vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2020-65-4-496-505vestift-636Research ArticleДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМDIAGNOSTICS AND SAFETY OF TECHNICAL AND ENVIRONMENT SYSTEMSРасчет характеристик пассивного каталитического рекомбинатора водорода в условиях аварии на АЭС-2006Passive autocatalitic recombiner characteritics calculation during severe accident on AES-2006 NPPСорокинВ. В.SorokinV. V.

Сорокин Владимир Владимирович – доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией

а/я 119, 220109, Минск

Vladimir V. Sorokin – D. Sc. (Engineering), Associate Professor, Head of the Laboratory

p/o box 119, 220109, Minsk

sorokin.npp@gmail.comОбъединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны, Национальной академии наук БеларусиJoint Institute for Power and Nuclear Research – Sosny of the National Academy of Sciences of Belarus202031122020654496–505Copyright © Сорокин В.В., 20202020Сорокин В.В.Sorokin V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/636

Выполнен расчет параметров работы системы удаления водорода в условиях тяжелой аварии на АЭС-2006. Система включает пассивные автокаталитические рекомбинаторы водорода, которые превращают водород в воду в ходе реакции с кислородом воздуха на катализаторе и обеспечивают подвод реагентов и отвод продуктов за счет естественной конвекции. Разработана расчетная модель рекомбинатора с блоком катализатора (основной матери- ал катализатора – платина с долей палладия) в форме пластин. Два свободных параметра модели – скорость реакции на катализаторе и гидравлическое сопротивление – устанавливаются на основе экспериментальных данных. Определены характеристики пассивного каталитического рекомбинатора водорода в условиях аварии. Производительность устройства в условиях аварии соответствует заявленной производителем. Температура катализатора, даже средняя по поверхности, выше 500 °С, температура выхлопной струи превышает 150 °С, содержание водорода в выхлопной струе значительно. Производительность рекомбинатора водорода линейно увеличивается с ростом объемного содержания водорода в газовой смеси, поступающей в устройство. Суммарная производительность рекомбинаторов водорода в со- ставе локализующей системы безопасности постоянна в условиях как равномерной, так и неравномерной концентрации водорода под герметичным ограждением. Влияние температуры атмосферы на производительность незначительно. Данные расчетов могут использоваться для оценки работы рекомбинаторов водорода при аварии на АЭС-2006.

A modern NPP is equipped by containment to hold radioactive substances and ionizing radiation bounded as design margins prescribe. Hydrogen mitigation system is used to protect containment against hydrogen fire and detonation. The system includes a scope of passive autocatalitic recombiners. Hydrogen is transformed into water, passing through said recombiners. The reaction occurs on catalyst surface. The main catalyst material is a palladium doped platinum. Hydrogen mitigation system parameters during severe accident are of interest. Wise admitted for NPP full scale tests are impossible, so the main analysis are calculations. Recombiner consists of catalytic block and stuck. The stuck provides reagents feeding and products evacuation enhancing natural convection transport. A model for calculations is suggested for recombiner with a plate-type catalyst block. The two free parameters of the model are chemical reaction intensity on catalyst and unit drag. Said parameters are estimated experimental data based on. Passive autocatalitic recombiner characteritics during severe ac- cident on AES-2006 NPP are calculated. The unit capacity is found not less that specification points. Catalyst temperatures, even the mean one, are above 500 °С, exhaust jet temperature exceeds 150 °С. Hydrogen content is high in the jet. Capacity increases linearly with hydrogen concentration at the unit entrance. Atmospheric temperature influence is low. Hydrogen mitigation system overall capacity is constant for uniform or not uniform hydrogen distribution in the containment. The calculated data may be used for recombiner work estimation during accident on AES-2006 NPP.

