автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Обоснование режимов вакуумного осушения контейнеров с отработавшим ядерным топливом РБМК-1000 на основе расчетного моделирования процессов тепломассообмена

На правах рукописи

////^

Иванов Михаил Борисович

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ВАКУУМНОГО ОСУШЕНИЯ КОНТЕЙНЕРОВ С ОТРАБОТАВШИМ ЯДЕРНЫМ ТОПЛИВОМ РБМК-1000 НА ОСНОВЕ РАСЧЕТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

Специальность 05.14.03 —Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ — 2006

Работа выполнена во ФГУП «Научно-исследовательский технологический институт им. А.П. Александрова» (НИТИ), г. Сосновый Бор, Ленинградской обл.

Научный руководитель: — доктор техн. наук, профессор Василенко Вячеслав Андреевич

Официальные оппоненты:

— доктор техн. наук, профессор

— кандидат техн.наук

Кириллов Александр Иванович Солодовников Александр Сергеевич

Ведущая организация: ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика A.A. Бочвара» (ВНИИНМ им. A.A. Бочвара), Москва.

Защита состоится 26 декабря 2006 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу:

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29 в аудитории 411 ПГК

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «24» ноября 2006 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.04, кандидат технических наук, доцент

К.А. Григорьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Утилизация отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) является одной из острейших проблем отечественной атомной энергетики. Тепловыделяющие сборки после завершения эксплуатации на первоначальном этапе хранятся в приреакторных, а затем и в отдельностоящих бассейнах выдержки (БВ) на территории атомных станций в специально предназначенных для этого хранилищах отработавшего ядерного топлива (ХОЯТ). Емкость этих бассейнов ограничена и не рассчитана на размещение всего ОЯТ за срок службы энергоблоков. Согласно мировой практике обращения с ОЯТ, отработавшее топливо, не подлежащее переработке, после первоначального этапа бассейнового «мокрого» хранения переводится на длительное сухое хранение, иначе называемое промежуточным (interim storage), предполагаемый срок которого составляет около 50 лет. По завершении этого периода отработавшее топливо подлежит окончательному захоронению (final disposal) в геологических формациях. Такой технологический цикл позволяет свести к минимуму возможные экологические риски.

Большую часть отработавшего топлива в нашей стране составляет ОЯТ РБМК-1000, не подлежащее переработке ввиду низкого содержания делящихся элементов. В России существует всего три атомные станции с реакторами данного типа — Ленинградская, Курская и Смоленская. Наиболее критическая ситуация сложилась на Ленинградской АЭС, первой из введенных в эксплуатацию, для которой прогнозируемый срок окончательного заполнения бассейнов выдержки ОЯТ приходится на 2007 — 2008 годы. Для решения данной проблемы Минатомом Российской Федерации (в настоящее время Федеральное агентство по атомной энергии) была разработана технология перевода ОЯТ энергетических станций на длительное сухое хранение, предусматривающая для топлива РБМК-1000 две взаимодополняющие схемы:

- первоначальный этап — размещение отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) в специальных двухцелевых контейнерах на территории атомных станций;

- окончательный этап - доставка ОЯТ в этих же контейнерах в централизованное сухое хранилище на Красноярском ГХК, где его и предполагается содержать до истечения всего срока длительного сухого хранения.

Для реализации этой технологии предполагается использовать специальные двухцелевые металлобетонные контейнеры (МБК), отвечающие отечественным нормативам безопасного хранения и транспортирования ОЯТ и требованиям МАГАТЭ, разработанные Конструкторским Бюро Специального Машиностроения (КБСМ). Необходимо отметить, что перевод отработавшего топлива РБМК-1000 на сухое контейнерное хранение на Ленинградской атомной станции будет осуществляться впервые в нашей стране. В дальнейшем эта технология будет использоваться на Курской и Смоленской АЭС с учетом привязки к местности и особенностей их помещений.

Согласно рекомендациям МАГАТЭ, на этапе промежуточного сухого хранения топливо должно быть изолировано от окружающей среды не менее чем двумя барьерами герметичности, одним из которых являются оболочки твэлов. Необходимым условием сохранения их целостности в течение всего указанного периода является минимальное содержание влаги в газовой среде, контактирующей с топливом, обеспечивающее отсутствие коррозии соответствующих материалов.

