alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.04-06.037-056alternative-1310Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYИНЖЕНЕРНАЯ РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РЕКОМБИНАТОРА ВОДОРОДА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛНОМАСШТАБНЫХ РАСЧЕТОВHYDROGEN CATALYTIC RECOMBINER’S ENGINEERING MODEL FOR DYNAMIC FULL-SCALE CALCULATIONSАвдеенковА. В.AvdeenkovA. V.

канд. физ.-мат. наук, зам. генерального директора АО «ГНЦ РФФЭИ», Россия; экстраординарный профессор национального центра «Водород ЮАР» при Северо- Западном университете, ЮАР

Ph.D. in Physics and Mathematics, Institute of Physics and Power Engineering (Russia); Deputy General Director of DST National Center; Extraordinary Professor at “HySA Infrastructure” of NorthWest University

СергеевВл. В.SergeevVl. V.

старший научный сотрудник

Senior Researcher

СтепановА. В.StepanovA. V.

начальник лаборатории

Head of Laboratory

МалаховА. А.MalakhovA. A.

инженер- исследователь

EngineerResearcher

КошмановД. Е.KoshmanovD. Y.СоловьевС. Л.SolovievS. L.

д-р техн. наук, научный руководитель

D.Sc. in Engineering, Supervisor

БессарабовД. Г.BessarabovD. G.

канд. хим. наук, директор национального центра «Водород ЮАР» при Северо-Западном университете, ЮАР

Ph.D. in Chemistry, DST National Center: HySA Infrastructure: Director, North-West University

Dmitri.Bessarabov@nwu.ac.zaНациональный центр «Водород ЮАР», Северо-Западный университет; Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт (ФЭИ)РоссияDST Hydrogen Infrastructure Center of Competence (HySA Infrastructure), Faculty of Engineering North-West University; State Scientific Center of Russian Federation – Institute of Physics and Power Engineering (IPPE)Russian FederationГосударственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт (ФЭИ)РоссияState Scientific Center of Russian Federation – Institute of Physics and Power Engineering (IPPE)Russian FederationИнвестиционная научно-производственная компания “Русские энергетические технологии” (РЭТ)РоссияInvestment Scientific-Production Company” Russian Energy Technologies” (RET)Russian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации АЭС (ВНИИАЭС)РоссияAll-Russian Research Institute for Nuclear Power Plants Operation (VNIIAES)Russian FederationНациональный центр «Водород ЮАР», Северо-Западный университетЮжно-Африканская РеспубликаDST Hydrogen Infrastructure Center of Competence (HySA Infrastructure), Faculty of Engineering North-West UniversitySouth Africa20182204201804-63756Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1310

На подавляющем большинстве атомных электростанций с блоками водо-водяных энергетических реакторов для защиты герметичного ограждения и размещаемого в ней оборудования и систем реакторной установки от повреждения в результате возгорания (взрыва) водорода предусмотрены система контроля концентрации водорода и система аварийного удаления водорода. Эти системы выполняют функции по предотвращению образования взрывоопасных смесей в зоне локализации аварий путем поддержания объемной концентрации водорода в смеси ниже пределов безопасности, что обеспечивает сохранение плотности и прочности герметичного ограждения и работоспособности других локализующих систем безопасности. Ключевым компонентом системы аварийного удаления водорода является пассивный каталитический рекомбинатор водорода, работа которого основана на принципе каталитической рекомбинации водорода и кислорода.  В работе принималась во внимание острая необходимость в проведении полномасштабных динамических расчетов развития аварийных режимов в контейнменте АЭС, сопровождающихся большим выбросом водорода. Для этого на основе имеющихся экспериментальных данных разработана и обоснована простая инженерная теплогидравлическая модель удаления водорода при работе пассивного каталитического рекомбинатора водорода. Представлены результаты применения модели в составе контурных отраслевых кодов: RELAP, TRACE, КОРСАР, – которые предназначены, в том числе, для проведения сквозных многофакторных и полномасштабных расчетов динамики аварийных процессов с выходом водорода в помещения АЭС. Данная модель позволяет обосновать динамику локальных концентраций газовых компонентов смеси в замкнутом пространстве, температур смеси, катализатора и стенок бокса, давления при подаче в бокс водорода, пара. Проанализированы различные скорости подачи водорода в закрытый бокс для численного обоснования времени, за которое достигается уровень максимальной концентрации. Рассчитана производительность для нескольких входных концентраций водорода. По результатам сопоставления расчетных и имеющихся экспериментальных данных получено удовлетворительное согласие динамики концентраций, температур катализатора и газа и производительности пассивного каталитического рекомбинатора водорода.

