Smyčka M.R.C.H.A.
Na jaře loňského roku byla na Ústavu elektroenergetiky Fakulty elekrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně zprovozněna smyčka umožňující studium kritických tepelných toků na pokrytí jaderného paliva včetně pokrytí tzv. ATF (Accident Tolerant Fuel) paliv. Zařízení „Mobile Research Critical Heat-flux Apparatus“, neboli M.R.C.H.A., nabízí široké množství konfigurací experimentů až do tlaku 1,5 MPa.
Úvod
Krize varu je nežádoucí fyzikální jev, který během provozu jaderného reaktoru nesmí nastat. Ke krizi varu dochází ve chvíli, kdy bublinkový var přejde do varu blánového. K tomu může dojít, když se sníží průtok chladiva okolo palivového proutku nebo když vzroste tepelný výkon generovaný v proutku. Při dosažení kritického tepelného toku dojde vytvořením parní blány k prudkému snížení koeficientu přestupu tepla z povrchu proutku do chladiva a skokově vzroste teplota povrchu proutku. Tímto způsobem může dojít k poškození palivového proutku a následně i celého palivového souboru. Je tedy nezbytné dokázat zjistit, kdy ke krizi varu dochází a jak se materiál i proudící chladivo během tohoto jevu chová.
Experimenty na smyčce M.R.C.H.A jsou oproti jaderným reaktorům prováděné za relativně nízkého tlaku a nízkého průtoku chladiva. Umožňuje ovšem studovat kritický tepelný tok na různých površích při různém tlaku a průtoku. Podobné smyčky jsou v provozu i jinde ve světě, ale smyčka na VUT je unikátní šíří konfiguračních možností a šíří svých parametrů. Její výhodu je také možnost testovat krizi varu při proudění chladiva, což mnoho konkurenčních experimentů zaměřených na krizi varu ve velkém objemu neumožňuje. Testovací sekce je navíc navržena jako modulární a lze ji zaměňovat i za sekce pro jiné experimentální sestavy, například pro studium zaplavování přehřátého jaderného paliva po havárii se ztrátou chlazení, tzv. quenchingu.
Popis smyčky
Nápad na postavení smyčky se zrodil před osmi lety v době „jaderné renesance“ během příprav na výstavbu třetího a čtvtého bloku jaderné elektrárny Temelín. Na výstavbě se dohodli pracovníci Odboru energetického inženýrství Energetického ústavu Fakulty strojního inženýrství Ing. Jiří Martinec (FSI) a Ing. Karel Katovský z Ústavu elektroenergetiky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologii (FEKT). Realizace se ujal Ing. Ladislav Suk, který v rámci své dizertační práce provedl potřebné výpočty, navrhl konstrukční řešení a podílel se na všech etapách realizace smyčky. Nutno říci, že bez jeho obětavosti, pracovního nasazení a invence by smyčka nebyla nikdy dokončena.
V první fázi vzniklo 12 různých návrhů. Po provedení tepelných výpočtů a studií proveditelnosti hlavních komponent byly vybrány dvě koncepce, u kterých byl proveden detailní návrh a ekonomická analýza s optimalizací technologie. Hlavními hodnotícími parametry byly – možnost regulace, flexibilita zařízení a ekonomická náročnost. Po uvážení všech aspektů, byla vybrána varianta bez separátoru parovodní směsi a bez rekuperačního výměníku, s testovací sekcí vytápěnou přímým průchodem stejnosměrného proudu a sběrem dat na platformě CompactRIO, jejíž 3D vizualizace je na Obr. 1.
Maximální provozní tlak v testovací sekci byl zvolen na úrovni 1,5 MPa což odpovídá teplotě sytosti vody 198,3°C. Vstupní teplota do testovací sekce je omezena teplotou chladicí vody z vodovodního řadu a výkonem tepelných výměníků. Maximální vstupní teplota do testovací sekce je omezena flashingem či kavitací regulačního ventilu. Maximální odváděný tepelný výkon při ΔT = 10°C odpovídá návrhovému stavu tepelných výměníků, které jsou dimenzovány na 100 kW při nominálním průtoku média. Rozsah pracovních tlaků je 0,1 – 1,5 MPa s maximálním hmotnostním průtokem 0,66 kg/s.
Zdroj stejnosměrného proudu (Obr. 2) byl navržen, vyvinut a vyroben v laboratořích Ústavu výkonové elektrotechniky a elektroniky FEKT. Zdroj je koncipován tak, aby byl schopen plně využít maximálního příkonu, který je dostupný pro laboratoř Výroby elektrické energie FEKT, kde je smyčka umístěna (přípojka 3x 400 V / 200 A). Zdroj je schopen provozu ve třech režimech definovaných testovaným vzorkem (65 V / 1500 A, 100 V / 1200 A, 400 V / 300 A).