Технология перевода ОЯТ РБМК-1000 на сухое контейнерное хранение, предусматривает ряд этапов, в число которых входят его доставка из бассейнов выдержки в специальное помещение, разделка отработавших сборок на пучки твэлов, их загрузка в металлобетонный контейнер и герметизация последнего. Поскольку при этих операциях не предусмотрено никаких специальных мер, препятствующих попаданию влаги в МБК с ОЯТ, одним из важнейших последующих этапов его подготовки к длительному сухому хранению является вакуумное осушение, которое осуществляется путем откачки парогазовой среды из его внутренней полости через специальное клапанное устройство. Давление в контейнере при этом падает, находящаяся там вода выкипает вследствие понижения температуры насыщения и удаляется в виде пара. Основными параметрами, характеризующими технологический процесс вакуумного осушения, являются степень разрежения во внутреннем объеме МБК и его длительность, то есть время, в течение которого при существующем уровне остаточного тепловыделения ОЯТ и заданной температуре окружающего воздуха влагосодержание в контейнере достигнет допустимого значения 20 г/м3. Последний показатель особенно важен, поскольку при проведении этой технологической операции необходимо уложиться в период, отводимый общим регламентом — не более 7 суток. Воспользоваться зарубежным опытом и оценками для указанных типов контейнеров было достаточно затруднительно, вследствие особенностей их конструкции и существенных отличий условий обращения с топливом на предшествующих технологических этапах. При разработке технологии вакуумного осушения крайне важно было получить представление о рабочих параметрах и длительности этой операции на первоначальном этапе проектирования, чтобы при необходимости внести изменения в проектную документацию до начала опытно-экспериментальной отработки технологии. Время, отводимое на решение данной задачи, определялось предполагаемым сроком ввода в эксплуатацию всего комплекса сухого хранения на Ленинградской атомной станции (2007 — 2008 г.), и составляло не более двух — трех лет. В этой ситуации наиболее целесообразным и экономически приемлемым путем определения оптимальных рабочих характеристик процессов, протекающих в МБК и, как следствие, требований, предъявляемых к технологическому оборудованию, является проведение расчетно-теоретических исследований в широком диапазоне параметров. Использование в качестве инструмента для проведения данного анализа коммерческих вычислительных пакетов, равно как и специализированных программных средств, для расчета теплового состояния контейнеров в условиях сухого хранения, невозможно по следующим причинам:

— в первом случае, из-за сравнительно низкой вычислительной эффективности, которая не дает возможность провести серийные исследования различных режимов, каждый из которых может длиться несколько суток;

- во втором, вследствие принципиальной невозможности алгоритмов данного семейства моделировать процессы межфазного тепломассопереноса.

Создание специализированных программных средств анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения для последующего обоснования с их помощью режимов этой технологической операции являлось фактически уникальной задачей. За рубежом, в странах с развитой ядерной энергетикой, обоснование вакуумной осушки проводилось в 80-е годы прошлого столетия для гораздо более простых в конструктивном отношении контейнеров, в основном на базе экспериментов,

поскольку для этого в распоряжении разработчиков имелось достаточно времени и средств. В России же, потребность в расчетном обосновании вакуумного осушения контейнеров УКХ-104, УКХ-109 возникла лишь несколько лет назад, к моменту их создания, в силу особенностей их конструкции и крайней ограниченности сроков.

Все вышеизложенное и определило цели диссертационной работы:

1. Обоснование режимов вакуумного осушения контейнеров УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 с помощью расчетного анализа процессов тепломассообмена в условиях данной технологической операции для проектного регламента Ленинградской атомной станции в широком диапазоне определяющих условий и параметров.

2. На основе проведенного анализа выработать необходимые практические рекомендации по рабочим режимам вакуумного осушения и возможной замене или модификации узлов оборудования, не обеспечивающих требуемых параметров процесса.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать комплексную математическую модель процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения и соответствующий вычислительный алгоритм, учитывающие особенности их конструкций и специфику физических процессов при данной технологической операции.

2. Разработать на основе созданного алгоритма специализированные программные средства, обеспечивающие анализ моделируемых процессов в реальном масштабе времени и обладающие необходимым инженерным интерфейсом.

3. Обосновать достоверность разработанной расчетной методики и реализующих ее программных средств.

