este volatil la temperaturile de funcţionare a elementului combustibil, însă este de asemenea şi foarte reactiv. Din acest motiv, el va reacţiona atât cu unele componente ale tecii dar şi cu componentele metalice din partea superioară a zonei active, cu aerosolii şi compuşii organici prezenţi în aer. De asemenea iodul se depune facil pe suprafeţe inclusiv vegetaţie. Astfel, eliberarea de iod nu este aşa de masivă ca cea a gazelor nobile. Pentru celelalte produse de fisiune este nevoie de o deteriorare importantă a elementului combustibil.

Fig. 11-1 Eliberarea produselor de fisiune din elementul combustibil

Doar în accidentele de la Windscale şi Cernobîl au fost eliberaţi în mediu în proporţie semnificativă alţi radionuclizi în afară de gazele nobile. În ambele cazuri însă, reactorii fiind de tipul celor moderaţi cu grafit, pe parcursul accidentului combustibilul a fost supraîncălzit iar în zona activă a rezultat un incendiu. În această situaţie particulară, produsele de fisiune semi-volatile şi slab volatile pot fi

Analize de accident

365

eliberate în parte datorită volatilităţii lor şi în parte datorită proceselor fizice legate de combustie. Tabelul 11-2 prezintă ca exemplu eliberarea de produse radioactive volatile şi semi-volatile pe parcursul accidentului de la Cernobîl. Tabelul 11-2 Produse de fisiune eliberate la Cernobîl Radionuclid Procent eliberat % Kr-85 100 Xe-133 100 I-131 20 Te-132 15 Cs-134 10 Cs-137 13 Ru-106 2.9 Ba-140 5.6 Ce-144 2.8 Sr-90 4.0 Pu-239 3.0 Funcţionarea STC în regim staţionar implică egalitatea între căldura generată în combustibil, cea transportată de agentul de răcire şi cea evacuată din STC. Modificarea de la valoarea nominală din regimul staţionar a oricărei componente responsabile de răcirea combustibilului va induce un regim tranzitoriu. Evenimentele iniţiatoare ale accidentelor care afectează răcirea combustibilului pot fi grupate în funcţie de componenta pe care o afectează. Pentru a avea o imagine mai clară să recapitulăm sursele de căldură, sursele de evacuare a căldurii din STC şi modalităţile de transport a căldurii de la sursa caldă la sursa rece.

Sursa de căldură Regim normal de funcţionare:

• Căldura provenită din fisiunile produse în UO2 • Căldura provenită din dezintegrarea produselor de fisiune • Căldura provenită de la pompele primare

În regimuri accidentale se adaugă: • Căldura stocată în combustibil (LOCA mare) • Căldura produsă în reacţia zircaloy-abur

Transportul căldurii Regim normal de funcţionare:

• Pompele primare • Pompele sistemului de răcire la oprire (după oprirea reactorului)

În regimuri accidentale se adaugă:


366

• Circulaţia naturală • Debitul de injecţie sistemului de injecţie la avarie în zona activă, ECC

(Emergency Core Cooling)

Sursa rece Regim normal de funcţionare:

• GA (sursa principală): ∗ sistemul de abur viu şi sistemul de apă de alimentare poate evacua între

0-115% din puterea nominală ∗ sistemul auxiliar de apă de alimentare poate evacua căldura reziduală

• Schimbătoarele de căldură ale sistemului de răcire la oprire pot evacua căldura reziduală

• Schimbătoarele de căldură ale moderatorului pot evacua căldura reziduală (5% din puterea nominală)

• Schimbătoarele de căldură ale sistemului de răcire apă cheson calandria poate evacua 0,3% din puterea nominală

• Pierderile în mediu ambiant prin pereţii fiderilor pot evacua foarte puţină căldură şi anume căldura reziduală după săptămîni de la oprire dacă canalele de combustibil sunt pline cu apă iar căldura acumulată în anvelopă este evacuată (utilizat la Point Lepreau pe durata opririi ândelungate pentru curăţarea de mizerii a STC)

În regimuri accidentale se adaugă:

• Schimbătoarele de căldură ale ECC • Sistemul de alimentare cu apă la avarie

Astfel, evenimentele iniţiatoare care afectează sursa de căldură sunt datorate inserţiei de reactivitate şi anume:

- Pierderea controlului global al reactorului - Pierderea controlului reactivităţii dintr-o stare distorsionată a distribuţiei

fluxului de neutroni Evenimentele iniţiatoare care afectează transportul căldurii pot fi grupate în funcţie de fenomenologie în:

1. reducerea debitului de agent de răcire - pierderea alimentării cu energie electrică clasă IV - pierderea parţială a alimentării cu energie electrică clasă IV - defectarea unei pompe primare

2. reducerea inventarului de agent de răcire - pierderea agentului de răcire datorită breşelor mari în STC - pierderea agentului de răcire datorită unor breşe mici în STC - pierderea controlului presiunii şi inventarului în STC (descreştere)

Analize de accident

367

Dintre evenimentele iniţiatoare care afectează evacuarea căldurii din STC menţionăm aici:

1. pierderea evacuării căldurii spre secundarul GA - ruperi ale conductei de abur viu - ruperi ale conductei de apă de alimentare - pierderea pompelor de apă de alimentare - închidere itempestivă a vanelor de pe linia apei de alimentare - pierderea controlului presiunii pe parte secundară (descreştere)

2. creşterea presiunii în secundarul GA - pierderea controlului presiunii pe parte secundară (creştere)

La CANDU, accidentele severe care să ducă la deteriorarea zonei active implică apariţia unui eveniment iniţiator şi defectarea a cel puţin două din sistemele care reduc consecinţele accidentului. Din acest motiv, acest tip de accidente nu sunt puternic cuplate de evenimentul iniţiator. 11.3. PIERDEREA CONTROLULUI REACTIVITĂŢII Pierderea controlului reactivităţii va duce la creşterea puterii reactorului. Deoarece eficacitatea transportului şi a evacuării căldurii nu se îmbunătăţeşte în acelaşi timp cu creşterea puterii se va crea un dezechilibrul în bilanţul energetic care va duce la creşterea temperaturii în combustibil. Cauzele principale care conduc la un astfel de accident sunt reprezentate de drenarea compartimentelor de control zonal cu lichid şi/sau expulzarea din zona activă a barelor absorbante/ajustoare. Rampa de reactivitate provenită din pierderea controlului reactivităţii este mai lentă decât cea cauzată de LOCA astfel că acest accident nu e limitativ asupra sitemelor de oprire. Însă, pentru creşteri lente ale puterii dintr-o stare cu distribuţie distorsionată a fluxului este posibilă apariţia dryout-ului la unele elementele combustibile chiar dacă puterea totală a reactorului este sub puterea de declanşare a reactorului. Din acest motiv acest accident determină punctul de declanşare pentru supraputeri regionale. În toate situaţiile declanşarea reactorului va împiedica deteriorarea elementelor combustibile sau creşterea periculoasă a presiunii în STC. În figura 11-2 şi 11-3 sunt prezentate rezultate obţinute pentru inserţii de reactivitate tip rampă de 0,1 şi 0,25 mk/s pornind de la 103% putere nominală, oprirea reactorului realizându-se prin SDS#2 şi este dictată de presiunea ridicată în STC (fără intervenţia ventilelor de siguranţă la suprapresiune în STC).


368

Fig. 11-2 Variaţia puterii la inserţii de reactivitate tip rampă

Fig. 11-3 Presiunea în colectorul de ieşire la inserţii de reactivitate tip rampă

Funcţionarea GA ca sursă rece a STC nu va fi afectată de acest tip de accident. Însă fără o declanşare rapidă a reactorului, o creştere rapidă a puterii reactorului va duce la deteriorarea severă a zonei active însoţită de eliberarea unei cantităţi masive de produse de fisiune în anvelopă (accidentul de la Cernobîl este un exemplu pentru pierderea controlului reactivităţii). 11.4. PIERDEREA AGENTULUI DE RĂCIRE Accidentul de pierdere a agentului de răcire, LOCA (Loss Of Cooling Accident), reprezintă cea mai severă provocare a tuturor sistemelor de securitate (oprirea rapidă a reactorului, injecţia la avarie de apă în zona activă şi sistemul anvelopei) impunând majoritatea cerinţelor de proiect pentru aceste sisteme. Care sunt

Analize de accident

369

posibilele locuri în care pot apare scurgeri de agent de răcire sau breşe în STC? Cât de mari pot fi acestea? Principalele căi prin care agentul de răcire poate fi deascărcat din STC sunt:

i. sistemul de adaos/evacuare D2O şi ventilele de protecţie la suprapresiune: acestea fac parte din sistemul de control al presiunii şi inventarului în STC; defecte în funcţionare pot duce la pierderea agentului de răcire prin ventilele de control sau de protecţie la suprapresiune ale degazorului /condensatorului sau prin ruperea unor conducte de diametru mic

ii. maşinile de reîncărcare combustibil, MID: reîncărcarea cu combustibil, care poate avea loc de două ori pe zi, necesită deschiderea STC în două locaţii şi apoi reetanşarea acestuia

iii. etanşările pompei: agentul de răcire are o rată staţionară redusă de scurgere prin etanşarea arborelui fiecărei pompe (fiecare pompă are trei etanşări mecanice în serie şi una de rezervă); deteriorarea masivă a etanşării, iniţiată de exemplu de vibraţii ale arborelui pompei, va determina apariţia unei LOCA

iv. ruperea ţevilor de impuls pentru instrumentaţie: acestea au diametre mici şi sunt susceptibile vibraţiilor

v. ţevile generatoarelor de abur: scurgerile sunt detectate de sistemul de detecţie D2O în H2O; datorită diametrelor mici ale ţevilor, pentru o pierdere semnificativă de D2O din STC este nevoie de ruperea simultană a unui număr semnificativ de ţevi, însă în LOCA astfel rezultată anvelopa va fi bypass-ată; de asemenea apa injectată de ECC nu mai este recuperabilă

vi. ruperea tuburilor de presiune (fără ruperea tubului calandria): agentul de răcire este descărcat prin spaţiul inelar de gaz

vii. fiderii sau cuplajul fiderilor la fitingul terminal: sunt 760 de fideri cuplaţi printr-o bucşă Grayloc la fitingurile terminale; fiecare este supus la eforturi termice şi vibraţii datorită curgerii

viii. fitingurile terminale: ruperea de tip ghilotină a tubului de presiune va face ca încărcările de la capătul canalului de combustibil să fie preluate de îmbunarea mandrinată a fitingului terminal; deteriorarea acestei îmbinări va duce la ejectarea fitingului terminal şi a fasciculelor de combustibil în anvelopă; fasciculele de combustibil vor fi de asemenea ejectate în anvelopă la defectarea dopului de închidere canal

ix. ruperea tuburilor de presiune şi ruperea tubului calandria: duce la descărcarea agentului de răcire în vasul calandria; acest eveniment poate duce la suprapresiuni în vasul calandria, forţe reactive care să deterioreze tuburile de ghidare ale mecanismelor de reactivitate şi canalele de combustibil învecinate; de asemenea fasciculele de combustibil pot fi ejectate în calandrie


