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"10.29235/1561-8358-2024-69-2-151-165vestift-840Research ArticleДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМDIAGNOSTICS AND SAFETY OF TECHNICAL AND ENVIRONMENT SYSTEMSАнализ водородной взрывобезопасности АЭС с реактором типа ВВЭР-1200/491 при протекании тяжелой запроектной аварииAnalysis of the hydrogen safety of the NPP with a VVER-1200/V-491 reactor in a severe beyond design based accidentТретинниковД. Л.TretinnikovD. L.

Третинников Денис Леонидович – старший научный сотрудник

Луговослободской с/с, р-н д. Прилесье, 47/22, 223063, Минский район, Минская область

Denis L. Tretinnikov – Senior Researcher

47/22, Lugovoslobodskaya village, 223063, District of the Prilesye village, Minsk District, Minsk Region

trdl@list.ruДойниковаА. В.DoinikovaA. V.

Дойникова Анастасия Вячеславовна – научный сотрудник

Луговослободской с/с, р-н д. Прилесье, 47/22, 223063, Минский район, Минская область

Anastasiya V. Doinikova – Researcher

47/22, Lugovoslobodskaya village, 223063, District of the Prilesye village, Minsk District, Minsk Region

sirius1991dav_asa@mail.ruНагулаП. К.NagulaP. K.

Нагула Петр Константинович – кандидат технических наук, заведующий лабораторией

Луговослободской с/с, р-н д. Прилесье, 47/22, 223063, Минский район, Минская область

Petr K. Nagula – Cand. Sci. (Engineering), Head of the Laboratory

47/22, Lugovoslobodskaya village, 223063, District of the Prilesye village, Minsk District, Minsk Region

nagulapk@mail.ruОбъединенный институт энергетических и ядерных исследований ‒ Сосны Национальной академии наук БеларусиJoint Institute for Power and Nuclear Research – Sosny of the National Academy of Sciences of Belarus202409072024692151165Copyright © Третинников Д.Л., Дойникова А.В., Нагула П.К., 20242024Третинников Д.Л., Дойникова А.В., Нагула П.К.Tretinnikov D.L., Doinikova A.V., Nagula P.K.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/840

Представлены результаты расчетного анализа с помощью программного средства COCOSYS возможных режимов горения водородсодержащей паровоздушной смеси в объеме, ограниченном герметичным ограждением, при протекании тяжелой запроектной аварии (ЗПА). В качестве объекта исследования рассмотрена защитная оболочка энергоблока АЭС с реакторной установкой типа ВВЭР-1200/В-491. Исходным событием исследуемой тяжелой запроектной аварии (ЗПА) с течью теплоносителя принят отрыв трубопровода впрыска системы компенсации давления (Ду179), при этом накладывалось условие одновременного отказа всех активных каналов системы аварийного охлаждения активной зоны реактора. Рассчитаны параметры термодинамического состояния (давление и температура) газовой смеси, а также значения концентрационного распределения водорода в атмосфере под защитной оболочкой. Полученные результаты расчета распространения, накопления водорода и изменения параметров среды использованы для анализа возможных режимов горения в помещениях с использованием трехкомпонентной диаграммы Шапиро–Моффетти. Результаты показали, что при исследуемой тяжелой ЗПА детонация водородсодержащей смеси исключается, а дефлаграция возможна только в боксе парогенераторов, в котором происходит разрыв трубопровода. Таким образом, водородная взрывобезопасность на атомной станции согласно «Правилам обеспечения водородной взрывозащиты на атомных электростанциях с реакторами типа ВВЭР» считается обеспеченной. Эффективность функционирования системы удаления водорода из защитной оболочки с помощью каталитической рекомбинации для рассматриваемой ЗПА принимается достаточной.

The results of a computational analysis of possible modes of combustion of a hydrogen-air mixture in containment during the evolution of a severe beyond design basis accident (BDBA) with the COCOSYS code are presented. The containment of the NPP with a VVER-1200/V-491 reactor was selected as the object of study. BDBA with loss of coolant occurs due to a break of the injection pipeline of the pressurizer system (LOCA DN179) and the simultaneous failure of all active channels of the emergency core cooling system (ECCS). The calculated parameters of the thermodynamic state (pressure and temperature) of the gas mixture are given, and the values of the concentration distribution of hydrogen inside the containment are presented. After calculating the hydrogen distribution and mixing in all compartments of the containment, an evaluation was made of the flammability of the mixture and the potential for self-ignition in the containment by using a three-component Shapiro-Moffette diagram. It was concluded that in BDBA (LOCA DN179 with failure of active ECCS) detonation of the hydrogen-containing mixture is excluded, and deflagration is possible only in the emergency compartment of steam generators with a pipeline break. Thus, the hydrogen risk mitigation has been achieved in accordance with the standards established by the Belarusian regulator, provided that the localization safety systems are operational in the event of hydrogen deflagration. And the efficiency of the hydrogen removal system from the containment using catalytic recombination is considered sufficient for the considered BDBA.