АЭСВВЭРтяжелые аварииводородная безопасностьлокализующая система безопасностисистема удаления водородакаталитические рекомбинаторыпластинчатые каталитические элементыпроизводительностьрасчетыNPPWWERsevere accidentshydrogen mitigation systemcontainmentpassive autocatalitic recombinerplate-type catalytic elementscapacitycalculationsReferencesОбеспечение водородной безопасности АЭС с ВВЭР-1000/ В. В. Безлепкин [и др.] // Теплоэнергетика. – 2002. – № 5. – С. 5–12.Bezlepkin V. V., Golikov Yu. A., Kukhtevich I. V., Solov’ev V. P., Smirnov V. V. Ensuring the hydrogen safety of an NPS with a VVER-1000 reactor. Teploenergetika= Thermal Engineering, 2002, no. 5, pp. 5-12 (in Russian).Велькер, М. Инновационные технологии для обеспечения безопасности АЭС, как следствие аварии на АЭС Фукусима / М. Велькер // 7-я международная выставка и конференция «Атомэкспо-Беларусь 2015», Минск, 22–24 апр. 2015: офиц. каталог. – Минск, 2015. – С. 59.Welker М. Post-Fukushima innovations for NNP safety. 7-ya Mezhdunarodnaya vystavka I konferentsiya «Atomekspo-Belarus' 2015», Minsk, 22–24 aprelya 2015: ofitsial'nyi catalog [7th International Exhibition and Conference “Atomexpo-Belarus 2015”, Minsk, April 22–24, 2015: official catalog]. Minsk, 2015, p. 59 (in Russian)Reinecke, E.-A. Operational behaviour of passive auto-catalytic hydrogen recombiners [Electronic Resource] / E.-A. Reinecke, G. Poss // Nucl. Eng. Int. – 2012. – Mode of access: https://www.neimagazine.com/features/featureoperational-behaviour-of-passive-auto-catalytic-hydrogen-recombinersReinecke E.-A., Poss G. Operational behaviour of passive auto-catalytic hydrogen recombiners. Nuclear Engineering International, 2012. Available at:https://www.neimagazine.com/features/featureoperational-behaviour-of-passive-auto-catalytic-hydrogen-recombiners.Большов, Л. А. Уроки Чернобыля и Фукусимы и современные концепции управления «тяжелыми» авариями / Л. А. Большов // X Международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» Москва, 25–27 мая 2016 г.: сб. тр. / АО «Концерн Росэнергоатом». – М., 2016. – С. 13–14.Bolsov L. A. Lessons of Chernobyl and Fukushima and modern concepts of severe accidents control. X Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya “Bezopasnost’, effektivnost’ I ekonomika atomnoi energetiki” Moskva, 25–27 maya 2016 g.: sbornik trudov [X International Scientific and Technical Conference “Safety, efficiency and economics of nuclear power industry”, Moscow, 2016 May, 25–27: collection of works]. Moscow, 2016, pp. 13–14 (in Russian).Safety Research Opportunities Post-Fukushima: Initial Report of the Senior Expert Group: Nuclear Safety NEA/CSNI/R(2016)19. – Paris: CSNI, 2017. – 190 p.Safety Research Opportunities Post-Fukushima: Initial Report of the Senior Expert Group: Nuclear Safety NEA/CSNI/R(2016)19. Paris: CSNI, 2017. 190 p.Обеспечение водородной безопасности на атомных электростанциях с водоохлаждаемыми реакторными установками. Современное состояние проблемы / И. А. Кириллов [и др.] // Ядерная и радиационная безопасность. – 2017. – № 2 (84). – С. 1–12.Kirillov I., Kharitonova N., Sharafutdinov R., Krenniikov N. Hydrogen safety for nuclear power plants with light water reactor units. current state of the problem. Yadernaya I radiatsionnaya bezopasnost’= Nuclear and Radiation Safety Journal, 2017, no. 2 (84), pp. 1–12 (in Russian).