 

In order to protect the hermetic enclosure and the equipment and systems of the reactor installation housed in it from damage caused by the ignition (explosion) of hydrogen, the overwhelming majority of nuclear power plants with pressurized water reactors are provided with a hydrogen concentration monitoring system and an emergency hydrogen removal system. These systems prevent the formation of explosive mixtures in the accident localization zone by maintaining the volume concentration of hydrogen in the mixture below the safety limits which ensures the preservation of the density and strength of the hermetic enclosure and the operability of other localizing security systems. A key component of the emergency hydrogen removal system is a passive autocatalytic hydrogen recombiner which operation is based on the principle of catalytic recombination of hydrogen and oxygen. There is an urgent need for a full-scale dynamic calculation of the development of emergency conditions in a nuclear power plant container accompanied by a large release of hydrogen. In order to achieve this goal, we have constructed and justified a simple engineering thermohydraulic model of hydrogen removal in the operation of the PAR based on the available experimental data. The paper presents the application results of the model as a part of contour industry codes: RELAP, TRACE, and CORSAR, intended, among other things, for carrying out multifactor and fullscale calculations of the dynamics of emergency processes with the release of hydrogen into the nuclear power plant premises. This model allows us to substantiate the dynamics of local concentrations of gas components of the mixture in a confined space, the temperature of the mixture, the catalyst and the walls of the box, the pressure when hydrogen or steam is supplied to the box. We have analyzed various rates of hydrogen supply to a closed box in order to numerically substantiate the time when the concentration reached the maximum level. Moreover, we have calculated the performance for several entrance concentrations of hydrogen, and obtained a satisfactory agreement between the dynamics of the concentrations, temperatures of the catalyst and gas, and the productivity of the passive autocatalytic hydrogen recombiner. These calculations are based on the results of the calculated and the available experimental data comparison.

