Studie med sifon Breaker Experiment och simuleringar för en forskningsreaktor

Summary

Sifonen bryta fenomenet undersöktes experimentellt och en teoretisk modell föreslogs. Ett simuleringsprogram som utifrån den teoretiska modellen utvecklades och resultaten av programmet simulering jämfördes med experimentella resultat. Slutsatsen var att resultaten av programmet simulering matchade experimentella resultat väl.

Abstract

De villkor som design av en forskningsreaktor, kan sifon fenomen induceras av rörbrott orsaka kontinuerlig utflödet av vatten. För att förhindra detta utflöde, behövs en kontrollenhet. En sifon brytare är en typ av säkerhetsanordning som kan utnyttjas för att kontrollera förlusten av kylvätska vatten effektivt.

För att analysera egenskaperna hos sifon bryta, genomfördes ett real-skala experiment. Från resultaten av experimentet konstaterades det att det finns flera design-faktorer som påverkar sifon bryta fenomen. Därför finns det ett behov att utveckla en teoretisk modell som kan förutsäga och analysera sifon bryta fenomen på olika design villkor. Med hjälp av experimentella data, var det möjligt att formulera en teoretisk modell som noggrant förutsäger utvecklingen och resultatet av hävert bryta fenomen. Den etablerade teoretiska modellen bygger på strömningslära och inlemmar Chisholm modellen för att analysera två faser flöde. Från Bernoullis ekvation, hastighet, kvantitet, kan minuslandar höjd, vattennivån, tryck, friktionskoefficient och faktorer relaterade till tvåfas flödet erhållits eller beräknas. Dessutom för att utnyttja den förebild som upprättats i denna studie, utvecklades en sifon breaker analys och design programmet. Simulering programmet fungerar på grundval av teoretisk modell och returnerar resultatet som en graf. Användaren kan bekräfta möjligheten att vattenlåset att bryta genom att markera formen på grafen. Dessutom är det möjligt att spara hela simulering resultatet och det kan användas som en resurs för att analysera verkliga sifon breaking system.

Sammanfattningsvis kan användaren bekräfta status för den sifon bryta och design sifon breaker systemet med hjälp av det program som utvecklats i denna studie.

Introduction

Antalet reaktorer använder plattan-typ bränsle, till exempel Jordanien forskning och utbildning reaktorn (JRTR) och KiJang forskning reaktorn (KJRR), har ökat den senaste tiden. För att enkelt ansluta plattan-typ bränslet, kräver forskningsreaktorn ett core nedåtgående flöde. Eftersom forskningsreaktorer kräver netto positiva sughöjd av primära kylsystemet, kunde potentiellt några kylning systemkomponenter installeras under reaktorn. Men om rörbrott uppstår i primära kylsystemet under reaktorn, orsakar sifon effekten kontinuerlig dränering av kylvätska som kan resultera i exponering av reaktorn i luften. Detta innebär att restvärmen inte kan avlägsnas, vilket kan leda till en allvarlig olycka. I händelse av en förlust av kylvätska olycka (LOCA) därför en säkerhetsanordning som kan förhindra en allvarlig olycka nödvändigt. En sifon breaker är sådan en säkerhetsanordning. Det kan effektivt förhindra vattenavrinning med hjälp av en översvämning av luft. Hela systemet kallas sifon breaking system.

Flera studier för att förbättra reaktorsäkerhet forskning har genomförts. McDonald och Mårten¹ genomförde ett experiment för att bekräfta en sifon bryta ventilen som en aktivt-drift breaker prestanda. Neill och Stephens² utfört ett experiment med en sifon brytare som ett passivt drivna enhet i ett små rör. Sakurai³ föreslås en analytisk modell för att analysera sifon bryta där en modell för flödet av helt separat luft-vatten applicerades.

Sifon bryta är extremt komplexa eftersom det finns många parametrar som måste beaktas. Dessutom eftersom experiment för real-skala forskningsreaktorer inte har utförts, är det svårt att tillämpa tidigare studier på modern forskningsreaktorer. Tidigare studier har därför inte lagt fram en tillfredsställande teoretisk modell för siphon bryta. Därför genomfördes ett real-skala experiment för att fastställa en teoretisk modell.

För att undersöka effekten av hävert brytaren på en forskningsreaktor, utfördes real-skala verifiering experimenten av Pohang-universitetet för vetenskap och teknik (POSTECH) och Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI)^{4,5 ,6}. Figur 1 är faktiska anläggning för sifon breaker experimentet. Figur 2 visar en schematisk bild av anläggningen och det inkluderar varumärket anläggning.