Домашенко, А. М. Проблемы взрывобезопасности при создании и эксплуатации промышленных систем хранения и транспортирования жидкого водорода. Стандарты / А. М. Домашенко // Альтернативная энергетика и экология. – 2006. – № 11 (43). – С. 28–38.Domashenko A. M. Safety of industrial systems for designing, exploiting and transporting of liquid hydrogen. Al’ternativnaya energetika i ekologiya = Alternative Energy and Ecology, 2006, no. 11, pp. 28–38 (in Russian).Состояния и условия взрывобезопасности в проектных режимах АЭС с ВВЭР / В. И. Скалозубов [и др.] // Проблемибезпекиатомнихелектростанцій і Чорнобиля. – 2012. – Вип. 18. – С. 31–38.Skalozubov V. I., Vaschenko V. M., Jarovoy S. S., Zlochevski V. V. Blow up safety of NPP AES VVER operation regimes. Problemi bezpeki atomnikh elektrostantsіi і Chornobilya [Problems of nuclear power plants' safety and of Chornobyl)], 2012, is. 18, pp. 31–38 (in Russian).Проект АЭС-2006. Основные концептуальные решения на примере Ленинградской АЭС-2. ОАО «СПбАЭП». – СПб.: Ин-т «Атомэнергопроект», 2011. – 40 с.NPP AES-2006 design. Main concepts exampled by Leningrad-2 NPP design. JSC AtomenergoproektSPb. St. Petersburg, Atomenergoproekt, 2011. 40 p. (in Russian).State of the art on hydrogen passive autocatalytic recombiner (European Union parsoar project) [Electronic resource] / F. Arnould [et al.]. – Mode of access: http://www. iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/33/020/33020098.pdf – Date of access: 09.02.2018.Arnould F., Bachellerie E., Auglaire M., De Boeck B., Braillard O., Eckardt B., Ferroni F., Moffett R., Van Goethem G. State of the art on hydrogen passive autocatalytic recombiner (European Union parsoar project). Available at: http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/33/020/33020098.pdf (accessed 09 February 2018).Исследование беспламенного горения водорода на поверхности гидрофобизированного катализатора / Ю. Н. Шебеко [и др.] // Физика горения и взрыва. – 1995. – Т. 31, № 5. – С. 37–38.Shebeko J. N., Nrunev A. V., Shepelin V. A., Navtcena V. J., Zaycev A. A. Flameless combustion of hydrogen on waterproofed catalytic surface. Fizikagoreniya I vzryv a= Combustion, Explosion and Shock Waves, 1995, vol. 31, no. 5, pp. 37–38 (in Russian).Тарарыкин, А. Г. Каталитические рекомбинаторы водорода для систем аварийной безопасности АЭС / А. Г. Тарарыкин // Безопасность окружающей среды. – 2007. – № 3. – С. 46–49.Tartarykin A. G. Hydrogen Catalytic recombiners for NPP safety systems. Bezopasnost’ okruzhayushchei sredy [Environmental Safety], 2007, no. 3, pp. 46–49 (in Russian).Кутателадзе, С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справ. пособие / С. С. Кутателадзе. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 367 с.Kutateladze S. S. Heat Transfer and Drug. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1990. 367 p. (in Russian).Understanding of the operation behaviour of a Passive Autocatalytic Recombiner (PAR) for hydrogen mitigation in realistic containment conditions during a severe Light Water nuclear Reactor (LWR) accident / F. Payota [et al.] // Nucl. Eng. Des. –2012. – Vol. 248. – P. 178–196.https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2012.03.042Payot F., Reinecke E.-A., Morfin F., Sabroux J.-C., Zeyen R. Understanding of the operation behaviour of a Passive Autocatalytic Recombiner (PAR) for hydrogen mitigation in realistic containment conditions during a severe Light Water nuclear Reactor (LWR) accident. Nuclear Engineering and Design, 2012, vol. 248, pp. 178–196.https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2012.03.042Коровин, Н. В. Электрохимические генераторы / Н. В. Коровин. – М.: Энергия, 1974. – 208 с.Korovin N. V. Electrochemical Generators. Moscow, Energiya Publ., 1974. 