370

x. conductele STC, colectorii şi carcasele pompelor: conduc la cele mai mari breşe din STC; reprezintă un pericol potenţial pentru deteriorarea echipamentelor învecinate sau integritatea anvelopei

xi. conductele de injecţie ale ECC: aceste penetrează anvelopa însă pe traseu există multiple vane de izolare în serie; pot da naştere la LOCA în afara anvelopei fără posibilitatea recuperării apei injectate

Pentru a răspunde la a doua întrebare să vedem care este distribuţia tipică a diametrelor conductelor din circuitul primar CANDU 6. Tabelul 11-3 Distribuţia tipică a diametrelor conductelor din STC CANDU 6

Dimensiunea conductei Lungimea totală (m)

Procente din total (%)

Ţevile generatorului de abur (14 mm) 405 400 91,35 Ţevi de impuls ( aprox. 10 mm) 18 300 4,12 Fideri ( între 50 mm şi 90 mm ) 14 000 3,15 Tuburi de presiune ( 100 mm ) 5 500 1,24 Alte ţevi de diametru mic (<150 mm) 400 0,09 Conducte de diametru mare (>150 mm) 200 0,05

După cum se observă în tabelul 11-3, proporţia conductelor de diametru mic este majoritară. Dacă presupunem că probabilitatea de apariţie a unei breşe este proporţională cu lungimea totală a conductei, o ipoteză totuşi chestionabilă, rezultă că frecvenţa de apariţie a breşelor mici este mult mai mare decât cea pentru breşe mari. Care sunt cauzele potenţiale pentru apariţia LOCA? Dacă cauzele fundamentale se regăsesc în greşelile de management, proiectare, fabricaţie, construcţie sau operare, cauzele directe care duc la LOCA pot fi:

i. disfuncţionalităţi în controlul centralei care să ducă la apariţia de suprapresiuni sau intervenţii manuale: controlul presiunii şi a inventarului, MID, controlul reactorului, controlul evacuării căldurii din STC

ii. defecte de material: apărute fie în procesul de fabricaţiei fie datorită îmbătrînirii componentelor

iii. eforturi mecanice deosebite: eforturi termice datorate oscilaţiilor de debit sau blocării curgerii, eforturi mecanice (încărcări aplicate de MID fitingurilor terminale, suporţilor conductelor), eforturi datorate cavitaţiei pompelor, loviturii de berbec datorită injecţiei ECC sau induse de fenomene externe (cutremure, explozii)

Analize de accident

371

Cât de mari pot fi descărcările de agent de răcire din STC? Condiţiile de funcţionare a STC fac ca debitul de D2O descărcat să cadă în domeniul debitului critic. Astfel, valoarea debitului va depinde de parametri D2O şi de mărimea spărturii. Pentru ruperi ale ţevilor instrumentaţiei de măsură sau ţevi ale GA, debitul de agent de răcire descărcat este mult mai mic decât capacitatea sistemului de adaos la presiune nominală, care este de aproximativ 35 kg/s. Ruperea fiderului cu diametrul cel mai ridicat va duce la o rată de descărcare mult mai redusă decât capacitatea ECC la presiunea de injecţie de 5,2 MPa. La această presiune, pompele primare pot funcţiona în condiţii de temperatură scăzută fără apariţia cavităţii. Breşele cele mai mari conduc la o depresurizare rapidă a circuitului primar deoarece debitul descărcat depăşeşte cu mult capacitatea ECC. Clasificarea uzuală a LOCA se realizează în funcţie de dimensiunea breşei. Pentru CANDU, această clasificare conduce la următoarele categorii:

1) scurgeri: mărimi ale breşei mai mici de 2 cm2. Aceste breşe nu necesită intervenţia ECC, accidentul putând fi controlat de către sistemul de adaos D2O.

2) breşe mici, SBLOCA (Small Breack Loss of Coolant Accident); dimenisunile breşei sunt în domeniul 2-100 cm2, domeniu care include gama de diametre ale fiderilor

3) breşe mari, LBLOCA (Large Breack Loss of Coolant Accident); dimenisunile breşei sunt mai mari de 100 cm2, adică breşe care depăsesc ca dimensiune ruperea fiderului de diametrul cel mai mare

De cele mai multe ori, la prezentarea rezultatelor dimensiunea breşei în caz de LOCA este descrisă în general nu de aria suprafeţei prin care este descărcat agentul de răcire ci prin procente din aria totală a conductei considerate. Astfel, ruperii 100% a unei conducte îi corespunde de 2 ori aria de curgere prin conductă. Evoluţia termohidraulică a circuitului primar în caz de LOCA depinde de dimensiunea breşei, localizarea breşei, disponibilitatea sistemului de răcire la avarie şi de situaţia pompelor de circulaţie. Caracteristici termohidraulice ce deosebesc cele două tipuri de breşă sunt: LBLOCA

- depresurizare rapidă a STC: breşa este sursa rece principală, GA neavând un rol important şi devenind sursă de căldură când TP < TS

- golirea rapidă a canalului de combustibil va duce la inserţia cea mai rapidă de reactivitate în zona activă ∼ 4mk/s. Acest lucru va duce la un puls


372

important de putere, deci este foarte importantă oprirea rapidă a rectorului pentru prevenirea topirii centrale a combustibilului (studiile au arătat că dacă reactivitatea netă pozitivă < ∼ 6 mk energia produsă nu e suficientă pentru topirea centrului combustibilului). Din acest motiv acest accident determină viteza necesară sistemului de oprire rapidă

- surse de căldură suplimentare: căldura stocată în combustibil plus pulsul de putere. Aceste surse apar în primele secunde ale accidentului ceea ce duce la creştere rapidă a temperaturii tecii

- pe perioada depresurizării curgerea este turbulentă şi omogenă - pentru ruperi ale colectorului de intrare, debitul prin breşă poate varia

între ∼ 1075 kg/s şi 22800 kg/s la capătul superior al spectrului

SBLOCA - depresurizare lentă: variaţia presiunii prezintă un palier la o valoare

apropiată de presiunea din secundar deoarece în jurul acestei presiuni se crează un echilibru între puterea primită şi cea evacuată de agentul de răcire. Acest echilibru se menţine până când prin breşă se descarcă vapori ceea ce va creşte energia eliberată de breşă şi va duce la scăderea în continuare a presiunii, figura 11-4. Din cele de mai sus rezultă că cu cât breşa e mai mare cu atât lungimea palierului e mai mică

- nu apar surse suplimetare de căldură deoarece golirea canalului de agent de răcire este lentă, sistemul de reglare a reactorului putând controla inserţia pozitivă de reactivitate iar apariţia CHF datorită reducerii debitului şi a presiunii este întîrziată faţă de momentul opririi reactorului ceea ce va face ca majoritatea căldurii stocate în combustibil să fie evacuată înainte de degradarea condiţiilor de răcire

- creşterea temperaturii tecii este întîrziată de momentul apariţiei breşei şi se datorează deteriorării în timp a condiţiilor de răcire a combustibilului

Analize de accident

373

Fig. 11-4 Variaţia presiunii în timp în funcţie de dimensiunea breşei La capătul spectrului breşelor mici şi începutul spectrului breşelor mari, breşele prezintă atât caracteristicile breşelor mici cât şi a celor mari, fără apariţia unor fenomene noi. Aceste breşe au fost denumite breşe intermediare (nu există practic un punct de delimitare între breşe mici şi mari !) 11.4.1. Fenomenologia LBLOCA După cum am văzut din distribuţia diametrelor conductelor din STC şi din definiţia dată, LBLOCA poate apare doar prin ruperea unor conducte de diametru mare situate deasupra zonei active. Fireşte că breşa poate apare oriunde de-a lungul acestor conducte, însă trei locaţii particulare sunt reprezentative pentru întreagul domeniu posibil de localizare a breşei. Aceste trei locuri reprezentative sunt: colectorul de intrare (CI), colectorul de iesire (CE) şi conducta de aspiraţie a pompei (AP), figura 11-5.


374

Fig. 11-5 Localizarea LBLOCA Breşa afectează în mod diferit cele două treceri ale unei bucle. Pentru canalele de combustibil aparţinând trecerii din amonte de breşă (amonte şi aval se referă la direcţia normală de curgere a agentului de răcire) breşa măreşte întodeauna diferenţa de presiune disponibilă, în consecinţă debitul. Astfel, răcirea combustibilului este îmbunătăţită iar reumplerea cu apă după injecţia ECC este rapidă şi se desfăşoară în direcţia nominală de curgere spre breşă. Pentru canalele de combustibil aparţinând trecerii în aval de breşă, diferenţa de presiune creată datorită breşei se opune înălţimii de pompare şi ca urmare debitul va scădea rapid în aceste canale. Din acest motiv trecerea din aval de breşă a primit denumirea de trecere critică. Pentru breşe suficient de mari, în canalele aflate în aval de breşă curgerea se va inversa, în schimb pentru breşe suficient de mici curgerea îşi păstrează sensul. Între aceste limite va exista o breşă de dimensiuni intermediare pentru care va apare stagnarea curgerii. Care este motivul apariţiei stagnării? Stagnarea apare datorită realizării unui echilibru hidraulic între efectul produs de breşă şi efectul produs de pompă. O astfel de situaţie poate apare numai pentru un domeniu restrâns în spectrul breşelor mari, în plus, această situaţie nu poate fi menţinută pentru un timp îndelungat deoarece debitul prin breşă se modifică permanent. Pe măsura depresurizării STC, debitul descărcat prin breşa descreşte în valoare, însă în acelaşi timp înălţimea de pompare descreşte şi ea datorită creşterii fracţiei de vid la aspiraţia pompei. Scăderea înălţimii de pompare este mult mai rapidă astfel încât după o perioadă scurtă, 10-20 s de stagnare a curgerii, devine predominant efectul produs de breşă. Agentul de răcire se pune în mişcare spre breşă iar curgerea se inversează. Stagnarea curgerii va produce cel mai deficitar regim de răcire a