атомная электростанцияводо-водяной энергетический реакторгерметичная оболочказона локализации аварийпассивный каталитический рекомбинатор водородасистема водородной безопасностиnuclear power plantpressurized water reactorhermetic enclosureaccident localization areapassive autocatalytic hydrogen recombinerhydrogen safety systemReferencesInternational Atomic Energy Agency. Mitigation of Hydrogen Hazards in Severe Accidents in Nuclear Power Plants. IAEA-TECDOC-1661, Vienna, IAEA, 2011 [Элек-тронный ресурс]. – Режим доступа: https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/TE_1661_Web.pdf (Дата обращения: 05.10.2017).[1] Mitigation of Hydrogen Hazards in Severe Accidents in Nuclear Power Plants (Smyagchenie opasnostei, svyazannykh s vodorodom pri tyazhelykh avariyakh na atomnykh elektrostantsiyakh), IAEA-TECDOC (IAEA), 2011;1661. Available on: https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/TE_1661_Web.p df (05.10.2017) (in Eng.).Hydrogen in Water – Cooled Nuclear Power Reactors – IAEA and CEC, Vienna-Brussels, 1992. – EUR-14037.[2] Hydrogen in Water – Cooled Nuclear Power Reactors (Vodorod v vodoohlazhdaemyh Jadernyh Jenergeticheskih Reaktorah), IAEA and CEC, 1992;EUR-14037 (in Eng.).Autokatalytishe Rekombinator syteme, Wasserstoffabbau SIEMENS AG(KWU), 1998; NDS9.[3] Autocatalytic Recombinant Systems (Avtokataliticheskie Rekombinacionnye Systemy). Wasserstoffabbau SIEMENS AG(KWU), 1998;NDS9 (in Deu.).Ferroni, F. Containment protection with hydrogen recombiners [Text] / F. Ferroni, L. Schiel, P. Collins // Atw. Atomwirtschaft, Atomtechnik. – 1994. – Vol. 39. – No 7. – P. 513–514.[4] Ferroni F., Schiel L., Collins P. Containment protection with hydrogen recombiners (Protivoavariinaya zashchita v rekombinatorakh vodoroda). Atw. Atomwirtschaft, Atomtechnik, 1994;39(7)513–514 (in Deu.).Девит, У.А. Разработка водородного рекомбинатора в компании «Атомик Энержи оф Кэнада, Лимитед» (AECL) / У.А. Девит [et al]. – Семинар OCED/NEA/CSNI: «Реализация способов локализации водорода». Виннипег, 12–16 мая 1996.[5] Devit U.A., Koroll J.N., Luazel’-Sitar J. Development of a hydrogen recombiner in the “Atomic Energy of Canada Limited” company (AECL) (Razrabotka vodorodnogo rekombinatora v kompanii “Atomik Enerzhi of Kanada Limited”). Workshop OECD/NEA/CSNI “The Implementation of hydrogen mitigation techniques”, 1996;NEA/CSNI/R(96)9 (in Eng.).«Пассивный каталитический рекомбинатор водорода РВК-500». Технические условия РЭТ-101.00.000 ТУ, Москва, 2004.[6] Passive catalytic hydrogen recombiner RVK-500 (Passivnyi kataliticheskii recombinator vodoroda RVK-500). Tekhnicheskie usloviya RET-101.00.000, 2004; (in Russ.).«Пассивный каталитический рекомбинатор водорода РВК-500, РВК-1000». Технические условия РЭТ-101.00.000 ТУ. – Москва, 2005.[7] Passive catalytic hydrogen recombiner RVK-500, RVK-1000 (Passivnyi kataliticheskii recombinator vodoroda RVK-500, RVK-1000). Tekhnicheskie usloviya RET-101.00.000, 2005 (in Russ.).Anpilov, S.V. Mathematical Modeling of Heat and Mass Transfer in a Passive Autocatalytic Recombiner [Text] / S.V. Anpilov [et al.] // Thermal Engineering. – 2013. – Vol. 60. – No 11. – P. 818–822.[8] 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 (Matematicheskoe modelirovanie teplomasso perenosa v passivnom avtokataliticheskom rekombinatore). Thermal Engineering, 2013;60(11)818– 822 (in Russ.).Blanchat, K. Analysis of hydrogen depletion using a scaled passive autocatalytic recombiner [Text] / K. Blanchat [et al.] // Nuclear Engineering and Design. – 1999. – Vol. 187. – P. 229–239.[9] Blanchat K. et al. Analysis of hydrogen depletion using a scaled passive autocatalytic recombiner (Analiz udaleniya vodoroda pri pomoschi masshabiruemykh passivnyh recombinatorov vodoroda). Nuclear Engineering and Design, 1999;187:229–239 (in Eng.).Reinecke, E. Studies on innovative hydrogen recombiners as safety devices in the containments of light water reactors [Text] / E. Reinecke // Nuclear Engineering and Design. – 2004. – Vol. 230. – P. 49–59.[10] Reinecke E. Studies on innovative hydrogen recombiners as safety devices in the containments of light water reactors (Issledovanie perspektivnyh recombinatorov vodoroda kak sredstvo obespecheniya bezopasnosti kontainmentov legko-vodyanyh reaktorov). Nuclear Engineering and Design, 2004;230:49–59 (in Eng.).Meynet, N. Progress in PARs modeling for reactor application, 6th European Review meeting on Severe Accident Research [Text] / N. Meynet [et al.] // (ERMSAR-2013) Avignon (France), Palais des Papes, 2–4 October, 2013.[11] Meynet N. et al. Progress in PARs modeling for reactor application, 6th European Review meeting on Severe Accident Research (Progress v modelirovanii PKRV dlya reaktornyh prilozheni). ERMSAR-2013, Avignon (France), Palais des Papes, 2–4 October, 2013 (in Eng.).Reinecke, E. Open issues in the applicability of recombiner experiments and modelling to reactor simulations [Text] / E. Reinecke [et al.] // Progress in Nuclear Energy. – 2010. – Vol. 52. – P. 136–147.