208 p. (in Russian)Rożeń, A. A mechanistic model of a passive autocatalytic hydrogen recombiner / A. Rożeń // Chem. Process Eng. – 2015. – Vol. 36, № 1. – P. 3–19. https://doi.org/10.1515/cpe-2015-0001Rożeń A. A mechanistic model of a passive autocatalytic hydrogen recombiner. Chemical and Process Engineering, 2015, vol. 36, no. 1, pp. 3–19. https://doi.org/10.1515/cpe-2015-0001CFD Analysis of Passive Autocatalytic Recombiner / B. Gera [et al.] // Science and Technology of Nuclear Installations. – 2011. – Article ID 862812.https://doi.org/10.1155/2011/862812Gera B., Sharma P. K., Singh R. K., Vaze K. K. CFD Analysis of Passive Autocatalytic Recombiner. Science and Technology of Nuclear Installations, 2011, article ID 862812.https://doi.org/10.1155/2011/862812Конвективный теплообмен с химическими превращениями в вертикальном канале / Д. Г. Григорук [и др.] // Теплоэнергетика. – 2011. – № 6. – С. 63–67.Grigoruk D. G., Kondratenko P. S., Nikol’skii D. V., Chizhov M. E. Convective Heat Transfer with Chemical Transformations in a Vertical Channel. Thermal Engineering, 2011, vol. 58, no. 6, pp. 513–518. https://doi.org/10.1134/s0040601511060048Математическое моделирование тепло- и массообмена в пассивном каталитическом рекомбинаторе водорода / С.В. Анпилов [и др.] // Теплоэнергетика. – 2013. – № 11. – С. 48–51.Anpilov S. V., Grigoruk D. G., Kondratenko P. S., Khristenko E. B., Chizhov M. E. Mathematical Modeling of Heat and Mass Transfer in a Passive Autocatalytic Recombiner. Thermal Engineering, 2013, no. 11, pp. 818–822. https://doi.org/10.1134/s0040601513110013Boreskov papers [Electronic resource]. – Mode of access: www.catalysis.ru/resources/html/boreskov_papers/glava2.doc – Date of access: 11.08.2016.Boreskov papers. Available at: www.catalysis.ru/resources/html/boreskov_papers/glava2.doc (accessed 11 August 2016).Prabhudharwadkar, D. M. Simulations of hydrogen mitigation in catalytic recombiner. Part I: Surface chemistry modeling / D. M. Prabhudharwadkar, P. A. Aghalayam, K. N. Iyer // Nucl. Eng. Des. – 2011. – Vol. 241, № 5. – P. 1746–1757.https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2010.09.032Prabhudharwadkar D. M., Aghalayam P. A., Iyer K. N. Simulations of hydrogen mitigation in catalytic recombiner: Part I: Surface chemistry modeling. Nuclear Engineering and Design, 2011, vol. 241, no. 5, pp. 1746–1757.https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2010.09.032Modelling of Catalytic Recombiners: Comparison of REKO-DIREKT Calculations with REKO-3 Experiments / E.-A. Reinecke [et al.] // Int. Conf. Nuclear Energy for New Europe. Bled, Slovenia, September 5–8, 2005. – Paper 92. – 10 p.Reinecke E.-A., BoehmJ., DrinovacP., StruthS.Modelling of Catalytic Recombiners: Comparison of REKO-DIREKT Calculations with REKO-3 Experiments. International Conference Nuclear Energy for New Europe, Bled, Slovenia, September 5–8, 2005. Paper 92. 10 p.Schefer, R. W. Catalyzed combustion of H2/air mixtures in a flat plate boundary layer: II. Numerical model / R. W. Schefer // Combustion and Flame. – 1982. – Vol. 45. – P. 171–190. https://doi.org/10.1016/0010-2180(82)90043-8Schefer R. W. Catalyzed combustion of H2/air mixtures in a flat plate boundary layer: II. Numerical model. Combustion and Flame, 1982, vol. 45, pp. 171–190. https://doi.org/10.1016/0010-2180(82)90043-8Химическая гидродинамика: справ. пособие / А. М. Кутепов и [др.]