Извините за задержку. Были проблемы с компьютером.
Fission Stories #118: Computer Codes and Steam Generators at San Onofreили
Fission Stories #118: Компьютерные коды и парогенераторы на San OnofreВ марте 2012 я опубликовал блог о трубах парогенератора на San Onofre. Теперь немного дополнительной информации о ситуации там.
31 января 2012 операторы получили сигнал, что небольшое количество охлаждающей реактор воды вытекает через одну или несколько из тысяч труб внутри двух парогенераторов реактора блока-3 электростанции San Onofre (San Onofre Generator Station (SONGS)) в Калифорнии.
Первичный контур каждого из двух работающих реакторов на San Onofre состоит из корпуса реактора, в котором находится активная зона, двух парогенераторов, четырех насосов охлаждения реактора, одного компенсатора давления и связывающих труб и вентилей. Воду, нагретую при прохождении активной зоны, прокачивают через тысячи трубок в парогенераторе. Тепло передается через тонкие стенки труб и доводит до кипения воду, окружающую эти трубки в парогенераторе. Охлажденная вода качается обратно к активной зоне для повторного нагрева. По трубам пар от парогенератора доходит до турбины, где используется для выработки электричества.
Когда охлаждающая вода находится в активной зоне, под действием излучения в ней образуется изотоп азота (N-16). У этого изотопа короткий период полураспада, немногим больше 7 секунд, а затем происходит бета-распад. Датчики радиации, установленные около труб, по которым пар идет от парогенераторов к турбине, настроены на обнаружение бета-излучения. Поскольку это пар не радиоактивен, пока охлаждающая реактор вода не протекает через трубы парогенератора, датчики радиации дают достоверную картину, целы трубы парогенератора, или протекают. Правила требуют от операторов вручную остановить реактор, если они обнаружат утечку из этих труб.
Рабочие нашли утечки в трубах парогенератора блока-2 и восстановили его во время остановок на перезагрузку между сентябрем 2009 и апрелем 2010. Блок-2 был остановлен на очередную перезагрузку топлива, когда блок-3 ощутил утечку в своих трубах в январе 2012. Рабочие восстановили парогенератор блока-3 во время перезагрузок топлива между октябрем 2010 и февралем 2011. Операторы пустили блок-3 18 февраля 2011, и он проработал меньше года, прежде чем случились утечки из труб. Этот парогенератор был в работе примерно 30 лет, с тех пор как реактор начал работу в начале 1980-х.
Диаграмма отказов, обычно называемая "кривой интенсивности отказов" (изображение 2), своей формой объясняет, что происходило с парогенераторами на San Onofre. Кривая показывает, что вероятность отказа понижается со временем. Уровень отказов минимален в середине жизненного цикла. Вероятность отказов возрастает на правой стороне кривой. Это, так называемая, фаза "полного износа", она, как процесс старения, вроде ржавения и повышения хрупкости, приводит к повышению вероятности поломки. Поскольку оригинальные парогенераторы на San Onofre, приближались, если уже не достигли, этой фазы полного износа, владельцы проголосовали за замену парогенераторов на обоих рабочих блоках.
Но новые парогенераторы начнут работу не со средней части кривой отказов, где уровень отказов минимален, а с левой ветви кривой. Это так называемая фаза "приработки", где уровень аварийности изначально выше из-за дефектов материалов, ошибок при сборке и конструировании и других похожих проблем.
Компания стремилась улучшить характеристики заменяемых парогенераторов. Трубы оригинальных парогенераторов были сделаны из стали, марка которой была Alloy 600. У этого метала была очень хорошая теплопроводность. Но Alloy 600 была уязвима к коррозионному растрескиванию под напряжением, процесс деградации вынуждал выводить трубы из эксплуатации, отглушая их, когда более 40% их тонких стенок трескались или изнашивались. Трубы новых парогенераторов изготовлялись из Alloy 690, который был более устойчив к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Так-как новые парогенераторы оборудовались лучшими материалами, у них была другая конструкция. На каждом оригинальном парогенераторе были 9350 трубок с диаметром примерно в три четверти дюйма (1,9 см) и толщиной стенок 0,043 дюйма (1,1 мм). На каждом новом парогенераторе было 9727 трубок диаметром примерно три четверти дюйма и толщиной стенок 0,048 дюймов (1,2 мм).
Внутренний осмотр новых парогенераторов блоков-2 и 3 обнаружил, что более 7,5% труб в каждом имеют различимые следы износа.
Таблица 1: В колонках 2 и 3 — количество точек износа, включая множественные точки износа на одной трубе. Здесь 20% означает износ, который разрушил 20% первоначальной толщины стенки трубы. В "Total" приведено количество труб, на которых была найдена хотя-бы одна обнаруживаемая точка износа. В "Percent" указан процент от 9350 трубок на каждом парогенераторе, на которых была найдена хотя-бы одна обнаруживаемая точка износа.
Повреждение большинства труб новых парогенераторов блока-3 было признано результатом износа труба-об-трубу. Горячая вода, текущая внутри трубок и холодная вода, обмывающая эти трубки, заставляют их вибрировать, ударяясь с соседними трубками. Это не яростные столкновения, вроде того, когда Титаник налетел на айсберг, а небольшие касания — множество небольших касаний, происходивших долгое время.
