Рисунок 1 – Схема моделирования гермозоны

Расчетная модель модернизированного приямка. Для корректного моделирования эффектов рециркуляции была внедрена модель модернизированного приямка гермозоны с сетчатым фильтром [6].
Для достижения большой фильтрационной площади были установлены фильтрационные модули с прямоугольным сечением, число и размер которых были определены, основываясь на:
количестве генерируемого мусора;
оценке эффектов потока;
расчетах гидравлического сопротивления фильтра и предварительных гидравлических тестов.
Проект предусматривает 65 м² фильтрационной поверхности. Фильтрационная поверхность состоит из стальных перфорированных листов толщиной 4 мм с отверстиями диаметром 10 мм. Внешняя поверхность перфорированных листов покрывается сеткой с размером стороны ячейки 0,7 мм.
Приямок и фильтры были смоделированы при помощи двух объемов. Первый объем представляет нефильтруемый объем приямка, второй – объем внутри фильтрующих модулей. Эти два объема разделены сеткой (Рис. 2). 

Рисунок 2 – Схема моделирования приямка гермозоны

Для моделирования эффекта засорения фильтра была использована специальная модель COCOSYS. Данная модель решает следующее уравнение для расчета гидравлического сопротивления вследствие накопления мусора:, (1)где  – дополнительные потери давления, Па;  – коэффициент потерь;  – плотность покрытия мусором, кг/м²;  – скорость потока, м/с.
Как следует из уравнения, потери давления вследствие накопления мусора зависят от плотности покрытия мусора и коэффициента потерь. Данный коэффициент определяется экспериментальным путем. Для ААЭС данный коэффициент был определен на экспериментальной установке, эксплуатируемой VUEZ, и согласно полученным результатам для разрыва трубопровода эквивалентным диаметром 200 мм плотность покрытия мусором составляет 2,1 кг/м², а потери давления – 3,3кПа. Исходя из этого значения, был рассчитан коэффициент потерь для расхода 1550 м³/час (максимальный проектный поток), который равен 4^.10⁹.

Интерпретация и анализ результатов расчетов. Во время расчетов были оценены возможности спринклерной системы и взрывных клапанов поддерживать давление в герметических помещениях ниже атмосферного для предотвращения выхода радионуклидов за пределы герметической оболочки. Кроме того, на основе результатов расчета был оценен допустимый кавитационный запас (ДКЗ) насосов спринклерной системы и САОЗ. 
Вследствие разрыва и поступления пароводяной смеси в герметические помещения давление начинает повышаться и на 5-й секунде от начала аварии доходит до уставки открытия взрывных клапанов. Однако из-за сопротивления клапанов их полное открытие происходит с задержкой, и давление продолжает повышаться, достигая на 8-й секунде максимального значения – 0,195 МПа. Начиная с этого момента и до 300-й секунды клапаны периодически открываются, и давление в герметических помещениях не превышает значения 0,2 МПа (проектный предел). После 300-й секунды давление в герметических помещениях начинает снижаться по причине работающей спринклерной системы (система активируется на 48-й секунде) и на 940-й секунде от начала аварии достигает атмосферного. Поскольку спринклерная система непрерывно конденсирует пар, давление продолжает снижаться и достигает значения 0,061 МПа на 3260-й секунде. Необходимо отметить, что на ААЭС отсутствует уставка автоматического отключения спринклерной системы, и система продолжает работать, несмотря на сильное разрежение. Начиная с 3260-й секунды давление в герметических помещениях медленно повышается и на 37000-й секунде достигает атмосферного (Рис. 3).