4. Провести с помощью разработанных программных средств расчетные исследования процессов тепломассообмена в указанных типах контейнеров с ОЯТ РБМК при вакуумном осушении в широком диапазоне параметров, основываясь на технологическом регламенте для Ленинградской атомной станции, в ходе которых:

— проанализировать основные закономерности механизмов тепло- и массопереноса в условиях данной технологической операции;

— проанализировать влияние физических эффектов и особенностей конструкции этих упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса;

— определить физические критерии реализуемости этой операции и оценить максимальную расчетную длительность процесса осушки при условии непрерывной работы оборудования;

— обосновать рабочие режимы вакуумного осушения этих контейнеров в существующем диапазоне проектных условий и параметров.

Научная новизна.

1. Разработаны комплексная математическая модель и вычислительный алгоритм для анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 при вакуумном осушении, учитывающие особенности их конструкции и специфику механизмов переноса тепла и массы в этих условиях.

2. Данные математическая модель и алгоритм реализованы в виде специализированных программных комплексов с необходимым для инженерных расчетов интерфейсом, позволяющих моделировать исследуемые процессы в реальном масштабе времени.

3. С помощью разработанных программных средств проведен расчетный анализ процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 при вакуумном осушении в широком диапазоне параметров для технологического регламента Ленинградской атомной станции, при этом получены следующие результаты:

— проанализированы основные закономерности механизмов тепло- и массопереноса в условиях данной технологической операции;

— проанализировано влияние физических эффектов и особенностей конструкции этих упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса;

— определены физические критерии реализуемости этой операции и оценена максимальная расчетная длительность процесса осушки при условии непрерывной работы оборудования;

— обоснованы рабочие режимы вакуумного осушения этих контейнеров в существующем диапазоне проектных условий и параметров.

Достоверность результатов работы подтверждается сопоставлением результатов, полученных с помощью разработанных программных средств, с различными экспериментальными и расчетными данными.

Практическая ценность.

1. Первые версии программных комплексов 00420 и С10920, предназначенных для моделирования процессов тепломассообмена в упаковочных комплектах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения, в 2001 г. были переданы Главному конструктору и разработчику средств осушки этих контейнеров (КБСМ).

2. Результаты расчетно-теоретического анализа процессов тепломассообмена в металлобетонных контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения и полученные на их основе рекомендации по условиям реализуемости и оптимизации рабочих режимов для данной операции были использованы на практике:

— Главным Конструктором УКХ-104 и УКХ-109 (КБСМ) для корректировки рабочих параметров технологического процесса вакуумного осушения и обоснования замены конденсатора с водяным охладителем на аппарат с пропиленгликолевым хладагентом в составе оборудования средств осушки этих упаковочных комплектов;

— Минатомом Российской Федерации (ныне Федеральное агентство по атомной энергии) при обосновании условий обращения с ОЯТ РБМК-1000 при его переводе с «мокрого» на сухое хранение в рамках соответствующей отраслевой задачи.

— Разработанная расчетная методика и реализующие ее программные средства после их доработки могут быть адаптированы для анализа процессов тепломассообмена в условиях вакуумного сушения к другим типам контейнеров с отработавшим ядерным топливом, с учетом их конструктивных особенностей.

На защиту выносятся:

1. Комплексная математическая модель процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения, учитывающая особенности их конструкции и специфику физических процессов при данной технологической операции, и реализующие ее программные комплексы.

2. Анализ основных закономерностей процессов тепломассообмена в указанных типах контейнерах в условиях вакуумного осушения.

3. Анализ влияния физических эффектов и особенностей конструкции данных упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса вакуумной сушки.

4. Расчетное обоснование критериев реализуемости и рабочих режимов вакуумного осушения в проектном диапазоне условий и параметров.

Апробация работы.

Материалы диссертации были доложены и обсуждены: на XI семинаре по проблемам физики реакторов — Москва, 2000; на международных конференциях «Радиационная безопасность» — Санкт-Петербург, 2000, 2001 и 2002; на XIII-ой школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» — Санкт-Петербург, 2001; на Международном семинаре «Экологические проблемы утилизации АПЛ» — Северодвинск, 2001; на Техническом семинаре/совещании МАГАТЭ «Dry Spent Fuel Technology», Санкт-Петербург, 2002; на 4-м семинаре/совещании Ливерморской Национальной Лаборатории (США) по российско-американским контрактам по утилизации оружейного плутония — Санкт-Петербург, 2003; а также на отраслевых семинарах и совещаниях по данной тематике.