Analize de accident

375

elementului combustibil, astfel că breşa cu dimensiunea cea mai defavorabilă va fi cea care va realiza perioada de stagnare cea mai ândelungată. Această breşă a fost numită breşă critică. Cheia analizei de securitate rezidă deci în analizarea unui spectru de dimensiuni ale breşelor care pot duce la stagnarea curgerii în canalul combustibil. Pentru breşe în colectorul de intrare breşele care duc la stagnarea curgerii sunt în domeniul 20-40 % CI. Astfel se analizează în mod uzual ruperi de 20%, 25%, 30%, 35%, 40% şi 100% din colectorul de intrare. Pentru celelalte două locaţii, domeniul analizat în mod uzual cuprinde pentru aspiraţia pompei ruperi de 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 70% şi 100%, iar pentru colectorul de ieşire ruperi de 80%, 90%, 95% şi 100%. În funcţie de localizare, breşa critică a rezultat în următoarele situaţii: 35% CI, 55% AP şi 100% CE. Pe termen lung debitul în zona activă este determinat de echilibrul dintre efectul breşei şi cel al pompelor. Pompele vor fi menţinute în funcţiune cât mai mult timp posibil, ele promovând curgerea în direcţie normală şi grăbind reumplearea canalelor de combustibil cu apă. (Acest lucru este complet diferit de cazul PWR unde oprirea pompelor în faza iniţială a accidentului contribuie la menţinerea unui inventar mai ridicat de agent de răcire în circuitul primar decât în cazul când nu ar fi fost oprite.) Pentru breşe aflate la capătul inferior al domeniului, reumplerea canalelor şi curgerea pe timp ândelungat va fi în direcţie normală, în schimb dacă breşa este de dimensiuni mari, reumplerea canalelor se va face în sens invers curgerii normale iar această tendinţă va fi menţinută pe termen lung. Chiar dacă breşa este suficient de mare pentru apariţia inversării curgerii, funcţionarea pompelor este în continuare valoroasă. Injecţiea ECC se realizează atât pe conducta de refulare a pompei, lîngă de colectorul de intrare cât şi în apropiere de colectorul de ieşire. Astfel, chiar dacă conducta de aspiraţie a pompei este golită de fluid, funcţionarea în continuare a pompei va avea un efect de clapetă de reţinere pentru curgerea inversă spre pompă, debitul injectat de ECC va fi astfel ândreptat direct către colectorul de intrare. Dacă breşa este localizată în colectorul de intrare, presiunea redusă datorată dimensiunii mari a ruperii va promova curgerea debitului injectat de ECC în colectorul de ieşire înapoi prin canalele de combustibil. Dacă pompele ar fi oprite, acest lucru ar afecta semnificativ una din treceri. Să luăm de exemplu o breşă mare a colectorului de ieşire, figura 11-5. Trecerea 1, cea care conţine breşa, se va reumple în direcţie normală de curgere datorită presiunii foarte reduse din colectorul spart. Cealaltă trecere nu beneficiază de un asemenea efect datorită breşei. Debitul injectat în colectorul de ieşire al trecerii 2 poate să curgă în direcţie normală către generatorul de abur apropiat sau invers spre zona activă. În general, calea de curgere prin GA are o rezistenţă hidraulică mult mai redusă (în special dacă GA se depresurizează) şi deci debitul injectat va prefera acest traseu astfel încât apa injectată în acest mod va ajunge în colectorul de intare al trecerii rupte. Debitul injectat în colectorul de intrare al trecerii 2 poate să curgă în direcţie


376

normală spre zona activă sau invers prin pompă. Din nou, calea de curgere prin pompă are o rezistenţă hidraulică mult mai redusă astfel încât apa injectată în acest mod va ajunge în colectorul de ieşire al trecerii rupte prin generatorul de abur. În acest fel trecerea care nu conţine breşa rămîne neumplută! În practică, totuşi, apa injectată în colectori poate ajunge în canalele de combustibil ale trecerii care nu conţine breşa datorită gravitaţiei. Însă acest proces este mult mai lent decât reumplerea STC cu pompele funcţionând. Totuşi, pompele nu pot funcţiona pe timp nelimitat. Ele trebuiesc oprite pentru a evita funcţionarea prelungită în condiţii de vibraţii, ceea ce poate deteriora conductele din STC. În mod uzual, pompele vor fi oprite după perioada de reumplere a canalelor de combustibil cu apă. Pentru breşele intermediare, curgerea se poate inversa după ce pompele primare au fost oprite. Cum influenţează locaţia breşei desfăşurarea accidentului? Breşa în colectorul de intrare este amplasată în imediata vecinătate a trecerii din aval astfel că va avea ca efect cea mai rapidă reducere a debitului şi deci cele mai ridicate temperaturi în elementul combustibil. Evoluţia temperaturii tecii corespunde evoluţiei debitului: stagnarea curgerii duce la creşterea temperaturii, reluarea curgerii după stagnare are ca efect scăderea temperaturii, figura 11-6 şi 11-7. Rezultă deci că breşa critică conduce la cea mai ridicată valoare pentru temperatura.

Fig. 11-6 Variaţia debitului de agent de răcire pentru breşe în colectorul de intrare de diferite dimensiuni

Analize de accident

377

Fig. 11-7 Temperatura exterioară a tecii în centrul zonei active (fasciculul 7) pentru breşe în colectorul de intrare de diferite dimensiuni

Astfel, o rupere 35% CI generează o stagnare timpurie ândelungată, atingerea dryout-ul şi deteriorarea transferului de căldură apare rapid când puterea este ridicată, ceea ce va duce la cea mai ridicată temperatură a tecii (∼ 1050°C) pe când o rupere 100 % CI realizează o inversare rapidă a curgerii astfel încât elementul combustibil rămîne “bine răcit” şi în consecinţă temperatura tecii este mult mai scăzută. Totuşi temperatura tecii nu e cel mai important parametru ci combinaţia dintre temperatura tecii plus efortul mecanic asupra tecii (presiunea interioară). Astfel, stagnarea timpurie a curgerii este realizată atunci când presiunea din STC are încă valori ridicate: temperatura tecii este mare însă efortul mecanic asupra tecii este redus. Din această combinaţie vor rezulta relativ puţine defecte de teacă, în principal datorită fragilizării tecii datorită oxidării. De asemenea, există posibilitatea deteriorării tubului de presiune datorită supraîncălzirii la o valoare ridicată a presiunii interioare. Breşele mari în colectorul de ieşire pot duce la inversarea curgerii în trecerea din aval de breşă (trecerea 2 în figura 11-5). Pentru aceeaşi dimensiune a breşei, pentru breşele în colectorul de ieşire golirea trecerii din aval este mai lentă decât în cazul breşelelor în colectorul de intrare deoarece calea de curgere de la zona activă la breşă este mai lungă şi are o rezistenţă hidraulică mai mare. Astfel, stagnarea curgerii este întîrziată faţă de momentul producerii accidentului rezultând în acest


378

caz temperaturi mai mici în elementul combustibil decât în cazul ruperilor în colectorului de intrare deoarece în acest moment căldura stocată în combustibil este mult mai mică iar puterea reactorului este la nivelul puterii de dezintegrare. Totuşi, stagnarea tîrzie a curgerii va duce la apariţia unor eforturi mecanice ridicate asupra tecii deoarece presiunea scăzută în STC (deci presiune interioară ridicată în elementul combustibil) coincide cu o temperatură mare a tecii. Această combinaţie presiune interioară -temperatură putând duce la cele mai multe defecte de teacă. Breşele localizate la aspiraţia pompelor sunt similare din punct de vedere hidraulic breşelor în colectorul de ieşire. Cum se comportă STC? Fierberea rapidă a agentului de răcire în canalele de combustibil ce rezultă în urma breşei va introduce o inserţie pozitivă de reactivitate de ordinul câtorva mk/s pentru o perioadă de câteva secunde, creştere pe care sistemele de reglare ale reactorului nu o pot compensa. Creşterea puterii reactorului va mări cantitatea de căldură stocată în combustibil, crescând temperatura acestuia, acest efect adăugându-se condiţilor neadecvate de răcire a combustibilului din canalele din aval de breşă. Sistemele de oprire rapidă a reactorului vor acţiona pentru minimizarea creşterii puterii datorită măririi fracţiei de vid, limitând astfel cantitatea de căldură generată în combustibil. Aranjamentul în 8 al unei bucle micşorează rata de golire a canalelor de combustibil deoarece pentru orice locaţie tipică a ruperii, una din trecerile prin zona activă are o cale de comunicare cu breşa mult mai lungă decât cealaltă trecere. Acest lucru ajută la micşorarea ratei de inserţie pozitivă de reactivitate. De asemenea, prezenţa a două bucle limitează golirea rapidă a canalelor doar la bucla avariată. În acest fel va apare o inserţie de reactivitate asimetrică ce va duce la o creştere asimetrică a puterii reactorului (privit din faţă, canalele aferente unei bucle sunt situate în partea stîngă a zonei active în timp ce canalele aferente celeilalte bucle sunt situate în partea dreaptă a zonei active), figura11-8. Totuşi, cu creşterea dimensiunilor zonei active, se reduce beneficiul asupra reactivităţii obţinut datorită divizării STC în două bucle. Cu creşterea dimensiunilor reactorului, golirea uneia din cele două bucle va introduce o valoare a reactivităţii din ce în ce mai mare faţă de jumătate din reactivitatea introdusă dacă s-ar goli întregul STC. Acest lucru se datorează faptului că reactivitatea introdusă în porţiunea de reactor care conţine breşa va fi mai mare datorită nesimetriei distribuţiei fluxului de neutroni. Cum nu există un motiv avantajos din punct de vedere termohidraulic pentru divizarea STC (ba poate fi chiar un aspect defavorabil, deoarece presiunea în bucla avariată poate rămîne pentru mult timp sau în totalitatea timpului deasupra presiunii de injecţie a ECC astfel încât aceasta rămîne cu un inventar redus de agent de răcire), proiectele CANDU de puteri mai

Analize de accident

379

mari, 900 MW(e), fie au un STC cu o singură buclă fie nu au prevăzută izolarea buclelor.

Fig. 11-8 Puterea reactorului pentru o rupere de 30% CI

Pentru ruperi mari, primul semnal de declanşare va fi datorat puterii ridicate a reactorului şi creşterii rapide a puterii logaritmice. Pentru breşe de dimensiuni din domeniul inferior al spectrului de rupturi posibile, primul semnal de declanşare va fi datorat presiunii ridicate în anvelopă. După declanşare puterea reactorului va scădea rapid. Pe parcursul a aproximativ 10 secunde, circuitul primar continuă să se depresurizeze rapid, figura 11-9. Presurizorul va încerca să menţină presiunea în SPTC, iar nivelul în presurizor va scădea rapid. Când presiunea din presurizor scade sub valoarea presiunii din bucla intactă, aceasta din urmă începe să descarce agent de răcire în bucla ruptă.