Гидродинамическая картина внутри труб тщательно анализировался с использованием компьютерных программ, моделирующих температуру, давление и характеристики потока. Впоследствии стало ясно, что эта компьютерная симуляция не отражала действительность.
В парогенератор горячая вода из корпуса реактора подается через первичный впуск (primary inlet) и покидает его через первичный выпуск (primary outlet), показанные на схеме. Вода подается в парогенератор через впуск питательной воды. Перегородка направляет поток питательной воды для первого нагрева к нижним частям труб. Питательная вода нагревается до точки кипения по мере подъема её вдоль этих труб.
В компьютерной модели учитывались геометрия парогенератора и свойства (такие как температура, давление и скорость) потока внутри и снаружи труб для вычисления таких вещей, как где, на протяжении длины труб, кипящая вода превратится в пузырьки пара.
В износе труба-об-трубу, вызвавшем большие повреждения в парогенераторе блока-3, был виновато явление, называемое "гидроупругая нестабильность." Она, теоретически, основывалась на образовании пузырьков пара раньше — а значит на более низких уровнях парогенератора — чем было предсказано компьютерной симуляцией. Пузырьки пара, менее плотные чем вода, оказывали большее давление на трубы, особенно на те, которые находились в области U-образного изгиба.
На картинке показан поперечный разрез парогенератора, и показано местоположение, в правой верхней четверти, где сильнейший износ труба-об-трубу наложился на вычисленную на компьютере в NRC максимальную скорость потока. Низкая скорость в нижней половине объясняется тем, что по находящимся здесь трубам охладившаяся вода опускается к первичному выпуску. По трубам, находящимся в верхней половине, горячая вода поднимается к U-образному изгибу. В этой области парогенератора образуется больше пара с более высокой скоростью. Скорость пара на границе этой области выше чем в её центре потому, что трубы, находящиеся в центре изгибаются раньше и оказываются короче, чем трубы, расположенные ближе к внешней стороне. У внешних труб больше длина, на которой осуществляется нагрев, и на котором начинает образовываться пар.
Поскольку компьютерные модели не смогли точно предсказать характеристики потока пара внутри новых парогенераторов, они не смогли правильно определить силы, заставляющие трубы вибрировать и касаться друг друга. В результате чего роль и местоположение анти-вибрационных балок и опор внутри парогенератора для контроля нагрузок и уменьшения последствий вибрации была понята неправильно.
Владельцы San Onofre предложили запустить реактор блока-2 после отглушения трубок, которые, по опыту блока-3, являлись уязвимыми для износа труба-об-трубу. Но только на 2 трубках из 19454 парогенераторов блока-2 был обнаружен подобный износ. Блок-2 работал значительно дольше блока-3 с заменёнными парогенераторами, сделанными тем-же поставщиком, из тех-же материалов, той-же конструкции. По не вполне понятным причинам трубы блока-3 подвергались более интенсивному износу.
Для обеспечения дополнительной гарантии от разрушительных процессов блока-3, владельцы San Onofre предложили эксплуатировать блок-2 не более, чем на 70% мощности и не дольше 150 дней, после чего он бы был выключен для повторной проверки ситуации внутри парогенераторов.
Отглушение сотен трубок в качестве меры предосторожности может иметь непредсказуемые последствия. Насосы качают воду из корпуса в парогенератор с той-же скоростью. Поэтому примерно такое-же количество воды попадает в каждый парогенератор. Но у этой воды меньше мест для попадания внутрь парогенератора из-за всех этих заглушенных трубок. Вода течет через оставшиеся трубки с большей скоростью. Место образования пузырьков пара снаружи трубок тоже меняется, ведь заглушенные трубки больше не отдают тепло, в то время как высокая скорость в оставшихся трубках может вызвать нагрев воды вдоль длинной поверхности этих трубок.
Что берём на заметку?Владельцы станции и NRC утверждают, что наибольшие повреждения в новых парогенераторах блока-3 были вызваны износом труба-об-трубу. Поскольку компьютерная симуляция характеристик потока внутри парогенераторов была не точная, силы, которые привели к вибрации трубок, были упущены.
Теперь те же компьютерные коды применяются к новым парогенераторам, но с сотнями заглушенных трубок. Возможно с помощью путешествия в Волшебное Королевство бывшие бестолковыми коды магическим образом превратятся в осведомленные коды, которые покажут повреждения трубок, которые ещё не произошли. Или, как минимум, будут правильными.
Снова в школу, мы называем этот процесс ядерным экспериментом или лабораторным тестом. На San Onofre это называют получением дохода.
Ядерная промышленность и NRC требует поместить безопасность выше продуктивности.
По алфавиту продуктивность (production) выше безопасности (safety).
Если при повторном пуске блока-2 San Onofre будут руководствоваться догадками вместо четкого, твердого понимания причины, которая вызвала такой износ трубок парогенераторов, то, очевидно, продуктивность будет перед безопасностью не только в словарях, но и в головах людей.
В словарях ответственность расположена между продуктивностью и безопасностью. Со временем NRC станет требовать ответственности.