Figur 1. Anläggning för sifon bryta demonstration experimentet. Huvudröret storlek är 16 i och en akryl fönster installeras för observation. Öppningen är en enhet beredda att beskriva tryckfall. Därför finns det en öppning församlingen del på botten av den övre tanken. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2. Schematisk bild av experimentanläggning. Placeringen av mätningen presenteras. Siffrorna anger dessa relevanta ställen, punkt 0 betecknar ingången till sifon brytaren, punkt 1 betecknar vattennivån, punkt 2 betecknar den anslutna delen av hävert brytaren och huvudröret och punkt 3 betecknar LOCA position. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Sifon breaker experimentella anläggningen består av en övre tank, en lägre tank, ett rörsystem och en återvändande pump. Kapaciteten för övre tanken är 57,6 m³. Den nedre delen och djupet är 14,4 m² (4 x 3,6 m) och 4 m, respektive. Den lägre tank och LOCA position är ligger 8,3 m nedanför övre tanken. Kapaciteten för lägre tanken är 70 m³. Lägre tanken används för att lagra vattnet under experimentet. Lägre tanken ansluts till återvändande pumpen. Vattnet i den nedre tanken pumpas in i övre tanken. Huvudröret storleken av rörsystem är 16 i. I slutet av hävert Breaker linje (SBL) är ligger 11.6 m högt ovanför nedre röret brista punkt. Dessutom installeras akryl windows på röret för visualisering, som visas i figur 1.

Flera enheter installerades för att mäta de fysiska signalerna. Två absolut tryckgivare (APTs) och tre differentierad tryckgivare (standardprinciptaggar) användes. För att mäta massflödet av vatten, användes en ultraljud flödesmätare. Ett system för datainsamling användes för att få alla mätdata på 250 ms tidsintervall. Utöver utrustningen för mätning, kamerorna installerades för observation och en linjal fästes på innervägg övre tanken att kontrollera vattennivån.

Olika LOCA och sifon breaker (SB) storlekar, sifon breaker typer (Line/hål) och förekomsten av orifice angående reaktorbränsle och pipe bristning punkten ansågs i experimentet. För att kontrollera effekten av LOCA och SBL storlek, olika storlekar på LOCA och SBL användes. LOCA storlekarna varierade från 6-16 i och SBL storlekarna varierade från 2 till 6 i. I experimentet, linje och hål typ av hävert brytare användes, men följande innehåll av denna studie anser endast den SBL-typ som används i JRTR och KJRR. Som ett exempel av experimentella resultat är figur 3 ett diagram som innehåller oljetryck och flöde klassar data. Experimentet genomfördes den 4 oktober 2013 och experimentella data provet är LN23 (linjetyp SB, ingen öppning, 12 i LOCA, 2,5 i SBL).

Från experiment data upprättades en teoretisk modell som kan förutsäga sifon bryta fenomen. Den teoretiska modellen börjar med Bernoullis ekvation. Hastigheten av vätska erhålls av Bernoullis ekvation och det volymetriska flöde som kan erhållas genom att multiplicera hastigheten hos vätskan genom området pipe. Dessutom kan vattennivån erhållas med hjälp av volymetriska flöde. Det grundläggande konceptet för den teoretiska modellen är som ovan. Det finns dock ytterligare punkter beaktas eftersom sifon bryta fenomenet är en tvåfas flöde. För att betrakta en modell för analys av tvåfas flödet, utfördes ett precisionstest för verifiering. Eftersom Chisholm modellen var mer korrekt än en homogen modell, används Chisholm modellen för att analysera fenomenet. Enligt modellen Chisholm uttrycks two-phase multiplikator formeln som ekvation 1⁷. I denna ekvation, ф representerar två faser multiplikatorn, ρ representerar densitet och X representerar kvalitet.

(1)

p-klass = ”jove_content” > i the Chisholm modell, en koefficient B som varierar med massflödet ingick. I slutändan, härledning av en korrelation formel mellan Chisholm koefficient B och reaktor design villkor är en viktig punkt i den teoretiska modellen. Med andra ord, var en annan syftet med experimentet att få fram uppgifter för att fastställa förhållandet mellan design villkor och Chisholm koefficient B. Från resultaten upprättades en korrelation formel mellan design villkor och Chisholm koefficient B. Den resulterande teoretisk modellen utvecklades för att förutsäga sifon bryta fenomenet väl.

Dessutom utvecklades ett simuleringsprogram med ett grafiskt användargränssnitt (GUI). Av övergången för absoluttryck data i figur 3, fenomenet kan delas in i tre stadier: förlusten av kylvätska (enfas flöde), sifon bryta (Two-phase flöde) och Steady state. Därför innehåller huvudsakliga beräkningen av algoritmen en process i tre steg som motsvarar de tre stadierna av det verkligt fenomenet. Inklusive beräkningsprocessen, hela algoritmen att beskriva simulering processen visas i figur 4⁸.