компьютерное моделированиеатомная электростанциязащитная оболочкатяжелая аварияводородная безопасностьгорениепассивный каталитический рекомбинатор водородаcomputer simulationnuclear power plantcontainmentsevere accidenthydrogen safetycombustionpassive autocatalytic hydrogen recombinerReferencesАнализ причин и последствий аварии на АЭС Fukushima как фактор предотвращения тяжелых аварий в корпусных реакторах / В. И. Скалозубов [и др.]; под ред. В. И. Скалозубова. – Чернобыль: Ин-т проблем безопасности АЭС НАН Украины, 2012. – 280 с.Skalozubov V. I., Kljuchnikov A. A., Vashhenko V. N., Jarovoj S. S. Analysis of the Causes and Consequences of the Accident at the Fukushima NPP as a Factor in the Prevention of Severe Accidents in Pressurized Reactors. Chernobyl, Institute of NPP Safety Problems of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012. 280 p. (in Russian).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). – 26–37.Kirillov I. A., Kharitonova N. L., Sharafutdinov R. B., Khrennikov N. 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, 2017, no. 2, pp. 26–37 (in Russian).Meynet, N. Numerical study of hydrogen ignition by passive autocatalytic recombiners / N. Meynet, A. Bentaib // Nucl. Technol. – 2012. – Vol. 178, № 1. – P. 17–28. https://doi.org/10.13182/NT12-A13544Meynet N., Bentaib A. Numerical study of hydrogen ignition by passive autocatalytic recombiners. Nuclear Technology, 2012, vol. 178, no. 1, pp. 17–28. https://doi.org/10.13182/NT12-A13544Experimental study of effect of ambient flow condition on the performance of as passive autocatalytic recombiner / Z. Liang [et al.] // Nucl. Eng. Design. – 2016. – Vol. 301. – P. 49–58. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2016.03.005Liang Z., Gardner L., Clouthier T., Thomas B. Experimental study of effect of ambient flow condition on the performance of as passive autocatalytic recombiner. Nuclear Engineering and Design, 2016, vol. 301, pp. 49–58. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2016.03.005A large-scale study on the effect of ambient conditions on hydrogen recombiner-induced ignition / L. Gardner [at al.] // Int. J. Hydrog. Energy. – 2021. – Vol. 46, iss. 23. – P. 12594–12604. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.06.132Gardner L., Liang Z., Clouthier T., MacCoy R. A large-scale study on the effect of ambient conditions on hydrogen recombiner-induced ignition. International Journal of Hydrogen Energy, 2021. vol. 46, iss. 23, pp. 12594–12604. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.06.132Bentaib, A. Overview on hydrogen risk research and development activities: methodology and open issues / A. Bentaib, N. Meynet, A. Bleyer // Nucl. Eng. Technol. – 2015. – Vol. 47, iss. 1. – P. 25–32. https://doi.org/10.1016/j.net.2014.12.001Bentaib A., Meynet N., Bleyer A. Overview on hydrogen risk research and development activities: methodology and open issues. Nuclear Engineering and Technology, 2015, vol. 47, iss. 1, pp. 25–32. https://doi.org/10.1016/j.net.2014.12.001Hydrogen removal from LWR containments by catalytic-coated thermal insulation elements (THINCAT) / K. Fischer [et al.] // Nucl. Eng. Design. – 2003. – Vol. 221, iss. 1–3. – P. 137–149. https://doi.org/10.1016/S0029-5493(02)00348-5Fischer K., Broeckerhoff P., Ahlers G., Gustavsson V., Herranz L., Polo J., Dominguez T., Royl P. Hydrogen removal from LWR containments by catalytic-coated thermal insulation elements (THINCAT). Nuclear Engineering and Design, 2003, vol. 221, iss. 1–3, pp. 137–149. https://doi.org/10.1016/S0029-5493(02)00348-5Sprays in Containment: Final Results of the SARNET Spray Benchmark / J. Malet [et al.] // Nucl. Eng. Design. – 2011. – Vol. 241, iss. 6. – P. 2162–2171. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2011.03.016Malet J., Blumenfeld L., Arndt S., Babic M., Bentaib A., Dabbene F., Kostka P. [et al.]. Sprays in Containment: Final Results of the SARNET Spray Benchmark. Nuclear Engineering and Design, 2011, vol. 241, iss. 6, pp. 2162–2171. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2011.03.016Investigation of PAR Behavior in the REKO-4 Test Facility / B. Simon [et al.] // 20th Int. Conf. on Nuclear Engineering and the ASME Conference. – 2012. – Vol. 2. – P. 345–350. https://doi.org/10.1115/ICONE20-POWER2012-54234Simon B., Reinecke E. A., Klauck M., Heidelberg D., Allelein H. J. Investigation of PAR Behavior in the REKO-4 Test Facility. 20th International Conference on Nuclear Engineering and the ASME Conference, 2012, vol. 2, pp. 345–350. https://doi.org/10.1115/ICONE20-POWER2012-54234THAI test facility for experimental research on hydrogen and fission product behavior in light water reactor containments / S. Gupta [et al.] // Nucl. Eng. Design. – 2015. – Vol. 294. – P. 183–201. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2015.09.013Gupta S., Schmidt E., Laufenberg B. von, Freitag M., Poss G., Funke F., Weber G. THAI test facility for experimental research on hydrogen and fssion product behavior in light water reactor containments. Nuclear Engineering and Design, 2015, vol. 294, pp. 183–201. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2015.09.013Project MITHYGENE [Electronic resource] // IRSN. – Mode of access: https://www.irsn.fr/recherche/projet-mithygene. – Date of access: 03.06.2024.Project MITHYGENE. IRSN. Available at: https://www.irsn.fr/recherche/projet-mithygene (accessed 3 June 2024) (in French).Status report on hydrogen management and related computer codes / NEA, OECD Publishing. – Paris, 2015. – 211 p.NEA. Status report on hydrogen management and related computer codes. Paris, OECD Publishing, 2015. 211 p.Shapiro, Z. M. Hydrogen flammability data and application to PWR loss-of-coolant accident: Report WAPD-SC-545 [Electronic resource] / Z. M. Shapiro, T. R. Moffette. – Pittsburgh: Westinghouse Electric Corp., 1957. – Mode of access: https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1024816/m2/1/high_res_d/4327402.pdf. – Date of access: 07.07.2023.Shapiro Z. M., Moffette T. R. Hydrogen flammability data and application to PWR loss-of-coolant accident: Report WAPD-SC-545. Pittsburgh, Westinghouse Electric Corp., 1957. Available at: https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1024816/m2/1/high_res_d/4327402.pdf (accessed 7 July 2023).Анализ и устранение замечаний Ростехнадзора к пассивным каталитическим рекомбинаторам водорода для энергоблоков ВВЭР / А.В. Михальчук [и др.] // Краткие результаты научно-технической деятельности ВНИИАЭС за 2016 год: сб. работ / АО «ВНИИАЭС»; редкол.: Л. М. Воронин (гл. ред.) [и др.]. – М.: ВНИИАЭС, 2017. – С. 17–26.Mihal’chuk A. V., Solov’jov S. L., Solov’ev B. S., Stepanov V. S., Fedorchenko S. V., Sedov M. K. Analysis and elimination of remarks of Rostechnadzor to passive catalytic hydrogen recombiners for VVER power units. Kratkie rezul’taty nauchno-tekhnicheskoi deyatel’nosti VNIIAES za 2016 god: sb. rabot [Brief results of scientific and technical activities of VNIIAES for 2016: Proc. VNIIAES]. Moscow, VNIIAES, 2017, pp. 17–26 (in Russian).Kumar, R. K. Flammability limits of hydrogen-oxygen-diluent mixtures / R. K. Kumar // J. Fire Sci. – 1985. – Vol. 3, iss. 4. – P. 245–262. https://doi.org/10.1177/073490418500300402Kumar R. K. Flammability limits of hydrogen-oxygen-diluent mixtures. Journal of Fire Science, 1985, vol. 3, iss. 4, pp. 245–262. https://doi.org/10.1177/073490418500300402

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