380

Fig. 11-9 Variaţia presiunii pentru ruprere 35% CI

O breşă mare poate goli porţiunea afectată din STC în aproximativ un minut. Pentru anumite breşe creşterea temperaturii în elementul combustibil începe devreme. Pulsul de putere datorat efectului coeficientului de vid pozitiv al reactivităţii adaugă o catitate suplimentară de energie în combustibil echivalentă cu energia produsă pe parcursul a câtorva secunde de funcţionare la putere nominală. Cum răcirea elementului combustibil se deteriorează semnificativ, căldura stocată în combustibil este redistribuită în elementul combustibil cu constanta de timp a combustibilului, aproximativ 7s. Astfel teaca se va încălzi cu o rată de aproximativ 100-200 oC/s până când combustibilul şi teaca ating temperatura medie a elementului combustibil, care pentru cel mai fierbinte element combustibil este în jur de 1200 oC. Supraîncălzirea ulterioară e limitată de puterea datorată căldurii de dezintegrare care, dacă ignorăm căldura evacuată din elementul combustibil, va duce la o creştere de temperatură de aproximativ 1oC/s per procent din puterea nominală pentru cel mai fierbinte element combustibil. Pentru temperaturi cuprinse între 800 şi 1200 oC, teaca elementului combustibil nu se va defecta decât dacă presiunea agentului de răcire devine mai scăzută decât presiunea din interiorul tecii. Totuşi, în acest moment teaca începe să sufere şi dacă nu are loc reducerea temperaturii iar presiunea agentului de răcire continuă să scadă, se va produce deteriorarea tecii. Aceste considerente determină presiunea, timpul de iniţiere şi cerinţele de debit pentru ECC: o injecţie de înaltă presiune (Ă 4 MPa) asigurând atât un debit cât şi o

Analize de accident

381

presiune suficiente pentru a menţine 1MPa pe perioada reumplerii în canalele de combustibil. Comportarea tubului de presiune depinde de durata perioadei de debit redus şi de presiunea agentului de răcire, figura11-10.

Fig. 11-10 Temperatura tubului de presiune în cazul breşei critice Dacă temperatura tubului de presiune este mai mare de 650 oC şi presiunea interioară este mai mare de 1MPa acesta începe să se deformeze. Această deformare continuă până când temperatura tubului de presiune este redusă sau până când acesta vine în contact cu tubul calandria datorită deformării. În acest ultim caz, căldura stocată în pereţii tubului de presiune este tranferată rapid moderatorului prin intermediul tubului calandria. Această micşorare a temperaturii, care are loc în aproximativ 1 – 2 secunde, va stopa orice deformare ulterioară şi asigură o cale directă pentru descărcarea în moderator a căldurii produse în canalul de combustibil. La scăderea presiunii în colectoare sub 5,5 MPa(a) concomitent cu o valoare ridicată a presiunii în anvelopă, a temperaturii ridicate în camera GA sau în camera MID, va fi dat semnalul de LOCA care va iniţia injecţia ECC şi depresurizarea rapidă a GA. Ventilele de pe linia de legătură cu presurizorul, din sistemul de alimentare şi cel de purificare se vor închide. Izolarea buclelor va preveni în


382

continuare orice pierdere de D2O din bucla intactă. Apa rece (21 oC) a ECC este injectată în STC când presiunea în colector scade sub 4,14 MPa(a), figura 11-11.

Fig. 11-11 Debitul injectat de ECC în cazul ruperii 35% CI Odată cu iniţierea injecţiei ECC în bucla ruptă, presiunea şi debitul de agent de răcire se modifică, circuitul începând să se reumple cu lichid. Când apa rece va ajunge la breşă, debitul prin breşă va creşte datorită faptului că rezistenţa hidraulică pentru un lichid subrăcit este mai redusă decât cea pentru un amestec bifazic. În plus, pe măsură ce fracţia de vid la aspiraţia pompei scade, înălţimea de pompare şi debitul dat de pompă va creşte. Pe măsură ce apa rece injectată de ECC va pătrunde în zona activă, la contactul cu tecile fierbinţi acesta va vaporiza rapid. Debitul de abur astfel produs va reduce temperatura tecii înainte ca agentul de răcire să devină subrăcit. Teaca va fi reudată de lichid doar după ce temperatura sa scade sub valoarea temperaturii Leidenfrost.

Analize de accident

383

Rata cu care reumplerea circuitului avansează depinde de cantitatea de căldură stocată în conducte şi în elementul combustibil. Canalele din amonte vor fi primele reumplute cu agent de răcire lichid, deoarece atât pentru ruperi ale colectorului de intrare cât şi pentru ruperi ale colectorului de ieşire aceste canale sunt mai bine răcite decât cele din aval de breşă (deci au stocat o cantitate mai mică de căldură). În general, atât canalele din amonte cât şi cele din aval vor fi reumplute într-un interval de timp cuprins între 2 şi 3 minute de la producerea breşei. După 75 secunde, curgerea monofazică lichidă a agentului de răcire este restabilită pentru toate dimensiunile breşei. Pentru bucla intactă, presiunea urmăreşte evoluţia presiunii din secundarul GA. Răcirea adecvată a combustibilului este menţinută prin circulaţia forţată a agentului de răcire sau prin termosifonare după oprirea automată a pompelor. Reducerea presiunii din bucla intactă nu este aşa de rapidă ca reducerea presiunii din circuitul ECC. Injecţia ECC nu va avea loc înainte ca presiunea buclei să scadă sub presiunea din ECC. În cele mai multe situaţii, acest lucru se va petrece pe parcursul fazei de injecţie de joasă presiune. Pe timp ândelungat răcirea combustibilului din bucla ruptă este menţinută prin injecţia de joasă presiune a ECC. Sursa de evacuare a căldurii este reprezentată de schimbătorul de căldură al ECC de joasă presiune. Curgerea apei prin bucla ruptă este influenţată de pierderea de presiune la breşă. Acum bucla intactă a fost reumplută, iar căldura datorată dezintegrării produselor de fisiune este transportată prin termosifonare la GA unde este evacuată. 11.4.2. Fenomenologia SBLOCA Din categoria SBLOCA fac parte ruperi ale oricăror conducte din STC de dimensiuni de până la două ori aria de curgere a fiderului cu diametru cel mai mare, evenimente care afectează un singur canal de combustibil, ruperea unei ţevi sau a mai multor ţevi ale GA şi rămînerea ventilelor de siguranţă la suprapresiune pe poziţie deschis. Datorită faptului că probabilitatea de apariţie a SBLOCA este mult mai mare decât în cazul LBLOCA, cerinţele introduse de acest eveniment asupra proiectării ECC se referă la limitărea sau prevenirea deteriorării elementelor combustibile în principal din considerente economice. Pentru breşe de dimensiuni echivalente cu aria de curgere a majorităţii fiderilor, pompele influenţează mult mai mult curgerea prin STC decât efectul introdus de breşă, astfel curgerea este tot timpul în direcţie normală. Datorită creşterii fracţiei de vid în timp, debitul de agent de răcire descreşte în timp datorită scăderii înălţimii de pompare şi a creşterii rezistenţei hidraulice a circuitului.


384

Datorită pericolului potenţial de apariţie al dryout-ului, datorită depresurizării STC, când reactorul se află la putere nominală, prima cerinţă indusă de SBLOCA este de a declanşa reactorul înainte ca tecile elementelor combustibile să rămînă în dryout la putere mare un timp ândelungat (prevenirea dryout-ului este suficient dar nu necesar pentru prevenirea apariţiei defectului de teacă). Declanşarea reactorului va avea loc datorită unor parametri de proces ca de exemplu nivel scăzut în rezervorul de stocare, debit redus, presiune redusă, pierdere mică de presiune în zona activă sau presiune ridicată în anvelopă. Pentru breşe de dimensiunea unui fider, declanşarea reactorului va fi inţiată în primele trei sau patru minute şi este setată astfel încât să prevină dryout-ul. După declanşare, pe măsură ce circuitul primar se goleşte debitul în colectoare sau în canalele de combustibil poate să scadă suficient de mult pentru stratificarea curgerii agentului de răcire în aceste componente. Acest lucru va duce la răcirea cu abur a elementelor combustibile din partea superioară a canalului sau a canalelor de combustibil conectate în zona mediană a colectoarelor. Funcţionarea preţ de câteva minute în condiţii de curgere stratificata va duce la deteriorarea tecii, deci acest fenomen defineşte timpul la care injecţia ECC trebuie să devină eficientă. Presiunea de aproximativ 4 MPa la care injecţia ECC este efectivă este adecvată deoarece limitează la ordinul secundelor durata curgerii stratificate. Odată ce reumplerea a început pompele vor menţine un debit de circulaţie în STC pe termen lung până când sunt oprite pentru a evita cavitaţia odată ce circuitul a fost reumplut cu apă rece. Breşa este o sursă rece mai redusă decât în cazul breşelor mari astfel încât depresurizarea este mai lentă, totuşi, breşa rămâne cea mai importantă sursă rece pentru evacuarea căldurii de dezintegrare. Breşe mai mari decât jumătate din aria unui fider pot să evacueze toată căldura de dezintegrare produsă într-o buclă a STC. Dacă însă generatoarele de abur nu sunt depresurizate (ceea ce reduce temperatura secundarului) acestea pot menţine o presiune ridicată în STC. Este nevoie deci de o depresurizare rapidă a GA pentru a nu bloca injecţia ECC. Astfel, răcirea rapidă a GA grăbeşte depresurizarea STC ceea ce va grăbi injecţia ECC evitându-se astfel funcţionarea STC cu inventar redus timp ândelungat şi deci se împiedică stagnarea curgerii pe o perioadă extinsă. Pentru SBLOCA depresurizarea rapidă a GA este importantă, pentru LBLOCA este nesemnificativă, din acest motiv la CANDU 6 depresurizarea rapidă a GA se realizează indiferent de dimensiunea breşei. Se consideră că teaca elementului combustibil că rămîne intactă dacă:

- centrul pastilei de UO2 nu se topeşte (temperatura în centru < 2840oC) - deformarea tecii nu este excesivă (pentru temperaturi <1000oC deformarea

uniformă a tecii să fie mai mică de 5%)

Analize de accident

385

- nu apar crăpături semnificative în startul de oxid de la suprafaţă tecii (pentru temperaturi >1000oC, deformare uniformă a tecii mai mică de 2%)

- nu apare fragilizarea tecii datorită oxigenului (concentraţia masică de oxigen <0,5% pe jumătate din grosimea tecii)

- nu apare penetrarea datorită beriliului utilizat la lipirea elementelor de distanţiere de teacă

Există însă o categorie specială de SBLOCA pentru care deteriorarea unui număr limtat de elemente combustibile nu poate fi evitată şi anume evenimentele care afectează un singur canal. În cazul acestor evenimente, în canalul afectat poate avea loc atât deteriorarea elementului combustibil cât şi cea a canalului de combustibil, pe când restul sistemului de transport al căldurii să se comporte ca în cazul unei SBLOCA. Astfel de evenimente includ:

a) blocarea completă a curgerii în canal (mai mult de 90% din aria de curgere)

b) ruperea spontană a tubului de presiune c) rupere la nivelul fiderului care să ducă la stagnarea curgerii în canal d) defectarea fitingului terminal