. – М.: Бюро Квантум, 1996. – 336 с.Kutepov A. M., Polyanin A. D., Zapryanov Z. D., Vyazmin A. V., Kazenin D. A. Chemical Hydrodynamics. Moscow, BuroKvantum Publ., 1996. 336 p. (in Russian).Conclusions on severe accident research priorities / W. Klein-Heßling [et al] // Ann. Nucl. Energy. – 2014. – Vol. 74. – P. 4–11.https://doi.org/10.1016/j.anucene.2014.07.015Klein-Heßling W., Sonnenkalb M., Jacquemain D., Clément B.,RaimondE., Dimmelmeier H. [et al.] Conclusions on severe accident research priorities. Annals of Nuclear Energy, 2014, vol. 74, pp. 4–11.https://doi.org/10.1016/j.anucene.2014.07.015Park, K. Hydrogen concentration variation and examination of PAR installation in reactor containment building during hydrogen release from different direction failure places / K. Park, Kyung-Hyo Bae // Nucl. Eng. Des. – 2014. – Vol. 278, № 11. – P. 229–238. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2014.07.021Park K., Bae Kyung-Hyo. Hydrogen concentration variation and examination of PAR installation in reactor containment building during hydrogen release from different direction failure places. Nuclear Engineering and Design, 2014, vol. 278, no. 11, pp. 229–238. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2014.07.021Achievements of spray activities in nuclear reactor containments during the last decade/ J. Malet [et al]// Ann. Nucl. Energy. – 2014. – Vol. 74. – P. 134–142.https://doi.org/10.1016/j.anucene.2014.05.033Malet J., Parduba Z., Mimouni S., Travis J. Achievements of spray activities in nuclear reactor containments during the last decade. Annals of Nuclear Energy, 2014, vol. 74, pp. 134–142.https://doi.org/10.1016/j.anucene.2014.05.033Malet, J. Influence of spray characteristics on local light gas mixing in nuclear containment reactor applications / J. Malet, X. Huang // Computers and Fluids. – 2015. – Vol. 107. – P. 11–24.https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2014.10.002Malet J., Huang X. Influence of spray characteristics on local light gas mixing in nuclear containment reactor applications. Computers & Fluids. 2015, vol. 107, pp. 11–24.https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2014.10.002Effect of spray on performance of the hydrogen mitigation system during LB-LOCA for CPR1000 NPP / X. G. Huang [et al.] // Ann. Nucl. Energy. – 2011. – Vol. 38, № 8. – P. 1743–1750. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2011.04.003Huang X. G., Yang Y. H., Xu Cheng, Al-Hawshabi N. H. A. Effect of spray on performance of the hydrogen mitigation system during LB-LOCA for CPR1000 NPP. Annals of Nuclear Energy, 2011, vol. 38, no. 8, pp. 1743–1750. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2011.04.003Расчетно-экспериментальное исследование перемешивания легкого газа в рамках проектов ERCOSAM – SAMARA / А. М. Бахметьев [и др.] // Атом. энергия. – 2017. – Т. 123, вып. 1. – С. 3–9.Bakhmet’ev A. M., Bol’shukhin M. A., Kamnev M. A., Khizbullin A. M., Tyurikov O. V. Computational and Experimental Studies of Mixing of a Light Gas in the ERCOSAM–SAMARA Projects. Atomnaya energiya = Atomic Energy, 2017, vol. 123, iss. 1, pp. 1–9. https://doi.org/10.1007/s10512-017-0292-2

The authors declare that there are no conflicts of interest present.