Исследователи из швейцарского Института Пауля Шеррера (PSI) завершили серию экспериментов по изучению систем пассивного охлаждения для малых модульных реакторов (ММР). Впервые в распоряжении отрасли появились высокоточные эмпирические данные, описывающие процессы безопасности в масштабе, близком к реальному промышленному объекту. Работа, результаты которой опубликованы в научном журнале «Nuclear Engineering and Design», проводилась на базе экспериментального комплекса PANDA при участии специалистов из десяти стран.
В отличие от традиционных атомных станций большой мощности, где для локализации аварий используются активные системы с насосами и клапанами, безопасность ММР обеспечивается за счет фундаментальных физических законов. Конденсация, гравитация и разница плотности сред позволяют охлаждать реактор без внешнего электроснабжения и участия оператора. До настоящего времени проектирование таких систем опиралось на ограниченный объем данных, что создавало сложности при верификации компьютерных моделей, описывающих аварийные сценарии.
Экспериментальная установка PANDA представляет собой пятиэтажный комплекс высотой 25 метров и объемом около 500 кубических метров. Она позволяет имитировать процессы внутри реакторной установки без использования радиоактивных материалов. Пар с температурой до 200 градусов Цельсия и давлением до 10 бар вырабатывается электронагревателем мощностью 1,5 МВт, а состояние среды анализируется с помощью масс–спектрометров и 1450 прецизионных датчиков.
В ходе тестов ученые подтвердили эффективность замкнутого контура охлаждения, работающего по принципу естественной циркуляции. В случае инцидента пар попадает на поверхность вертикальной трубы с холодной водой, конденсируется и стекает обратно в реактор. Нагретая внутри трубы жидкость поднимается вверх и отдает энергию внешнему резервуару, после чего возвращается в цикл. Эта схема полностью исключает риск отказа систем безопасности из-за потери электропитания на площадке АЭС.
С помощью высокоскоростных камер исследователи впервые детально зафиксировали, как внутри защитной оболочки происходит разделение газов: воздух скапливается в нижней части, а водяной пар – в верхней. Этот эффект напрямую влияет на интенсивность теплоотвода и должен учитываться при проектировании новых установок, иначе расчетная эффективность может оказаться завышенной. Также было доказано, что вблизи охлаждающих поверхностей ключевую роль играет диффузия, а не крупные конвекционные потоки газа.
Полученные результаты станут базой для международных стандартов оценки безопасности и лицензирования перспективных атомных станций. В проекте уже задействованы 25 научных организаций со всего мира, использующих данные PSI для уточнения своих расчетных кодов. Следующим этапом станет инициатива PANDA-2, в рамках которой до 2030 года будут изучаться сценарии длительной автономной работы систем безопасности в условиях сложных аварийных режимов.