Pentru primul şi cel de-al treilea eveniment deteriorarea elementului combustibil apare din cauza supraîncălzirii datorită debitului de agent de răcire insuficient, pentru cel de-al doilea eveniment datorită deteriorării mecanice rezultată în urma ruperii tubului de presiune în timp ce în ultimul caz datorită ejectării elementului combustibil în anvelopă, elementul combustibil în acest caz putând fi deteriorat mecanic şi să sufere o oxidare în atmosfera anvelopei. Evenimentele care duc la ruperea tubului de presiune şi a tubului calandria pot fi un pericol potenţial pentru deteriorarea componentelor din zona activă, de exemplu deteriorarea mecanismelor de reactivitate, a barelor de oprire sau a celorlalte canale de combustibil. Pentru astfel de evenimente, analiza trebuie să arate că vasul calandria rămîne intact, că sistemele de oprire rapidă considerate individual îşi pot exercita funcţia şi că breşa nu se propagă la celelalte canale. Un caz particular în spectrul breşelor mici îl reprezintă ruperea de ţevi în generatorul de abur. În acest caz, ruperea unei ţevi este similară cu o scurgere, pe când ruperea a mai multor ţevi (în general se consideră până la 10 ţevi) este similară cu o SBLOCA. Ceea ce este specific acestui eveniment este posibilitatea eliberării radioactivităţii conţinute în STC în afara anvelopei. Acest accident este detectat prin sistemul de detecţie D2O în apă uşoară. Operatorul va trebui să izoleze GA defect, iar pe termen lung breşa trebuie izolată deoarece apa pierdută nu e recuperabilă. În acest


386

scop, operatorul va declanşa reactorul şi va depresuriza STC după care va drena circuitul primar la un nivel inferior tubului rupt pentru ca acesta să poată fi reparat. În acest scop va fi utilizat sistemul de răcire la oprire care poate evacua căldura reziduală cu circuitul primar la presiune nominală, actiunile operatorului nedepinzând astfel de depresurizarea/răcirea secundarului GA. La PWR, circuitul primar conţine o cantitate mai mare de radioactivitate în regim normal de funcţiunare decât la CANDU. Pentru izolarea GA la PWR, pe linia de abur viu există o vană de izolare care se închide la semnalarea prezenţei radioactivităţii în abur. Evacuarea căldurii din circuitul primar se face prin sistemul de purjă al GA care descarcă apa din secundar într-o incintă controlată. Aceste vane de izolare pe liniile de abur viu au fost prevăzută şi la unităţile CANDU construite recent. 11.5. PIERDEREA AGENTULUI DE RĂCIRE FĂRĂ INTERVENŢIA ECC Înainte de a vedea care sunt caracteristicile acestui accident, să încercăm să raspundem succint la câteva întrebări legate de ECC şi anume:

1) Care sunt cerinţele de securitate pe care trebuie să le ândeplinească? Principalele ceriţe de securitate sunt legate de:

- asigurarea nedepăşirii dozelor pentru public - prevenirea ruperii tubului de presiune - asigurarea menţinerii unei geometri a canalului de combustibil care

să permită răcirea elementului combustibil - limitarea numărului de elemente combustibile deteriorate la

SBLOCA din considerente economice

2) Unde este cel mai bine să se injecteze apă? La CANDU 6 se injectează apă în toate colectoarele, atât în cele de intrare cât şi în cele de ieşire, deci în total 8 puncte de injecţie. Deoarece fiecare canal este conectat la 2 colectoare iar colectoarele sunt amplasate deasupra zonei active se asigură o cale de pătrundere a apei pentru fiecare canal. Apa injectată lîngă breşă va fi pierdută însă presiunea aleasă plus prevederea unei cantităţi suficiente de apă (de două ori volumul STC) va asigura un debit suficient astfel că eficienţa injecţiei nu va fi afectată.

3) Care să fie presiunea de injecţie? Deoarece se injectează H2O este necesar

să se evite injecţia falsă deoarece aceasta degradează calitatea agentului de răcire. Acest lucru se realizează prin alegerea valorii presiunii de injecţie cât şi prin prevederea unor elemente de separare între STC şi sistemul de

Analize de accident

387

injecţie. Presiunea de injecţie ECC trebuie să fie aleasă astfel încât valoarea sa să fie sub cea mai mică valoare la care presiunea poate ajunge după declanşarea reactorului fără LOCA. Injecţia se realizează în 3 faze de injecţie: de înaltă presiune, IPECC, de medie presiune MPECC şi de joasă presiune JPECC. De asemenea, pentru a preveni injecţia falsă iniţierea sistemului va fi generată de presiune scăzută în STC plus un semnal condiţionat (presiune scăzută sustinută în STC, presiune ridicată în anvelopă, nivel ridicat al moderatorului). IPECC injectează apă din două rezervoare prin intermediul presiunii unui gaz. Presiunea pentru injecţia efectivă a IPECC de 4,14 MPa a fost aleasă astfel încât să: ∴ limiteze supraîncălzirea elementului combustibil pentru breşe mici ∴ forţeze reumplerea rapidă a zonei active după LBLOCA ∴ să dezvolte o ΔP suficientă de-a lungul fiecărui canal pentru a permite

apei să intre pe la un capăt iar aburului să iasă pe la celălalt. Injecţia MPECC, la 1Mpa se realizează cu ajutorul unor pompe ce preiau apă din bazinul de stropire al anvelopei, asigurându-se astfel ca o cantitate suficientă de apă să fie colectată pe podeaua anvelopei. În faza de JPECC, pompele preiau apa colectată pe podeaua anvelopei, o trec printr-un schimbător de căldură şi apoi o injectează în colectori. Cantitatea de apă conţinută în rezervoarele ECC asigură ca IPECC să injectează apă cel puţin 2,5 minute pentru cea mai mare breşă, iar MPECC cel puţin 12,5 minute. JPECC trebuie să asigure răcirea canalelor de combustibil minim 3 luni, după acest interval moderatorul poate evacua căldura fără deteriorarea elementelor combustibile chiar dacă ECC e indisponibilă. Debitul de injecţie este ales astfel încât: ∴ IPECC să reumple zona activă pentru cea mai mare rupere posibilă de tip

ghilotină ∴ MPECC să menţină acoperite de apă elementele combustibile ∴ JPECC să menţină elementele combustibile acoperite de apă pe timp

nedefinit Existenţa atâtor cerinţe face ca neacoperirea cu apă a elementelor combustibile pe o perioadă de timp limitată să fie posibilă. Acest lucru este acceptabil dacă nu provoacă supraîncălziri excesive. Am văzut ce trebuie să facă ECC. Ce se întîmplă dacă sistemul nu-şi poate ândeplini funcţiile? Acest accident pentru CANDU face parte din categoria accidentelor severe însă este inclus în accidentele bază de proiect. Accidentul poate fi împărţit în două faze separate:


388

1. Faza de depresurizare care este similară cu LOCA 2. Faza de încălzire întîrziată: STC atinge presiunea de injecţie a ECC însă

aceasta nu intervine; zona activă nu primeşte apă de la ECC ceea ce va duce la supraîncălzirea pronunţată a combustibilului cu reactorul la nivelul puterii de dezintegrare

Fig. 11-12 Depresurizarea STC la LOCA fără ECC

Analize de accident

389

Fig. 11-13 Inventarul de agent de răcire

Depresurizarea STC are loc ca în cazul LOCA, figura11-12, însă la atingerea valorii presiunii pentru care se generat semnalul de LOCA buclele sunt izolate dar ECC nu reuşeîte să injecteze apă în zona activă. Acest lucru va duce la scăderea masivă a inventarului de agent de răcire în bucla avariată, figura 10-13. Scădera masivă a inventarului de agnt de răcire va duce la deteriorarea severă a răcirii elementului combustibil ceea ce va provoca supraîncălziri pronunţate ale acestuia. Temperaturile ridicate ale elemetului combustibil fac posibilă reacţia de oxidare a zirconiului în abur ceea ce va introduce o cantitate suplimentară importantă de energie. Sursa rece este în acest caz moderatorul, figura 11-14. Transferul de căldură către moderator în regim normal de funcţionare este limitat de rezistenţa


390

termică a gazului din spaţiul inelar format între tubul de presiune şi tubul calandria. Creşterea temperaturii tubului de presiune va face ca acesta să se deformeze şi să vină în contact cu tubul calandria rezultând în acest fel o nouă cale de transfer de căldură către moderator. Modul în care se realizează contactul tubul de presiune şi tubul calandria determină cantitatea de căldură evacuată către moderator.

Fig. 11-14 Moderatorul ca sursă rece în accidentele severe Modul de contact depinde de temperatura şi presiunea din interiorul tubului de presiune. Astfel, pe perioada depresurizării în unele canale de combustibil tuburile de presiune vor avea o temperatură ridicată (~ 700 – 800 C) şi o presiune interioară suficient de ridicată astfel încât vor suferi o dilatare radială uniformă, figura 11-15. Contactul cu tubul calandria poate să nu aibă loc pe toată lungimea canalului ci numai acolo unde se regăsesc condiţiile de temperatură şi presiune necesare. De asemenea, în punctul de contact, contactul cu tubul calandria poate să nu fie uniform (contactul este uniform doar când circumferinţa tubului de presiune este încălzită uniform). După contact se va realiza o creştrere a transferului de căldură de la elementele combustibile prin intermediul tubului de presiune şi a tubului calandria spre moderator, iar temperatura va descreşte atât în elementele de combustibil cât şi în tubul de presiune.

Analize de accident

391

Fig. 11-15 Deformarea tubului de presiune prin dilatare radială uniformă Ruperea tubului de presiune poate deveni posibilă atunci când înainte de contact eforturile sunt concentrate pe o anumită porţiune a tubului. Astfel, dacă tubul de presiune suferă o încălzire neuniformă datorită curgerii stratificate a agentului de răcire (când partea superioară a fasciculului de combustibil este răcită de abur supraîncălzit, în timp ce partea inferioară a fasciculului este răcită în continuare de lichid) răspunsul tubului de presiune devine complex, variind de la o cantitate de căldură redusă transferată către moderator până la apariţia rupturii tubului de presiune/calandria. De asemenea, suplimentar deformării tubului de presiune, la temperaturi superioare celei de topire a zircaloy-ului (1760 oC) fasciculul de elemente combustibile îşi pierde integritatea. Astfel, elementele combustibile pot veni în contact unele cu altele şi cu tubul de presiune, producând eforturi temice locale asupra tubului de presiune şi accentuând neuniformităţile în distribuţia temperaturii tubului. Dacă supraîncălzirea elementelor combustibile şi a tubului de presiune este întîrziată faţă de momentul apariţiei LOCA, în unele canale de combustibil tuburile de presiune vor avea o temperatură ridicată (Ă900 C) şi o presiune interioară


392

scăzută (apropiată de cea atmosferică). În acest caz ele vor suferi o încovoiere datorită greutăţii, figura11-16.