[12] Reinecke E. et al., Open issues in the applicability of recombiner experiments and modelling to reactor simulations (Otkrytye voprosy primenimosti experimentov i modelirovaniya s rekombinatotami k reaktornomu modelirovaniyu). Progress in Nuclear Energy, 2010;52:136–147 (in Eng.).Программа работ по устранению замечаний Ростехнадзора к пассивным каталическим рекомбинаторам водорода (утверждена первым заместителем Генерального директора ОАО «Концерн Росэнергоатом» Асмоловым В.Г. в 2015 г.).[13] Program of work to eliminate comments from Rostekhnadzor to passive catalytic hydrogen recombiners (Approved by First Deputy Director General of OJSC “Rosenergoatom Concern” Asmolov V.G.) (Programma rabot po ustraneniyu zamechanii Rostechnadzora k passivnym kataliticheskim rekombinatoram vodoroda (Utverzhdena pervym zamestitelem General’nogo direktora OAO “Kontsern Rosenergoatom” Asmolovym V.G.), 2015 (in Russ.).Отчет АО «ГНЦ-РФ-ФЭИ» «Экспериментальные исследования по теме и обоснование проектных характеристик рекомбинаторов водорода производства ЗАО НПК «РЭТ». Инв. № 224/5.42.02-16/13141. Договор № 5296 от 18.07.2016 г. Этап 7»; Анализ выполненных испытаний по определению характеристик рекомбинаторов, Этап 1, Инв. № 224/5.42.02-15/8055 конф. г. Обнинск, 2016 г.[14] Report of JSC “SSC RF-IPPE” on “Experimental research and justification of the design characteristics of hydrogen recombiners produced by ZAO NPK «RET» No 224/5.42.02-16/13141, contract No 5296 of July 18, 2016, Stage 7”; Analysis of performed tests to determine the characteristics of recombiners, Stage 1, No. 224/5.42.02-15/8055 (Otchet AO “GNC RF-FEI” po teme “Jeksperimental’nye issledovanija i obosnovanie proektnyh harakteristik recombinatorov vodoroda proizvodstva ZAO NPK “RET” №224/5.42.02-16/13141, dogovor №5296 Jetap 7”; Analiz vypolnennyh ispytanij po opredeleniju harakteristik rekombinatorov, Jetap 1, №224/5.42.02-15/8055), 2016 (in Russ.).Appel, C. An experimental and numerical investigation of homogeneous ignition in catalytically stabilized combustion of hydrogen/air mixtures over platinum [Text] / C. Appel [et al.] // Combustion and Flame. – 2002. – Vol. 128. – No 4. – P. 340–368[15] Appel C., Mantzaras J., Schaeren R., Bombach R., Inauen A., Kaeppeli B., Hemmeling B., Stamponi A. An experimental and numerical investigation of homogeneous ignition in catalytically stabilized combustion of hydrogen/air mixtures over platinum (Experimental’noe i chislennoe issledovanie gomogennogo vosplameneniya pri kataliticheski stabilizirovannom szhiganii smesi vodoroda/vozdushnoi smesi nad platinoi). Combustion and Flame, 2002;128(4)340–368 (in Eng.).Rinnemo, M. Experimental and Numerical Investigation of the Catalytic Ignition of Mixtures of Hydrogen and Oxygen on Platinum [Text] / M. Rinnemo [et al.] // Combustion and Flame. – 1997. – Vol. 111. – No 4. – P. 312–326.[16] Rinnemo M., Deutchmann O., Behrendt F., Kasemo B. Experimental and Numerical Investigation of the Catalytic Ignition of Mixtures of Hydrogen and Oxygen on Platinum (Experimental’noe i chislennoe issledovanie kataliticheskogo szhiganiya smesi vodoroda I kisloroda na platine). Combustion and Flame, 1997;111(4)312–326 (in. Eng.).Schefer, R.W. Catalyzed Combustion of H2/Air Mixtures in a Flat Plate Boundary Layer: II. Numerical Model [Text] / R.W. Schefer // Combustion and Flame. – 1982. – Vol. 45. – P. 171–190.[17] Schefer R.W. Catalyzed Combustion of H2/Air Mixtures in a Flat Plate Boundary Layer: II. Numerical Model (Katalizirovannoe szhiganie vodorodo/vozdushnykh smesei v ploskom pogranichnom sloe: II. Chislennaya model’). Combustion and Flame, 1982;45:171–190 (in Eng.).Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике [Текст] / Д.А. Франк-Каменецкий. – М.: Наука, 1987. - 502 с.[18] Frank-Kamenetskii D.A. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics (Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoi kinetike). Moscow: Nauka Publ., 1987;502 (in Russ.).Правила обеспечения водородной взрывозащи-ты на атомной станции НП-040-02. – Москва 2002.[19] Ensuring hydrogen explosion protection at the Nuclear Power Plant (Pravila obespecheniya vodorodnoi vzryvozashchity na atomnoi stancii). 2002;NP-040-02 (in Russ.).Отчет «Обеспечение водородной взрывобе-зопасности на АЭС с корпусными реакторами под давлением. Современное состояние вопроса», АО «ВНИИАЭС», 2017 / Соловьев С.Л., Михальчук А.В., Авдеенков А.В.[20] Solov’ev S.L., Mikhal’chuk A.V., Avdeenkov A.V. Report of “Ensuring hydrogen explosion protection at the NPP with the boiling water reactor. Current state of the issue” (Otchet “Obespechenie vodorodnoi vzryvobezopasnosti na AES s korpusnnymi reaktorami pod davleniem. Sovremennoe sostoyanie voprosa”). JSC “VNIIAES”, 2017 (in Russ.).«Пассивные каталитические рекомбинаторы во-дорода РВК-500, РВК-1000», РЭТ-111.00.000 ТУ, 2007.[21] Passive catalytic hydrogen recombiner RVK-500, RVK-1000 (Passivnyi kataliticheskii recombinator vodoroda RVK-500, RVK-1000). Tekhnicheskie usloviya RET-111.00.000, 2007 (in Russ.).

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