Undersøgelse af sifon Breaker eksperiment og Simulation for en forskningsreaktoren

Summary

Sifon bryde fænomenet blev undersøgt eksperimentelt og teoretisk model blev foreslået. En simulation program baseret på den teoretiske model blev udviklet og resultaterne af programmet simulation blev sammenlignet med eksperimentelle resultater. Det blev konkluderet, at resultaterne af programmet simulation matchede de eksperimentelle resultater godt.

Abstract

Betingelser design af en forskningsreaktoren kan sifon fænomen fremkaldt af rør brud forårsage kontinuerlig udadgående strøm af vand. For at forhindre, at denne udstrømning, er en betjeningsanordning påkrævet. En sifon breaker er en form for sikkerhed enhed, der kan udnyttes til at styre tabet af kølervæske vand effektivt.

For at analysere Karakteristik af sifon bryde, blev en real-skala eksperiment udført. Fra resultaterne af forsøget konstateredes det, at der er flere design faktorer, der påvirker den sifon bryde fænomen. Derfor er der behov for at udvikle en teoretisk model i stand til at forudsige og analysere den sifon bryde fænomen under forskellige design. Ved hjælp af eksperimentelle data, var det muligt at formulere en teoretisk model, der præcist forudsiger forløbet og resultatet af den sifon bryde fænomen. Den etablerede teoretiske model er baseret på fluid mekanik og inkorporerer Chisholm model til at analysere tofasede flow. Fra Bernoullis ligning, hastighed, mængde, kunne undershooting højde, vandstand, tryk, friktion og faktorer relateret til den tofasede flow opnås eller beregnes. Desuden, for at udnytte den standardformular, som udarbejdes i denne undersøgelse, en sifon breaker analyse og design program blev udviklet. Simulation program fungerer på den teoretiske model grundlag og returnerer resultatet som en graf. Brugeren kan bekræfte muligheden for sifon bryde ved at kontrollere formen på grafen. Desuden er muligt at gemme hele simulation resultat og det kan bruges som en ressource til at analysere de reelle sifon bryde systemet.

Til sidst, kan brugeren bekræfte status af sifon bryde og design den sifon breaker system ved hjælp af programmet udviklet i denne undersøgelse.

Introduction

Antallet af reaktorer ved hjælp af plade-type brændstof, som Jordan forskning og uddannelse reaktor (JRTR) og KiJang forskning reaktor (KJRR), er steget for nylig. For at forbinde plade-type brændstof nemt, kræver at forskningsreaktoren en kerne nedadgående flow. Da forskningsreaktorer kræver netto positiv vakuumhoved af primære kølesystemet, kunne nogle køling systemkomponenter potentielt installeres under reaktoren. Men hvis pipe brud opstår i den primære kølesystem under reaktoren, hævert-virkning forårsager løbende dræning af kølevæske, som kan resultere i reaktoren eksponering for luft. Det betyder at den overskudsvarme ikke kan fjernes, hvilket kunne føre til en alvorlig ulykke. Derfor, i tilfælde af tab af kølervæsken ulykke (LOCA), en sikkerhedsanordning, der kan forhindre en alvorlig ulykke er nødvendige. En sifon breaker er sådan en sikkerhedsanordning. Det kan effektivt forebygge kloakering ved hjælp af en indtraengen af luft. Hele systemet kaldes sifon bryde systemet.

Flere undersøgelser til forbedring af forskning reaktorsikkerhed er blevet gennemført. McDonald og mår¹ udført et eksperiment for at bekræfte udførelsen af en sifon bryde ventil som et aktivt opererer breaker. Neill og Stephens² udført et eksperiment ved hjælp af en hævert breaker som et passivt betjente enhed i en små rør. Sakurai³ foreslås en analytisk model til at analysere den sifon bryde, hvor en helt separat luft-vand flow model blev anvendt.

Sifon bryde er yderst kompliceret, fordi der er mange parametre, der skal overvejes. Derudover fordi eksperimenter for real-skala forskningsreaktorer ikke er blevet udført, er det vanskeligt at anvende tidligere undersøgelser til moderne forskningsreaktorer. Derfor, tidligere undersøgelser har ikke præsenteret en tilfredsstillende teoretisk model for sifon bryde. Af denne grund, blev en real-skala eksperiment udført for at etablere en teoretisk model.

For at undersøge effekten af sifon breaker på en forskningsreaktoren, blev real-skala verifikation eksperimenter udført af Pohang Universitet for videnskab og teknologi (POSTECH) og Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI)^{4,5 ,6}. Figur 1 er det faktiske facilitet til sifon breaker eksperiment. Figur 2 viser et skematisk diagram over anlægget og det omfatter facilitet mark.