Fig. 11-16 Deformarea tubului de presiune prin încovoiere datorită greutăţii Acest lucru devine posibil deoarece la temperaturi mai ridicate de 650 oC fluajul longitudinal devine semnificativ. Dacă această situaţie persistă, întrucât tubul de presiune este susţinut numai la capetele canalului, încovoierea tubului de presiune poate să îl aducă în contact cu tubul calandria. Unghiul de contact al tubului de presiune cu tubul calandria depinde de presiunea interioară a tubului de presiune. Cu cât unghiul de contact este mai mare cu atât transferul de căldură este mai bun deoarece creşte suprafaţa de transfer de căldură. Şi în acest caz îmbunătăţirea transferului de căldură după contact va face ca temperatura elementelor de combustibil şi a tubului de presiune să descrească. Acest accident a fost în general analizat printr-un studiu parametric datorită incertitudinilor asupra condiţiilor termohidraulice din canalul de combustibil. Practic, se răspunde la întrebarea: pentru anumite condiţii termohidraulice date (care vor determina modul de contact dintre tubul de presiune şi tubul calandria) care este debitul de abur în canalul de combustibil care duce la consecinţele cele mai defavorabile pentru acest accident. În acest scop, debitul de abur este variat pentru a ţine cont de diferitele surse de apă disponibile. Debitul critic de abur va

Analize de accident

393

fi acela care va maximiza temperatura în combustibil. Dacă debitul de abur creşte răcirea prin convecţie se îmbunătăţeşte, în schimb dacă debitul scade va exista o cantitate limitată de abur pentru a alimenta reacţia Zr-abur şi deci a întreţine o sursă importantă de căldură. Rezultatele au arătat că un debit de abur sub 5 g/s pe canal va asigura prea puţin abur pentru a reacţiona cu Zr, în timp ce pentru un debit de peste 20 g/s pe canal aburul elimină o mare parte din căldura din combustibil prin convecţie. Între aceste valori limită se va afla debitul critic, figura 11-17.

Fig. 11-17 Temperatura în elementul combustibil în funcţie de debitul de abur


394

Fig. 11-17 Subrăcirea necesară a moderatorului

Acest mod de transfer de căldură este eficient atât timp cât la suprafaţa exterioară a tubului calandria nu apare fierberea în film a moderatorului, deoarece în acest caz

Analize de accident

395

filmul de vapori va izola practic tubul calandria de moderator. Cercetările au arătat că subrăcirea maximă necesară a moderatorului pentru prevenirea fierberii în film este de ~ 28 oC pentru cel mai defavorabil caz (dilatare radială cu contact uniform a tubului de presiune, situaţie când fluxul termic spre moderator este maxim), figura 11-17. Până în prezent, în centralele CANDU, au avut loc fisuri majore la două tuburi de presiune, unul la Pickering A iar celălalt la Bruce A, scurgeri dintr-un număr de tuburi de presiune şi nici o rupere de fider. Toate aceste evenimente, n-au avut impact asupra răcirii combustibilului, defectele fiind descoperite de operatori în fază incipientă ceea ce a făcut ca reactorul să fie oprit în siguranţă fără ca aceste incidente să se transforme în accidente. 11.6. PIERDEREA CIRCULAŢIEI FORŢATE Diferite evenimente, discutate anterior, pot duce la pierderea circulaţiei forţate. Dintre acestea vom discuta în continuare accidentul de pierdere a alimentării cu energie electrică clasă IV. Comportarea reactorilor CANDU la pierderea alimentării cu energie electrică clasă IV este similară cu comportarea reactorilor PWR. Însă există şi diferenţe faţă de PWR, printre care: – creşterea uşoară a puterii datorită dezvoltării fierberii în zona activă – direcţie nepreferenţială a curgerii în zona activă: curgerea este menţinută în

direcţie “normală” pe măsură ce pompele se opresc şi circulaţia naturală se dezvoltă datorită sensului de curgere anterior accientului

– într-o buclă agentul de răcire curge prin două pompe şi două GA în serie – două surse reci de presiune ridicată sunt disponibile pe termen lung: GA (apă

de alimentare auxiliară, alimentare cu energie electrică clasă III) şi sistemul de răcire la oprire

La pierderea alimentării cu energie electrică clasă IV va surveni oprirea tuturor pompelor de circulaţie, însă debitul scade lent datorită inerţiei pompelor. Datorită reducerii debitului va creşte fracţia de vid în canalele de combustibil ceea ce va duce la o creştere a puterii reactorului şi în momentele iniţiale o creştere a presiunii în STC, figura 11-18.


396

Fig. 11-18 Variaţia parametrilor din STC imediat după pierderea

alimentării cu energie electrică clasă IV

Analize de accident

397

Fig. 11-19 Variaţia parametrilor din STC la pierderea alimentării cu energie electrică clasă IV

Ventilele de eşapare a aburului din presurizor se vor deschide pentru a menţine presiunea în STC. O creştere ulterioară a presiunii poate determina deschiderea ventilelor de siguranţă la suprapresiune în STC şi descărcarea de agent de răcire în degazorul-condensator. Aceste ventile de siguranţă se vor închide când presiunea în STC coboară sub valoarea de referinţă la care sunt acţionate după reducerea


398

puterii reactorului. Turbina va fi declanşată datorită pierderii vidului la condensator iar reactorul va fi declanşat de unul din parametri de siguranţă. Pentru controlul presiunii în GA se vor deschide în caz de nevoie ventilele de siguranţă de pe liniile de abur. Căldura generată în zona activă va fi evacuată la GA prin circulaţia naturală iar pe termen lung este utilizat SRO, figura 11-19. 11.7. PIERDEREA SURSEI RECI Dintre diferitele evenimente care pot conduce la pierderea sursei reci vom discuta în continuare fenomenele caracteristice care apar ca urmare a unor breşe pe conductele de abur viu şi de apă de alimentare. Ce este diferit în acest caz faţă de ruperi ale conductelor din STC? Principalele diferenţe sunt: - breşele din circuitul secundar CANDU nu introduc reactivitate pozitivă - inventarul de radionuclizi în STC este redus deoarece combustibilul defect este

schimbat cu reactorul la putere; nu e preocupantă descărcarea agentului secundar în atmosferă chiar în cazul unor scurgeri de la tevile GA

- inventarul important de apă conţinut în GA asigură operatorului un timp de acţiune de ∼ 30 minute

Atât pentru ruperi ale conductelor de abur cât şi pentru cele de apă de alimentare aspectul primordial este potenţiala pierdere a sursei reci pe măsură ce inventarul de apă din secundarul GA se scurge prin breşă. Inventarul important de apă GA asigură timpul necesar pentru cuplarea SRO, care fiind un sistem de presiune ridicată nu necesită depresurizarea STC. 11.7.1. Ruperea conductei de abur viu Breşele pe conducta de abur viu pot fi amplasate în interiorul sau exteriorul anvelopei (breşa 2 este în anafara anvelopei pe când breşa 3 este în interiorul anvelopei), pot fi simetrice afectând în acelaşi fel toate generatoarele de abur sau nesimetrice (breşa 1 este simetrică pe când breşa 2 nu), figura 11- 20.

Analize de accident

399

Fig. 11-20 Sistemul de abur viu şi sistemul de apă de alimentare O rupere ghilotină a uneia din cele patru conducte de abur viu în interiorul anvelopei va avea ca efect creşterea cea mai importantă a presiunii în anvelopă, figura 11-21.


400

Fig. 11-21 Presiunea în anvelopă după ruperea ghilotină a liniei de abir viu în interiorul anvelopei

Acest efect se datorează faptului că liniile de abur viu sunt cele mai mari conducte din interiorul anvelopei iar o breşă în una din aceste linii va descărca atât energia stocată în circuitul secundar cât şi o parte din energia conţinută în ambele bucle din

Analize de accident

401

circuitul primar datorită transferului de căldură în GA. Astfel, breşele mari pe liniile de abur viu sunt limitative din punct de vedere al vîrfului de presiune din interiorul anvelopei şi a timpului disponibil pentru a activa surse de răcire alternative. Deşi presiunea de proiect a anvelopei este depăsită, în acest caz aceasta se referă la rata de scurgeri maxim admisibilă din anvelopă. Cum radioactivitatea eliberată în mediu nu reprezintă un motiv de îngrijorare în astfel de accidente, criteriul de acceptare este acela de a nu apare deteriorări structurale ale anvelopei şi nu de limitare a ratei de scurgere. Care este termodinamica accidentului de rupere a liniei de abur viu? O breşă masivă pe linia de abur viu va duce la creşterea nivelului de apă în GA ceea ce va micşora eficienţa separatorilor. În acest mod, titlul aburului descărcat prin breşă va scădea ceea ce va mări masa de fluid descărcat. Pe măsură ce inventarul de apă din secundar este pierdut, scăderea nivelul în GA va duce la declanşarea reactorului. Pierderea inventarului pe parte secundară va face ca generatorul de abur să se depresurizeze. O presiune redusă în secundarul GA va avea ca efect creşterea transferului de căldură de la circuitul primar lucru care va antrena o reducere a presiunii şi temperaturii în STC. Pentru ruperile mari presiunea în STC poate descreşte suficient de mult astfel încât să fie atins punctul de referinţă pentru injecţia ECC, răcirea rapidă a GA şi izolarea buclelor. Deoarece la ruperea liniei de abur viu nu exită pierderi de agent de răcire din STC, injecţia ECC se va opri repede. Pentru breşe foarte mari presiunea în circuitul primar va scădea sub presiunea de declanşare a pompelor primare ceea ce va duce la oprirea acestora şi evacuarea căldurii din zona activă prin circulaţie naturală. Pe termen scurt sursa rece este asigurată de GA (alimentaţi continuu cu apă, fie din sistemul de apă de alimentare fie din sistemul de alimentare cu apă la avarie, care este un sistem de joasă presiune) iar pe termen lung de sistemul de răcire la oprire. 11.7.2. Pierderea apei de alimentare la GA Pierderea apei de alimentare la GA nu are un efect imediat asupra răcirii combustibilului însă pentru o perioadă ândelungată de timp trebuie asigurată o sursă rece pentru căldura produsă în reactor. Consecinţele ruperii unei conducte de apă de alimentare depinde de mărimea şi localizarea breşei, accidentul putând afecta un singur GA, breşa 4 în figura 11-20, sau toate GA, breşa 5 în figura 11-20. O breşă mare a conductei de apă de alimentare reduce suficient de mult presiunea în aceste linii, astfel încât clapetele de reţinere se vor închide, oprind curgerea apei de alimentare spre GA şi declanşând reactorul datorită presiunii scăzute pe liniile de apă de alimentare. O breşă mică nu va duce la închiderea clapetelor de reţinere, ceea ce va permite trecerea unui debit redus de apă de alimentare spre GA. În acest