Pro značení tratě je použit standardní systém inspirovaný značením KKS, tak aby se studenti mohli blíže seznámit se systémem značení, který najdeme na každé české elektrárně. K řízení slouží software Test Cell vyvinutý týmem Ing. Pavla Houšky z Ústavu automatizace FSI. Test Cell využívá prostředí NI LabView. Velká pozornost byla zaměřena na vylepšení a optimalizaci systému měření a řízení, především na odstranění elektromagnetického rušení způsobeného zdrojem.
Pro účely najíždění, testovaní a validace výsledků smyčky byla zvolena testovací sekce s maketou jednoho palivového proutku. Modulární koncepce testovací sekce umožňuje různé druhy experimentů odlišující se délkou či počtem ohřívaných proutků. Jednotlivé průřezy testovacích kanálů, které lze aplikovat na testovací sekci, jsou znázorněny na Obr. 3. V levé části obrázku jsou patrné palivové proutky udržované v geometrické formaci pomocí distančních mřížek používaných v reaktorech VVER-440. V pravé části obrázku je znázorněna testovací geometrie používaná v reaktorech PWR s čtvercovou palivovou mříží.
Kromě kritického tepelného toku bude smyčka využívána k výzkumu zaplavování přehřáté aktivní zóny (quenchingu) při vyšším než atmosférickém tlaku. Jedná se o velmi důležitý a poměrně málo prozkoumaný jev, který je nutné studovat pro pochopení dynamiky určité skupiny havarijních stavů jaderných reaktorů.
Najíždění a první provozní experimenty
V březnu 2020 bylo úspěšně dosaženo prvního testovacího kritického tepelného toku na maketě palivového proutku. Předcházelo tomu několik měsíců přípravy a zejména změny a optimalizace řídícího systému, který se ukázal jako příliš pomalý na takto složité a rychlé jevy, zejména s ohledem na pulzace proudu. Musel být určen správný postup najíždění smyčky. Ukázalo se například, že příliš rychlé zvyšování výkonu ohříváků smyčky bez řádného prohřátí kondenzátoru vede k nespolehlivým výsledkům. Během jara a léta 2020 byly i s důsledným dodržováním pandemických opatření provedeny stovky experimentů. Provést jeden experiment trvá přibližně 40 minut.
Experimentů se kromě Ladislava Suka účastnili také doktorandi Ústavu elektroenergetiky FEKT Kamil Števanka a Taron Petrosyan. V akademickém roce 2020/2021 by se k nim měli přidat i diplomanti a bakaláři FEKT. První sada experimentů byla provedena na trubce z niklové superslitiny Inconel 625 o délce 400 mm s různou povrchovou úpravou. Výsledky a popis první sady experimentů se podařilo publikovat v impaktovaném Open Access časopise Energies pod názvem:“Experimental Investigation of Critical Heat Flux on Different Surfaces at Low Pressure and Low Flow“.
Řez testovací sekcí je zobrazen na Obr. 4. Dosažení kritického tepelného toku bylo detekováno pomocí termočlánkové sondy. Někdy však došlo ke krizi v místě neosazeném termočlánky, čímž došlo k nárůstu teploty až o více než 500°C a místo krize začalo svítivě žhnout (viz Obr. 5). Na některých experimentech se rovněž podílel Daniel Vlček, doktorand z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického v Praze. Ten se bude i nadále účastnit dalších experimentů, zaměřených zejména na studium kritického tepelného toku na povrchu různých inovativních materiálů palivového pokrytí pokročilého jaderného paliva nazývaného Accident Tolerant Fuel.
Závěr
V letošním roce byla smyčka M.R.C.H.A. úspěšně uvedena do provozu. I přes komplikace a problémy během realizace se jedná o úspěšný a svým způsobem unikátní projekt, na kterém se podílela řada pracovníků VUT a ČVUT z několika různých fakult a ústavů. V budoucnu bude smyčka využita k dalšímu výzkumu i výuce. Hlavní náplní dalších experimentů bude zejména testování pokročilých paliv ATF a quenchingu – studium zaplavování přehřátého jaderného paliva. Společně s FJFI ČVUT a se zahraničními partnery z USA, Ruské federace nebo Jižní Koreji uvažujeme o rozšíření prací na smyčce s pomocí grantových projektů Technologické či Grantové agentury České republiky.
Doc. Ing. Karel Katovský, Ph.D.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