Публикации.

Всего по теме диссертации опубликовано 17 работ. Основное содержание диссертации отражено в работах /1 - 10/.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Работа содержит 175 стр., в том числе основного текста 163 стр., библиографии 9 стр. (117 наименований) и приложений 3 стр. В диссертации приводятся 76 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы основные цели диссертации, ее научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, представлена практическая ценность результатов работы. Приведена структура диссертации и кратко изложено содержание основных глав.

В первой главе диссертации представлены объект и задачи исследования, приведено краткое описание конструкции УКХ-104 и УКХ-109, рассмотрен зарубежный опыт вакуумного осушения контейнеров с ОЯТ при подготовке к длительному хранению на примере методики фирмы GNB. Проанализированы специфика отечественной технологии вакуумной осушки и предшествующих ей операций, которые необходимо учитывать при моделировании процессов тепломассообмена.

Контейнер, входящий в упаковочные комплекты УКХ-104 или УКХ-109 (рис. 1) представляет собой толстостенный корпус из особо прочного сверхтяжелого бетона, заключенный между двумя стальными обечайками. Внутри МБК находится чехол (дистанционирующая решетка) с размещенными в нем 114 (УКХ-104) или 144 (УКХ-109) ампулами с пучками твэлов (ПТ), полученными в результате разделки отработавших сборок РБМК-1000. Максимально допустимое выгорание загружаемого топлива — не более 22,8 МВт-сут/кг-и. В соответствие с проектной документацией,

Рисунок 1 - Конструкция металлобетонных контейнеров типа УКХ-104 и УКХ-109: а) загруженный контейнер; б) поперечное сечение чехла; в) ампула с пучком твэлов.

подготовка ОЯТ РБМК-1000 к сухому контейнерному хранению производится на территории атомных станций в специально предназначенных для этого помещениях, примыкающих к ХОЯТ, и включает в себя следующие основные этапы: разделку ОТВС (отделение верхнего ПТ от нижнего, отсечения хвостовика и подвески), размещение их в ампулах, загрузку последних в чехол, установку чехла в контейнер и его герметизацию; период предварительной выдержки в помещении транспортного коридора в течение 24 ч; вакуумное осушение внутренней полости МБК с ОЯТ; заполнение контейнера инертным газом (азотом). Поскольку температурное состояние контейнера с ОЯТ на момент начала вакуумного осушения определяется условиями теплообмена на стадии предварительной выдержки, этот этап также включен в моделируемый период. Основным отличием данного типа контейнеров от упаковок аналогичного назначения является размещение пучков твэлов не

1 - МБК; 2 - герметизирующий лист; 3 - наружная крышка; 4 - внутренняя крышка; 5 — чехол УКХ-104; 6 - ампула с ОЯТ

а)

б)

1 — корпус ампулы;

2 — пучок твэлов.

в)

непосредственно в дистанционирующей решетке, а в специальных ампулах с демпферирующими элементами. Однако этот дополнительный защитный барьер в условиях вакуумного осушения может сыграть свою негативную роль. По оценкам разработчика МБК (КБСМ), на момент его герметизации основная масса воды содержится именно в ампулах - до 250 г в каждой (28,5 или 36 л на УКХ-104 и УКХ-109 соответственно), плюс до 2 л воды на внутренней поверхности контейнера в виде конденсата. Ампулы сообщаются с внутренним объемом МБК через узкий технологический зазор между крышкой и корпусом, имеющий форму лабиринтного уплотнения. Сопротивление этого зазора может отразиться на интенсивности выкипания воды в ампулах и поступлении пара в контейнер. В силу своих конструктивных особенностей рассматриваемые упаковочные комплекты представляют собой сложные многосвязные системы, прогнозировать динамику процессов тепломассообмена в которых на основе упрощенных инженерных оценок невозможно. Кроме того, для моделирования процесса вакуумного осушения контейнеров с ОЯТ необходимо учитывать изменение их температурного состояния на предшествующих этапах подготовки к длительному сухому хранению.

В заключение первой главы сформулированы основные задачи диссертации.

Во второй главе диссертации представлены: анализ характера физических процессов в рассматриваемых условиях, постановка задачи, обзор программ и методик, применяемых для расчета температурного состояния контейнеров с ОЯТ при сухом хранении, математическая модель процессов тепломассообмена в УКХ-104 и УКХ-109 при вакуумном осушении и разработанный на ее основе комплексный нестационарный алгоритм.