402

caz, declanşarea reactorului va avea loc datorită nivelului redus în generatoare sau datorită presiunii scăzute pe liniile de apă de alimentare după oprirea pompelor de alimentare (declanşarea pompei poate avea loc datorită creşterii amperajului motorului pompei ca urmare a debitului ridicat, sau mai târziu datorită nivelului scăzut în degazor). Breşe foarte mici pot permite menţinerea nivelului GA pe perioadă ândelungată. Pentru o rupere 100 % a conductei de apă de alimentare localizată în afara anvelopei, în amonte de ventilele de reglare a debitului, toate cele 4 GA vor fi afectate în acelaşi mod. Deoarece după iniţierea evenimentului, debitul de apă de alimentare în economizor devine nul, se pierde ~ 17% din capacitatea GA de a evacua căldura. În consecinţă, deoarece se evacuează mai puţină căldură în GA, temperatura şi presiunea în STC vor începe să crească. Astfel, temperatura D2O la ieşirea din GA va creşte de la 266 oC la aproximativ 275 oC, ceea ce va face ca marginea de subrăcire în colectorii de intrare să descrească de la 52 oC la ~45 oC în funcţie de creşterea presiunii în STC. Acest lucru va duce la dilatarea agentului de răcire, iar nivelul în presurizor va creşte datorită creşterii presiunii în STC. Ventilele de descărcare a aburului din presurizor se vor deschide pentru reducerea presiunii, însă putem avea sau nu un debit net de D2O în circuitul primar din sistemul de control al inventarului, deoarece algoritmul de funcţionare al acestui sistem este proiectat să păstreze constantă masa de agent de răcire pe măsura încălzirii STC. Debitul de agent de răcire în STC va scădea uşor datorită creşterii fracţiei de vid. O degradare ulterioară a capacităţii GA de evacuare a căldurii nu va avea loc până când inventarul de apă din secundar nu va scădea semnificativ. Capacitatea de evacuare a căldurii va fi redusă în continuare dacă ţevile GA rămân neacoperite de apă datorită inventarului de apă redus. Totuşi acest lucru nu se va întâmpla decât după ce reactorul a fost declanşat, iar cantitatea de căldură ce trebuie evacuată se diminuează semnificativ, figura 11-22. După declanşarea reactorului, presiunea şi temperatura în primar şi secundar vor descreşte. Se va iniţia oprirea turbinei, astfel că debitul de abur se va reduce. Circuitul primar va ajunge în stare caldă-putere zero prin transferul căldurii către inventarul de apă existent în GA. Datorită acestui proces se vor restabili eventual valorile temperaturii şi presiunii în generatorul de abur, iar presiunea din primar va creşte uşor odată cu presiunea de pe partea secundară. Ventilele de descărcare în atmosferă a aburului se vor deschide pentru a menţine presiunea în GA, acest debit de abur servind la evacuarea căldurii generate în circuitul primar.

Analize de accident

403

Inventarul de apă în GA începe să scadă uşor, însă apa rămasă asigură o sursă adecvată de evacuare a căldurii pentru încă 30 de minute. În acesată perioadă operatorul trebuie să stabilească o sursă alternativă de evacuare a căldurii.

Fig. 11-22 Inventarul de apă în GA la pierderea apei de alimentare 11.8. ACCIDENTE SEVERE CARE DETERIOREAZĂ ZONA ACTIVĂ Acidentele severe pot fi împărţite în două categorii:

1. accidente severe propriu zise: - nu există agent de răcire în canalele de combustibil - combustibilul nu se topeşte - se păstrează geometria zonei active O parte din accidentele din această categorie sunt incluse în accidentele bază de proiect (de exexemplu LOCA fără ECC) altele sunt evidenţiate prin PSA şi au o probabiltate de apariţie mult prea mică pentru a fi incluse în categoria celor bază de proiect (de exexemplu pierderea apei de alimentare


404

+ pierderea apei de alimentare auxiliare + pierderea răcirii la oprire + pierderea aprovizionării cu apă la avarie însă evacuarea căldurii către moderator este posibilă)

2. accident sever care să ducă la deteriorarea zonei active:

- este un accident sever plus absenţa moderatorului ca sursă rece - se pierde geometria zonei active

Deci, accidentele severe care conduc la deteriorarea zonei active necesită apariţia unui eveniment iniţiator şi în plus pierderea tuturor surselor reci. Exemple de astfel de accidente sunt următoarele:

- LOCA + neintervenţia ECC + pierderea răcirii moderatorului - pierdere alimentare energie clasă IV + pierderea grupului 1 clasă III +

pierdere grup 2 clasă III Linia de apărare contra acestor accidente este reprezentată de existenţa unor cantităţi importante de apă care înconjoară zona activă şi anume, figura 11-23:

- moderatorul: poate evacua 4,4% din puterea nominală, după pierderea răcirii timpul de încălzire şi fierbere totală > 5h

- apa din chesonul calandriei: poate evacua 0,4% din puterea nominală, după pierderea răcirii timpul de încălzire şi fierbere totală > 20 ore

În continuare vom descrie comportarea reactorului CANDU la accidentele severe care conduc la deteriorarea zonei active. Pentru analizele ce vor fi prezentate în continuare, ipotezele utilizate sunt următoarele:

- sistemul de răcire la oprire este indisponibil - evacuarea căldurii din moderator şi chesonul calandriei este indisponibilă - apa de alimentare şi apa de alimentare auxiliară sunt indisponibile - nu este creditată nici un fel de intervenţie din partea operatorilor

Analize de accident

405

Fig. 11-23 Surse de evacuare a căldurii în accidente severe Pentru scenariu pierderii alimentării cu energie electrică ipotezele suplimentare sunt:

- sursele de curent alternativ şi toate sistemele de aprovizionare cu energie electrică la avarie sunt indisponibile

- sistemul de stropire în anvelopă este indisponibil - indisponibilitatea totală a ECC - oprirea reactorului este iniţiată imediat după începerea accidentului - după începerea accidentului, ventilul de reglare al debitului de abur este

închis - ventilele de siguranţă la suprapresiune ale GA, MSSV, sunt disponibile - nu este considerată răcirea rapidă a GA - ventilele de eşapare abur în atmosferă, care sunt acţionate pneumatic, nu

mai dispun de aer de acţionare şi se presupun că se defectează în poziţie închis

- se presupune că ventilele de siguranţă la suprapresiune ale STC, LVR (liquid relief valve) şi ventilele de siguranţă la suprapresiune ale presurizorului descarcă inventarul de agent de răcire în anvelopă

- ventilele de eşapare abur din presurizor, acţionate pneumatic, nu mai dispun de aer de acţionare şi se presupun că se defectează în poziţie închis

În cazul scenariului în care evenimentul iniţiator este LBLOCA ipotezelor de bază li se adaugă următoarele:


406

- IPECC şi MPECC sunt disponibile - JPECC este indisponibilă - sistemul de stropire în anvelopă este disponibil

11.8.1. Fenomenologia accidentelor severe cu deteriorarea zonei active După pierderea alimentării cu energie electrică, iniţial presiunea în ambele bucle ale STC descreşte în timp deoarece reactorul este declanşat iar căldura reziduală este evacuată de către agentul de răcire la GA care are o capacitate importantă pe partea secundară pentru a absorbi acestă cantitate de căldură. Căldura transferată secundarului GA va face ca vaporizarea apei să ducă la creşterea graduală a presiunii în secundar. MSSV-urile se vor deschide şi vor descărca aburul în mediu ambiant. Datorită acestui fapt, presiunea în secundar va oscila în jurul valorii de referinţă pentru deschiderea acestor ventile astfel încât MSSV-urile se vor deschide şi apoi se vor închide în mod repetat. Pe măsură ce vaporizarea continuă, nivelul de apă scade, iar când cantitatea de apă rămasă atinge o valoare foarte scăzută generatoarele de abur nu mai reprezintă o sursă de răcire pentru evacuarea căldurii din STC. Astfel, stocarea căldurii în STC va duce la creşterea presiunii agentului de răcire până cind se atinge valoarea de referinţă pentru deschiderea LVR-urilor după care va oscila în jurul acestei valori. Pierderea continuă de inventar de agent de răcire prin aceste ventile va conduce la apariţia dryout-ului în canalele de combustibil. În paralel, nivelul de moderator din vasul calandria descreşte gradat din cauza fierberii datorată căldurii reziduale primite de la canalele de combustibil şi neevacuate. Fierberea moderatorului va duce la creşterea presiunii în vasul calandria iar când presiunea va creşte suficient de mult, moderatorul va fi descărcat prin discurile de rupere. Scăderea nivelului moderatorului va duce în cele din urmă la neacoperirea cu apă a canalelor din rândurile de sus ale zonei active. Încălzirea ulterioară a tubului de presiune şi a tubului calandria la o presiune de ~10 MPa a STC va duce la ruperea acestora şi la o descărcare de agent de răcire în vasul calandria. Acest lucru va depresuriza rapid STC. Pierderea răcirii elementelor combustibile este datorată degradării transferului de căldură la fierberea masivă a agentului de răcire datorită pierderii GA ca sursă rece şi a pierderii de agent de răcire prin LVR-uri. În urma pierderii agentului de răcire din STC, elementele de combustibil încep să nu mai fie acoperite de apă. La atingerea temperaturii de aproximativ 900 K, tubul de presiune şi tubul calandria se vor rupe (datorită distribuţiei neuniforme a temperaturii pe circumferinţa canalului de combustibil şi presiunii ridicate din STC, pentru unele canale ruperea poate avea loc mai devreme). Când segmete axiale ale tubului de presiune şi ale tubului calandria ating condiţiile specifice prezentate mai sus, fragmente din canalul de combustibil se vor

Analize de accident

407

repoziţiona într-o zonă restrînsă şi sunt menţinute astfel pentru o anumită perioadă de timp sub forma unui strat de fragmente, figura 11-24. Acest strat suspendat de fragmente se va încălzi în continuare datorită căldurii de dezintegrare şi a reacţiei Zr-abur ceea ce va putea duce la o topire parţială a acestuia. În cele din urmă, materialul topit se va deplasa din poziţia avută în stratul suspendat de fragmente la baza vasului calandria unde va fi reudat de apă. Când masa stratului de fragmete suspendate depăşeşte o valoare limită, materialul din zona activă prezent în stratul suspendat şi majoritatea canalelor intacte vor cădea la partea inferioară a vasului calandria. După golirea vasului calandria de moderator, apa din chesonul calandriei acţionează ca o sursă rece exterioară peretelui vasului calandria, figura 11-25. Pe măsura tracerii timpului, datorită neevacuării căldurii apei din cheson, nivelul apei va coborî treptat. Când nivelul apei coboară dedesubtul vasului calandria, partea inferioară a vasului calandria se va încălzi rapid datorită căldurii generate de fragmentele din zona activă. Această încălzire va provoca ruperea vasului calandria iar fragmentele din zona activă (amestecul de material topit din zona activă a fost denumit corium) se vor deplasa în chesonul caladria unde vor fi răcite de apă.


408

Fig. 11-24 Deteriorarea zonei active

După scăderea continuă a nivelului de apă din cheson datorită vaporizării în cele din urmă şi chesonul calandriei va rămîne fără apă iar coriumul va interacţiona cu peretele de beton al chesonului. După atingerea unei adîncimi de penetrare a peretelui de beton de 2 m, acesta de consideră străpuns de corium care va interacţiona acum cu apa de pe podeaua anvelopei. În cazul scenariului în care evenimentul iniţiator este LBLOCA, fenomenologia iniţială a accidentului nu se va deosebi de cea uzuală, însă după epuizarea MPECC lipsa surselor reci pe timp ândelungat va impune o desfăţurare similară cu cea descrisă mai sus. În tabelele 11-4 şi 11-5 se prezintă rezultatele ce au fost obţinute pentru evoluţia în timp a fenomenelor termohidraulice asociate cele două evenimente iniţiatoare analizate.