Figur 1. Facilitet for sifon bryde demonstration eksperiment. Hovedrøret fylder 16 i og en akryl vindue er installeret til observation. Blænde er en enhed, der er parat til at beskrive trykfald. Derfor er der en blænde forsamling del nederst i den øvre tank. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2. Skematisk diagram over det eksperimentelle facilitet. Placeringen af målepunkter er præsenteret. Tallene angiver disse relevante steder; punkt 0 betyder indgangen til sifon breaker, punkt 1 betyder vandstanden, punkt 2 betyder den tilsluttede del af sifon breaker og hovedrøret og punkt 3 betyder LOCA stilling. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Sifon breaker eksperimentelle anlægget består af en øvre tank, en lavere tank, et rørsystem og en retur pumpe. Den øvre tank kapacitet er 57,6 m³. Det nederste område og dybden er 14,4 m² (4 m x 3,6 m) og 4 m, henholdsvis. Lavere tank og LOCA stilling er placeret 8,3 m under den øvre tank. Den lavere tank kapacitet er 70 m³. Den lavere tank bruges til at gemme vandet under eksperimentet. Den lavere tank er tilsluttet den Returpumpen. Vandet i den lavere tank pumpes ind i den øvre tank. Hovedrøret fylder rørsystemet 16 i. I slutningen af sifon Breaker linje (SBL) er placeret 11,6 m højt over den nederste rør brud punkt. Derudover installeret akryl windows på rør til visualisering, som vist i figur 1.

Flere enheder blev installeret for at måle de fysiske signaler. To absolut Tryktransducere (APTs) og tre differenstryk transducere (DPTs) blev brugt. For at måle massestrømmen af vand, blev en Ultralydsflowmåler brugt. En dataoptegningssystem blev brugt til at få alle måledata på 250 ms tidsintervaller. Ud over udstyr til måling, kameraer blev installeret for observation og en lineal var fastgjort på indersiden af den øverste tank til at kontrollere vandstanden.

Forskellige LOCA og sifon breaker (SB) størrelser, sifon breaker typer (linje/hul) og tilstedeværelsen af blænde vedrørende reaktorbrændsel og rør brud punkt blev behandlet i eksperimentet. For at kontrollere effekten af LOCA og SBL størrelse, forskellige størrelser af LOCA og SBL blev brugt. LOCA størrelser varierede fra 6 til 16 i og SBL størrelser varierede fra 2 til 6 i. I eksperimentet, line og hul type af sifon breakers blev brugt, men følgende indhold i denne undersøgelse vurderer kun typen SBL anvendes i JRTR og KJRR. Som et eksempel på eksperimentelle resultater er figur 3 en graf, der omfatter pres og vand flow hastighed data. Eksperimentet blev udført på 4 oktober 2013 og den eksperimentelle data prøve er LN23 (linjetype SB, ingen blænde, 12 i LOCA, 2.5 i SBL).

Fra eksperimentdata, blev den teoretiske model, som kan forudsige sifon bryde fænomen etableret. Den teoretiske model begynder med Bernoulli ligning. Hastigheden af væske er fremstillet af Bernoulli ligning og den volumetriske strømningshastighed kan fås ved at multiplicere hastigheden af væske af rør-området. Derudover kan vandstanden opnås ved hjælp af den volumetriske strømningshastighed. Det grundlæggende koncept for den teoretiske model er som ovenfor. Men da den sifon bryde fænomen er en 2-faset strøm, der er yderligere punkter skal tages i betragtning. For at overveje en tofasede flow analyse model, blev en nøjagtighed kontrol test udført. Da Chisholm model var mere præcis end en ensartet model, anvendes Chisholm model til at analysere fænomenet. Ifølge modellens Chisholm er tofasede multiplikator formel udtrykt som ligning 1⁷. I denne ligning, ф repræsenterer den tofasede multiplikator, Rho repræsenterer tæthed og X repræsenterer kvalitet.

(1)

p class = “jove_content” > i Chisholm model, en koefficient B, der varierer med massestrøm var inkluderet. I sidste ende, afledning af en korrelation formel mellem Chisholm koefficient B og reaktor design betingelser er et væsentlig punkt af den teoretiske model. Med andre ord, var en anden formålet med forsøget at opnå data for at fastslå forholdet mellem design betingelser og Chisholm koefficient B. Fra testresultater, blev en korrelation formel mellem design betingelser og Chisholm koefficient B etableret. Den resulterende teoretiske model blev udviklet til at forudsige den sifon bryde fænomen godt.

Derudover blev en simulation program med en grafisk User Interface (GUI) udviklet. Ved overgangen af absolut tryk data i figur 3, fænomenet kan opdeles i tre faser: tabet af kølervæske (enfasede flow), sifon breaking (tofasede flow) og Steady state. Algoritmen vigtigste beregningsprocessen omfatter således en tre-trins proces svarer til de tre faser i den virkelige fænomen. Herunder beregningsprocessen, den hele algoritme til at beskrive simulation proces er vist i figur 4⁸.

Ved hjælp af software (Se supplerende Video 1) for at starte simuleringen, brugeren indtaster de inputparametre, der svarer til forhold, design og input parametre gemmes som faste værdier. Hvis brugeren provenuet med simulation efter indtastning af parametrene, udfører programmet beregningen første skridt. Det første skridt er enfasede beregning, som er beregningen for tab af kølervæske hævert-virkningen efter rør brud. Variablerne, der beregnes automatisk af den teoretiske model (som i Bernoullis ligning, massestrøm bevarelse, etc.), og beregningen af provenuet fra parametre input fra brugeren. Beregningsresultaterne gemmes fortløbende i computerhukommelsen ifølge den enhed, der er udpeget af brugeren.