Теплофизические процессы, которые протекают при вакуумном осушении, весьма многообразны и характеризуются различной степенью динамики изменения параметров. Это — конвективный и кондуктивный и теплообмен между элементами конструкции и средой, заполняющей контейнер, теплообмен излучением, фазовые переходы (испарение/конденсация) воды, находящейся в полостях ампул и контейнера, перетекание парогазовой смеси между полостями и удаление её из МБК. Процессы в парогазовой среде отличаются крайне малой инертностью (особенно в условиях разрежения) по сравнению с кондуктивным и лучистым переносом тепла. Каждая ампула фактически представляет собой «маленький контейнер», и суммарная генерация пара во всем их массиве будет являться одним из основных факторов, определяющих динамику технологического процесса. Таким образом, мы имеем дело с достаточно сложной сопряженной задачей, для моделирования которой необходимо применить физически обоснованные допущения, позволяющие при программной реализации минимизировать вычислительные затраты без существенной потери точности.

В разделе 2.2 дан краткий обзор существующих отечественных и зарубежных программных средств анализа температурного состояния контейнеров с ОЯТ на этапе длительного сухого хранения. Несмотря на то, что данные алгоритмы в принципе не моделируют межфазные процессы, отдельные используемые в них методики вполне применимы и для данной задачи (в частности, метод конечных элементов — МКЭ).

В разделе 2.3 представлены основные допущения и структура математической модели, а также реализующий ее комплексный нестационарный алгоритм. Для упрощения анализа в модели используются следующие предположения: 1. Все топливо, находящееся в контейнере, имеет одинаковую мощность тепловыделения, при этом учитывается его неравномерность по высоте твэлов

(д/г) = кг(г)). Очевидно, что любые интегральные расчетные параметры, полученные с учетом различных тепловыделений ОЯТ в ампулах, не должны выходить за пределы, полученные при минимальном и максимальном значениях этой величины для всего топлива. В то же время учет его неравномерности по высоте необходим, поскольку в силу специфики упаковки пучков твэлов в ампулы зона максимума тепловыделения для всего ОЯТ будет находиться в нижней части контейнера.

2. Ввиду относительно невысоких энерговыделений ОЯТ, а также малых диаметров твэлов и ампул пренебрегается окружной неравномерностью температуры — поля температур во всех телах, включая контейнер, рассматриваются в осесимметричной постановке. Температуры твэлов в каждом из двух концентрических рядов внутри ампулы, также как и поля температур в ампулах, расположенных в одном гексагональном ряду, полагаются одинаковыми, вследствие чего параметры среды во внутренних объёмах ампул одного ряда также будут одинаковыми — всего рассматривается 5 или 6 ампул (по числу рядов).

3. Параметры парогазовой среды и воды в жидком состоянии во внутреннем объеме контейнера и в каждой из ампул рассчитываются как среднемассовые, при этом из консервативных соображений предполагается, что вся вода в жидком состоянии, содержащаяся в контейнере и ампулах, находится на дне этих объектов.

4. Лучистые тепловые потоки с боковых поверхностей всех рассматриваемых тел распространяются только в направлении нормали, и как следствие, пренебрегается взаимным переоблучением боковых и торцевых поверхностей. Газовая среда в условиях данной задачи предполагается оптически прозрачной на основе спектрального анализа ее поглощательной способности.

Допущения о расчете параметров парогазовой среды в контейнере и ампулах (прежде всего температуры) в среднемассовом приближении, а также о равенстве температур ампул в гексагональном ряду обоснованы с помощью расчетов и теоретических оценок в третьей главе диссертации.

а)

4-Й'

б)

Рисунок 2 - Схема расчетного представления МБК с ОЯТ РБМК-1000: а) контейнера в целом; б) ампулы с ОЯТ.

В предложенной в настоящей диссертации математической модели анализ тепломассообмена в контейнерах с ОЯТ в условиях вакуумного осушения разбит на

отдельные составляющие в соответствии с особенностями и степенью динамики каждого процесса: нестационарной теплопроводности, лучистого, конвективного и мео/сфазного теплообмена внутри МБК и ампул, конвективного теплообмена внешней поверхности корпуса контейнера с окружающей средой. Модели всех механизмов тепло- и массопереноса представлены в соответствующих разделах. Расчет каждого физического процесса автономно на различных шагах интегрирования по времени — нестационарная теплопроводность и лучистый теплообмен рассчитываются с большими временными шагами, которые делятся на достаточно большое число «малых» шагов, внутри которых производится расчет параметров парогазовой и жидкой среды в контейнере и ампулах.