Рисунок 3 – Изменение давления в гермозоне во время аварии

В данных расчетах было учтено засорение сетчатого фильтра приямка гермозоны мусором, сгенерированным при разрыве дыхательного трубопровода, на 300-й секунде с начала аварии. Как было указано выше, при засорении фильтра приямка создается дополнительное гидравлическое сопротивление, которое приводит к снижению расхода в приямок и, следовательно, к уменьшению количества поступающей воды в бак аварийного запаса борной кислоты. После засорения фильтра начинается заполнение объема фильтра, и на 2978-й секунде уровень воды в приямке сравнивается с уровнем воды на полу гермозоны. Дальнейший рост уровня воды в герметических помещениях продолжается до 10000-й секунды. К этому времени гидростатическое давление, образующееся за счет уровня воды, компенсирует сопротивление, создаваемое засорением поверхности фильтра, и расход воды в бак аварийного запаса борной кислоты сравнивается с количеством воды, подаваемой на всас насосов САОЗ и спринклерной системы. Начиная с этого момента уровень воды в баке аварийного запаса борной кислоты остается на уровне 3,91 м (Рис. 4). 

Рисунок 4 – Изменение уровня воды в баке Б-8/2

Для оценки кавитационного запаса (КЗ) насосов САОЗ и спринклерной системы использовалась формула

КЗ=, (2)

где  – уровень воды в баке аварийного запаса борной кислоты, м;  – высотная отметка всаса насоса, м;  – давление в герметических помещениях, Па;  – давление насыщения на всасе насоса при заданной температуре,Па;  – потери напора на импеллере насоса, Па;  – плотность воды, кг/м³;  – гравитационная константа, м/с².
Согласно техническим характеристикам насосов САОЗ ВД и спринклерной системы, необходимый кавитационный запас должен составлять 6 и 8 м соответственно. Как видно из результатов, кавитационный запас насосов САОЗ ВД ниже необходимого значения начиная с 2500-й секунды и до 5000-й секунды аварии включительно (Рис. 5).

Рисунок 5 – Значение кавитационного запаса для насосов САОЗ ВД

Для насосов спринклерной системы значение кавитационного запаса ниже допустимого в течение временного отрезка с 1600-й секунды и до 13000-й секунды включительно (Рис. 6).

Рисунок. 6 – Значение кавитационного запаса для насосов спринклерной системы

Для определения условий, при которых КЗ насосов был на допустимом уровне, были проведены дополнительные расчеты. Для оценок были выбраны консервативные условия в гермозоне. Поскольку в рамках программы комплексной модернизации ААЭС минимально допустимое значение давления в гермозоне было равно 0,085 МПа, то для оценки ДКЗ было выбрано данное значение.
Для насосов САОЗ ВД при максимальной температуре в баке запаса борного раствора Б-8/2 79⁰С и давлении в гермозоне, равном 0,085 МПа, необходимый кавитационный запас будет достигнут при уровне в баке, равном 2,71 м (Таблица 1).

Для насосов спринклерной системы при тех же консервативных условиях необходимый кавитационный запас будет достигнут при уровне в баке, равном 3,98 м (Таблица 2). Отклонение от рассчитанного минимального уровня – 3,91 мсоставляет 1,8%.

Выводы. Основываясь на результатах анализов аварии с двусторонним разрывом дыхательного трубопровода КД, можно сделать следующие выводы:

Пиковое давление в гермозоне равно 0,195 МПа, что не превышает максимально допустимого значения 0,2 МПа.
Непрерывная работа спринклерной системы приводит к снижению давления в гермозоне ниже атмосферного давления. В частности, в данных расчетах было достигнуто значение 0,061 МПа, что ниже минимально допустимого предела – 0,085МПа. Следовательно, необходимо внедрение защиты от сильного разрежения.
Расчет кавитационного запаса для насосов САОЗ ВД и спринклерной системы показал, что во время аварии значение кавитационного запаса ниже необходимого кавитационного запаса. Были проведены дополнительные исследования по выявлению минимального давления в гермозоне, при котором кавитационный запас будет выше минимально допустимого значения. Из результатов расчетов следует, что значение кавитационного запаса остается в допустимых пределах, если давление в гермозоне выше 0,085 МПа.