Med hjälp av programvaran (se kompletterande Video 1) för att påbörja simuleringen, användaren anger indataparametrar motsvarar villkor som design och indataparametrar lagras som fasta värden. Om användaren går med simuleringen efter att ange parametrarna, utför programmet första steg beräkningen. Det första steget är enfas beräkningen som är beräkningen för förlust av kylvätska på grund av sifon effekten efter rörbrott. Variabler som beräknas automatiskt av en teoretisk modell (som i Bernoullis ekvation, massflödet bevarande, etc.), och beräkningen utgår från ingången parametrar av användaren. Beräkningens resultat lagras sekventiellt i datorminne enligt den tidsenhet som utsetts av användaren.

Om vattennivån dropparna nedan position 0, innebär det att avslutas enfas flödet, eftersom luften börjar rusa in i SBL på just nu. Därför fortsätter det första steget för enfas flöde tills vattennivån når 0-läge. När vattennivån är i läge 0, innebär detta att undershooting höjd är noll. Undershooting höjd är höjdskillnaden mellan ingången till SBL och övre tank vattennivån efter att sifon bryta. Med andra ord, anger minuslandar höjd hur mycket vattennivån sjunkit under vattenlåset att bryta. Undershooting höjd är därför en viktig parameter, eftersom det skulle tillåta direkt bestämning av mängden kylvätska förlust. Således avgör programmet i slutet av första steget beräkningen enligt undershooting höjden.

Om undershooting höjd är större än noll, utför programmet en andra steg beräkning som kan simulera two-phase flöde. Eftersom både vatten och luft flöde finns i sifonen breaking scenen, måste de fysiska egenskaperna hos både vätskor beaktas. Värdena för tvåfas multiplikator, kvalitet och ogiltiga bråkdel betraktas därför i denna beräkningssteg. Speciellt, används den ogiltiga bråktal som slutar kriterium av andra steg beräkningen. Den ogiltiga fraktionen kan uttryckas som förhållandet mellan flöde till summan av luft och vatten rinner. Andra steg beräkningen fortsätter tills den ogiltiga bråktal (α) är över 0,9. När α är över 0,9, fortsätter beräkningen tredje steg som beskriver steady-state. Teoretiskt, sinande kriteriet för siphon bryta är α = 1 eftersom bara luft finns i röret vid denna tid. I detta program är dock slutet kriterierna för siphon bryta α = 0,9 för att undvika eventuella fel i beräkningen. Därför en partiell förlust av resultat är oundvikligt, men felet kan vara försumbar.

Steady state beräkningen fortsätter under den tid som anges av användaren. Eftersom det finns ingen ytterligare förändring, kännetecknas steady state av att resultatet beräkningsvärdena är alltid konstant. Om hävert bryta lyckas förblir den slutliga nivån av vattnet i den övre behållaren på ett specifikt värde, inte noll. Dock om att sifon bryta inte utförs framgångsrikt, kylmedlet förloras nästan och den slutliga nivån av vattnet närmar sig värdet noll. Därför, om vattennivån värdet är lika med noll i steady state, visar att viss design villkoren inte är tillräckliga för att slutföra sifon bryta.

Efter beräkningen, kan användaren bekräfta resultaten på olika sätt. Resultaten visar status för sifon bryta, sifon bryta framsteg och singularitet. Programmet simulering kan förutse och analysera fenomenet realistiskt och bistå i utformningen av hävert breaker systemet. I detta presenteras papper, protokollet experiment, resultat av experiment och tillämpningen av simulering programmet.

Protocol

1. experimentell förfarande 4 , 5 , 6 beredning steg Kontrollera experimentanläggning. Baserat på matrisen test, kontrollera noga test matris förhållanden, såsom LOCA storlek, SBL storlek, sifon breaker typer och förekomsten av strypmunstycket, innan experimentet. Dessutom test för att bekräfta att de Instrumentation och komponenter i anläggningen fungerar utan data brus eller felfunktioner. …

Representative Results

Hela processen med sifon bryta består av tre etapper. Den första etappen är utflödet av kylvätska på grund av sifon effekten. Den andra etappen är processen att starta inflödet av luft genom SBL att blockera förlusten av kylvätska, kallas sifon bryta. Sifon bryta fenomenet kan ses som en kraftig ökning av absoluttryck i figur 3. Efter det absoluta trycket ökar snabbt, minskas det gradvis på grund av vattennivån minskningen. I slutet av hävert b…

Discussion

En sifon breaker är ett passivt manövrerade säkerhetsanordning som används för att förhindra förlust av kylvätska när en pipe bristning olycka inträffar. Det är dock svårt att tillämpa modern forskningsreaktorer eftersom det inte finns några experiment för de real-skala forskningsreaktorer. Av denna anledning utfördes real-skala experimentet av POSTECH och KAERI. Syftet med experimentet var att bekräfta att sifon brytande är genomförbart i verklig skala storlek, och för att identifiera faktorer som p?…

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)