Объект исследования в целом (рис. 2) рассматривается как следующая система тел: корпус контейнера (1) с системой крышек (2); чехол МБК (3); корпуса ампул (4); в каждой из ампул - центральный стержень ОТВС, твэлы 1-го (6) и 2-го (7) коаксиальных рядов. В каждой ампуле (5 или 6 по числу рассматриваемых рядов в зависимости от типа контейнера) и во внутреннем объеме МБК рассчитываются процессы в парогазовой и жидкой среде. Такая структура позволяет анализировать теплообмен всего лишь в 22 (для УКХ-104) или 26 (для УКХ-109) телах, что существенно снижает вычислительные затраты. Блок-схема комплексного вычислительного алгоритма представлена на рис. 3.

Считывание к распределение входных денных

:: ::: Расчет угловыхкоэффициентов теплообмена излучением в системах тел ПТ-карпус ампулы и аыпупы-чехоп-корлус МБК

—»| Формирование массивов ГУ для всех элементов конструкции | | Расчет температурного состояния во всех элементах конструкции |

| Корпус МБК | | Чакоп МБК | | Рассмотри»—мы» ампулы |—| Корпус |

| Несущий стержень , ТВЭЛы I ы 2 ряда |

| Расчет теплообмена во внутреннем объеме каждой ампулы 1—1

| Лучистый | | Конаантивный | | Протрав и исяараниа »аду | | Програа пира |

| Расчет теплообмена для внутреннего объема МБК {-1_

Конаалнаный

пичия воды Окончание расчета j

U Параметры парогаюаой

емаеи (Р. Т. а) U Кондамеацкя в объема и на станках понтайнара иПрограа и испараниа аоды _на дна МБК_

Рисунок 3 — Блок-схема вычислительного алгоритма

В разделе 2.4 представлена модель расчета параметров парогазовой и жидкой среды во внутренних объемах контейнера и ампул, являющаяся одним из основных достижений настоящей работы. Эта методика разработана автором диссертации на основе модели, используемой для анализа неравновесных процессов в пароводяной среде соответствующих узлов ядерного реактора [1], применительно к рассматриваемой задаче. Предлагаемая модель позволяет рассчитать температурное состояние парогазовой и жидкой среды, массу воды, пара и газа в рассматриваемых объектах, парциальные давления паровой и газовой компоненты, интенсивность генерации/конденсации пара. При этом учитываются изменение параметров среды при откачке, конвективный теплообмен со всеми ограничивающими элементами