Analize de accident

409

Fig. 11-25 Fragmente ale canalelor de combustibil

la partea inferioară a vasului calandria golit de moderator Tabelul 11-4 Evoluţia în timp a fenomenelor semnificative pentru pierderea totală a alimentării cu energie electrică

Timp (h) Eveniment 0,0 Pierderea alimentării cu energie

2,3 Golirea secundarului generatorului de abur 2,4 Prima deschidere a LRV-urilor 3,4 Fascicolele de elemente combustibile sunt neacoperite de apă (cel puţin într-un

canal) 4,1 Deschiderea discurilor de rupere a chesonului calandria 4,1 Cel puţin un canal de combustibil este uscat (fierbere completă a agentului de

răcire) 4,7 Moderatorul din vasul calandria atinge temperatura de saturaţie 5,5 Se deschid discurile de rupere ale vasului calandria 8,9 Tuburile de presiune şi tuburile calandria se rup 9,9 Începutul dezasamblării zonei active

19,2 Zona activa cade la partea inferioară a vasului calandria 19,4 Vasul calandria rămîne fără apă 25,3 Apa din chesonul calandria atinge temperatura de saturaţie 38,5 Anvelopa se deteriorează 59,2 Vasul calandria se rupe 59,2 Reacţie energică între corium şi apa din chesonul calandriei 64,6 Chesonul calandria rămîne fără apă


410

133,0 Peretele chesonului este penetrat datorită eroziunii Tabelul 11-5 Evoluţia în timp a fenomenelor semnificative pentru LBLOCA + pierderea surselor reci

Timp (h)

Eveniment

0,0 Rupere tip ghilotină a colectorului de ieşire din bucla 1 0,0015 Injecţia IPECC 0,0016 Sistemul de stropire în anvelopă în funcţiune 0,0068 Izolarea celor două bucle ale STC 0,0094 MSSV se deschid, începe răcirea rapidă a GA 0,027 Se termină injecţia IPECC 0,027 Începe injecţia MPECC 0,08 Sistemul de stropire în anvelopă rămîne fără apă 0,31 Se termină injecţia MPECC 0,60 GA din bucla 2 se golesc de apă 0,80 Elementele de combustibil din canalele de combustibil ale buclei 1 rămân

neacoperite de apă 4,0 GA din bucla 1 se golesc de apă 5,0 Cel puţin într-un canal al buclei 1 agentul de răcire a fiert complet 5,5 Apa din vasul calandria este la saturaţie 6,1 Elementele de combustibil din canalele buclei 2 rămân neacoperite de apă 7,0 Cel puţin într-un canal de combustibil din bucla 2 agentul de răcire a fiert

complet 7,3 Se deschid discurile de rupere ale vasului calandria 9,7 Tuburile de presiune şi tuburile calandria din bucla 2 se rup

10,1 Începutul dezasamblării zonei active 16,8 Zona activă cade la partea inferioară a vasului calandria 18,9 Vasul calandria rămîne fără apă 55,4 Vasul calandria se rupe 55,4 Reacţie energică între corium şi apa din chesonul calandriei 55,4 Anvelopa se deteriorează 55,4 Coriumul este descărcat în chesonul calandria 58,1 Chesonul calandria rămîne fără apă

122,0 Peretele chesonului este penetrat datorită eroziunii Ţinând cont de evoluţia fenomenelor în timp pentru scenariile celor două accidente putem să facem următoarele observaţii:

- accidentele severe cu deteriorarea zonei active la CANDU sunt foarte diferite faţă de PWR

- zona activă are o densitate mică de putere (16 MW/Mg per combustibil la putere nominală)

- timpi mari de încălzire (ore) - colaps treptat al zonei active într-un strat grosier de fragmente - dispersia resturilor zonei active într-un vas de dimensiuni mari (calandria)

ceea ce duce la o înălţime redusă a topiturii ∼ 1 m (răcire mai bună)

Analize de accident

411

- prezenţa a două surse de apă lîngă zona activă - potenţial de a opri accidentul sau de al încetini în două puncte

i. la nivelul canalului (moderator) ii. la nivelul calandriei (apa de protecţie din puţul reactorului)

Concluzionând cele prezentate în acest capitol, trebuie remarcat că cerinţele de proiect pentru micşorarea consecinţelor unor accidente severe la reactorii noi impun o zonă de împrăştiere a fragmentelor din zona activă în scopul realizării unui strat de fragmente de înălţime cât mai mică şi abilitatea de a injecta apă pentru a răci aceste fragmente. Proiectul CANDU 6, aşa cum arată la ora actuală, are deja incluse aceste cerinţe: calandria împrăştie fragmentele din zona activă şi apa de protecţie din puţul reactorului asigură apă de răcire. Timpul lung de desfăşurare a accidentului acordă o perioadă importantă de timp operatorilor pentru a acţiona. Există preocupări pentru îmbunătăţirea proiectului astfel încât să se asigure o protecţie sporită faţă de accidentele severe. Aceste preocupări legate de reducerea consecinţelor accidentelor severe sunt legate de următoarele aspecte: – Asigurarea posibilităţii de a alimenta cu apă moderatorul şi/sau chesonul

calandria şi/sau protecţiile de capăt. Alimentarea cu apă a vasului calandria va preveni transformarea unui accident sever într-un accident sever care să ducă la deteriorarea zonei active, în timp ce în celelalte cazuri va limita la interiorul vasului calandria propagarea accidentului. Deoarece pierderea alimentării cu energie electrică şi/sau apa brută de răcire sunt factori care conduc în cele mai multe situaţii la accidente severe, rezervele de apă ar trebui să fie acţionate pasiv (prin cădere gravitaţională) sau de pompe portabile acţionate de motoare diesel. Acest lucru va asigura o mai mare independenţă faţă de cauzele care au contribuit la accidentul sever.

– Asigurarea pe termen lung a posibilităţii de a evacua căldura din anvelopă şi de

recirculare a apei introduse în chesonul sau vasul calandria. – La PWR, una din măsurile gândite pentru a reduce consecinţelor accidentelor

severe prevede modificarea compoziţiei betonului aflat dedesubtul vasulului de presiune de aşa manieră încât să nu elibereze mari cantităţi de dioxid de carbon, gaz care contribuie la creşterea presiunii în anvelopă, atunci când acesta este atacat de coriumul topit. La CANDU acest lucru nu ar mai deveni necesar dacă sunt luate măsuri suficiente pentru a opri repoziţionarea fragmentelor din zona activă la nivelul vasului calandria.


412

– Controlul concentraţiei de hidrogen din anvelopă. Deja unele proiecte CANDU au încorporat arzătoare de hidrogen în interiorul anvelopei pentru controlul hidrogenului ce ar putea rezulta în anvelopă în urma unui accident bază de proiect. De asemenea, pot fi utilizate şi unităţi pasive, ca de exemplu, unităţile de recombinare.

– Posibilitatea aprovizionării cu apă de alimentare la avarie la presiune ridicată

pentru generatorii de abur. Acest lucru elimină necesitatea acţiunilor manuale sau automate pentru depresurizarea GA. Din contră, dacă GA sunt depresurizate, alimentarea cu apă la avarie a GA prin metode pasive, dintr-un rezervor prin cădere gravitaţională, poate fi un avantaj major în reducerea consecinţelor unui accident sever în care s-a pierdut alimentarea cu energie alectrică.

– Dezvoltarea unor programe, poceduri şi linii directoare pentru managementul accidentelor severe care conduc la deteriorarea zonei active. Urmare a acestui lucru se asigură că operatorii vor utiliza în mod avantajos caracteristicile CANDU de reducere a consecinţelor accidentelor severe.

11.9. CODURI UTILIZATE ÎN ANALIZELE DE SECURITATE NUCLEARĂ LA CANDU În încheierea acestui capitol vor fi trecute pe scurt în evidenţă principalele coduri de calcul utilizate în analizele de securitate, prezentându-se caracteristicile specifice şi domeniul de utilizare pentru fiecare din ele: ELESTRES

- Descrie comportarea elementului combustibil CANDU în condiţii normale de funcţionare

- Datele de ieşire constau în informaţii despre: distribuţia produselor de fisiune în interiorul elemetului combustibil; presiunea internă datorită produselor de fisiune gazoase; temperatura în combustibil; densitatea de putere; efortul mecanic asupra pastilei de UO2

CATHENA , RELAP5

- Utilizate la analizele termohidraulice. Utilizează modelul celor două fluide pentru curgerea bifazică monodimensională. Poate fi modelat întreaga centrală plecând de la elemente de bază (volum de control şi joncţiune de legătură între volume). Sunt prevăzute deasemenea modele pentru compo-nente specifice: pompe, vane, cinetica reactorului, etc. Modelele mate-

Analize de accident

413

matice ce descriu relaţiile constitutive redau cea mai bună estimare posibilă pentru fenomenele fizice implicate.

CHAN II

- Utilizat la modelarea comportării canalului de combustibil din punct de vedere termohidraulic şi chimic în condiţiile unui debit scăzut de abur.

- Cuantifică efectele debitului de abur, reacţiei metal/apă şi transferul de căldură prin radiaţie asupra temperaturii combustibilului şi a generării de hidrogen

ELOCA

- Modelează un sigur element combustibil în principal pentru răspunsul termo-mecanic tranzitoriu în urma unui accident

TUBRUPT

- Utilizat pentru a afla ce se întîmplă în vasul calandria după ruperea unui tub de presiune

- Modelează comportarea hidrodinamică din vasului calandria în regim tranzitoriu, avarierea barelor de oprire, posibila rupere a altor canale adiacente

PHEOENICS

- Utilizat pentru calculul temperaturilor locale în moderator în urma unui accident. Acest lucru este important pentru stabilirea integrităţii canalului de combustibil (în accidente de tipul LOCA fără ECC) deoarece temperatura locală determină marginea de subrăcire.

- Geometrie tridimensională

MAAP4-CANDU - Utilizat la analiza accidentelor severe care conduc la degradarea zonei

active. Calculează evoluţia accidentelor severe plecând de la condiţiile normale de funcţionare ale centralei, o categorie de defecte ale sistemelor centralei şi evenimente iniţiale care conduc la descărcarea inventarului de agent de răcire sau fierberea în totalitate a agentului de răcire, încălzirea şi topirea zonei active, deteriorarea canalelor de combustibil, a vasului calandria, a chesonului calandria şi a anvelopei.

- Include în anumite modele posibilităţi de evaluare a unor măsuri ce pot fi luate pentru reducerea consecinţelor accidentului.

- Timpul de rulare este de aproximativ o sută de ori mai rapid decât timpul real


414

analize de securitate

Documents