Hvis vandstanden dråber nedenfor position 0, betyder det, at slutter den enfasede flow, fordi luften begynder at haste ind i SBL i dette øjeblik. Derfor, det første skridt for enfasede flow fortsætter indtil vandstanden når position 0. Når vandstanden er på position 0, betyder det, at den undershooting højde er nul. Den undershooting højde er højdeforskellen mellem indgangen til SBL og den øvre tank vand efter at sifon bryde. Med andre ord, angiver undershooting højde, hvor meget vandstanden faldet under den sifon bryde. Den undershooting højde er derfor en vigtig parameter, fordi det ville tillade direkte bestemmelse af mængden af kølemiddel tab. Derfor bestemmer programmet i slutningen af første-trin beregnet efter den undershooting højde.

Hvis undershooting er større end nul, udfører programmet en anden skridt beregning, der kan simulere tofasede flow. Fordi både vand og luft flow er til stede i den sifon bryde fase, skal de fysiske egenskaber af både væsker overvejes. Værdierne i to faser multiplikator, kvalitet og ugyldige brøkdel er derfor i denne beregning trin. Specielt, bruges den ugyldige brøkværdi som slutter kriteriet om beregningen af andet trin. Den ugyldige brøkdel kan udtrykkes som forholdet mellem luft flow til summen af luft og vand strømme. Andet trin beregningen fortsætter indtil den ugyldige brøkværdi (α) er over 0,9. Når α er over 0,9, provenu den tredje trin beregning, som beskriver steady state. Teoretisk set, det sluttede kriterium for sifon bryde er α = 1, da kun luft findes i røret på dette tidspunkt. I dette program, er slutningen kriterierne for sifon bryde dog α = 0,9 for at undgå eventuelle fejl i beregningsprocessen. Derfor, en delvis tab af resultater er uundgåelige, men denne fejl kan være ubetydelig.

Steady state beregning provenuet under tidspunktet angivet af brugeren. Fordi der er ingen yderligere ændringer, er steady state karakteriseret i denne beregning resultat værdier er altid konstant. Hvis sifon bryde er vellykket, forbliver det endelige niveau for vand i den øvre tank på en bestemt værdi, ikke nul. Men hvis sifon bruddet ikke er udført, kølevæske bliver næsten tabt, og det endelige niveau for vandet nærmer sig nul værdi. Derfor, hvis vandstanden værdi er lig med nul i steady state, angiver det, at given design ikke er tilstrækkelig til at fuldføre sifon breaking.

Efter beregningen, kan brugeren bekræfte resultaterne på forskellige måder. Resultaterne viser status for sifon bryde, sifon banebrydende fremskridt og singularitet. Simulation program kan forudsige og analysere fænomenet realistisk og hjælpe med design af sifon breaker system. I dette præsenteres papir, eksperiment protokol, resultaterne af forsøget, og anvendelsen af simulation program.

Protocol

1. eksperimentel Procedure 4 , 5 , 6 forberedelse trin Kontroller det eksperimentelle facilitet. Baseret på den Overhøre Matrice, nøje kontrollere test matrix test betingelser, såsom LOCA størrelse, SBL størrelse, sifon breaker typer, og tilstedeværelsen af blænde, før eksperimentet. Også, test for at bekræfte, Instrumentation og komponenter af anlægget fungerer korrekt uden data støj eller fun…

Representative Results

Hele processen med HAEVERT bryder består af tre faser. Den første fase er udstrømning af kølemiddel hævert-virkningen. Anden fase er processen starter tilstrømningen af luft gennem SBL at blokere tabet af kølervæske, kaldet sifon breaking. Sifon breaking fænomen kan ses som en kraftig stigning på absolut tryk i figur 3. Efter den absolutte trykket stiger hurtigt, er det gradvist reduceret på grund af vandstanden faldet. I slutningen af sifon bryde,…

Discussion

En sifon breaker er et passivt drives sikkerhedsanordning, der bruges til at forhindre tab af kølervæsken, når der sker en pipe brud ulykke. Det er imidlertid vanskeligt at anvende til moderne forskningsreaktorer, fordi der er ingen eksperiment for real-skala forskningsreaktorer. Af denne grund, blev real-skala eksperimentet udført af POSTECH og KAERI. Formålet med forsøget var at bekræfte, at sifon bruddet er muligt på real-skala størrelse, og for at identificere faktorer, der påvirker sifon breaking. Eksperim…

Materials

Absolute pressure transducer	Sensor Technics	CTE9000	0.05% full-scale error
Differential pressure transducer	Setra	C230	0.25% full-scale error
Ultrasonic flow meter	Tokyo Keiki	UFP-20	Resolution 0.01m^3/h
Visual Studio 2012	Microsoft	Windows 8	Microsoft Foundation Class
E.R.W. steel pipe	Hyundai Hysco	KS D 3507(SPP)	400A(out dia.) x 7.9mm(thickness)