конструкции, кипение в жидком объеме, конденсация на поверхности и в газовом объеме, причем предполагается, что весь образовавшийся конденсат безынерционно выпадает на дно контейнера. Пар в парогазовом объеме может быть перегретым и насыщенным, переохлаждение насыщенного пара приводит к его мгновенной конденсации; вода в водяном объеме может быть недогретой и насыщенной, перегрев насыщенной воды приводит к мгновенной генерации пара; парциальные давления пара и газа подчиняются закону Дальтона. Для дополнительной консервативности анализа считается, что к моменту начала расчета вся вода в жидкой фазе находится на дне контейнера и ампул, и рассматривается в основном капельный механизм поверхностной конденсации (как наиболее интенсивный и исходя из реального состояния поверхности). Расход на выходе из замкнутого объема может задаваться в качестве граничного условия или рассчитываться на каждом временном шаге по перепаду давлений с учетом гидравлического сопротивления соответствующего узла (выходного канала контейнера или ампулы). Система уравнений баланса основных параметров среды была выведена автором. Основными отличиями от базовой модели [1] являются учет наличия неконденсируемой компоненты, и объединение анализа для замкнутых объемов контейнера и ампул в единую систему: вначале рассчитываются процессы в ампулах, затем суммарные количества пара и газа, поступающего из них в контейнер, и затем — процессы в МБК с учетом откачки. В настоящей диссертационной работе предложено две модификации модели -«полная», когда системы уравнений баланса для контейнера и ампул аналогичны, и упрощенная, в которой пренебрегается отличием параметров парогазовой среды в ампуле от «контейнерных», т.е. не учитывается влияние сопротивления технологического зазора. В «полном» варианте рассчитывается 7 дифференциальных уравнений для контейнера и столько же для каждой ампулы (в итоге 42 уравнения для УКХ-104 и 49 - для УКХ-109), в упрощенном для ампулы рассчитывается только 2 уравнения (в сумме 19 и 21 для УКХ-104 и УКХ-109 соответственно). Окончательный выбор методики для серийных расчетов был определен по результатам численных экспериментов (представленных в разделе 4.3). Интегрирование по времени этих систем дифференциальных уравнений производится с помощью двухшаговой явной разностной схемы с использованием процедур типа предиктор-корректор. Тепловые потоки от окружающих парогазовые и «водяные» объемы тел рассчитываются как суммарные от всех граничащих с ними тел, в соответствии с их пространственным разбиением. Для замыкания системы при расчете тепловых потоков от каждого из участков, а также величин генерации и конденсации пара, используются известные корреляционные зависимости: для поверхностной конденсации — Исаченко и др. (с учетом неконденсируемой компоненты); для пузырькового кипения - Лабунцова; для расчета конвекции во внутренних объемах контейнера и ампулы — соотношения, полученные американскими исследователями (КеуИат и др.) для вертикальных сборок. Выбор последних обусловлен их наиболее универсальной формулировкой, оптимальной при численной реализации.

В разделе 2.5 представлена методика расчета процесса нестационарной теплопроводности в твердых телах на основе метода конечных-элементов (МКЭ), разработанная на базе двумерной программы расчета естественной конвекции расплава кориума [2,3] как частный случай моделирования (с учетом только диффузионного вклада). Поля температур во всех телах (твэлы, ампулы, несущие элементы, контейнер, чехол МБК), описываются уравнением теплопроводности в двумерном осесимметричном приближении с соответствующими начальными и

граничными условиями. В качестве граничных условий II рода фигурируют плотности результируюших лучистых тепловых потоков, определяемые по известным с предыдущего временного шага температурам поверхностей, или же плотности тепловых потоков, получаемые из расчета теплообмена со средой путем суммирования и осреднения по времени в пределах каждого «большого» временного шага. Оба вида граничных условий могут задаваться на одном и том же участке поверхности. Для учета конвективного теплообмена с наружным воздухом используются условия III рода. Пространственная дискретизация моделируемых тел (твэлов, ампул, корпуса контейнера и др. конструкционных элементов) осуществляется с помощью конечно-элементного генератора сеток, позволяющего легко учитывать их сложную форму и неоднородные физические свойства [2,3]. Решение результирующих глобальных систем линейных уравнений вида А • д: = Ъ в рамках МКЭ осуществляется с помощью специализированных программных пакетов F01BRF, F01BSF и F04AXF, разработанных оксфордскими математиками в технике разреженных матриц.

В разделе 2.6 приведена математическая модель теплообмена излучением, основанная на использовании зонального метода, основная идея которого состоит в замене непрерывного распределения температур поверхностей дискретным. В соответствии с основными допущениями модели (пп. 2.3) лучистые тепловые потоки для боковых и торцевых поверхностей рассчитываются раздельно. Поверхности внутреннего объема каждой ампулы и МБК рассматриваются как замкнутые системы серых тех и теплообмен в них рассчитываются изолированно. Весь моделируемый объект (рис. 2) делится путем конечно-элементного дробления на горизонтальные слои таким образом, чтобы в пределах каждого слоя температуру и оптические характеристики поверхности можно считать однородными. В пределах такого слоя боковые поверхности во внутренних объемах всех ампул и контейнера представляют из себя плоские замкнутые системы серых тел. Для таких систем при известных температурах поверхностей (получаемых из расчета нестационарной теплопроводности), задача в конечном итоге сводится к отысканию угловых коэффициентов излучения, определяемых только геометрическими характеристиками и взаимным расположением тел. Эти угловые коэффициенты для внутренних объемов ампулы и МБК были получены автором аналитически с помощью метода натянутых нитей, с учетом облучения «через ряд» (т.е., например между /'-м и /+2-м рядами ампул). Решение систем линейных уравнений для отыскания разрешающих угловых коэффициентов и затем результирующих тепловых потоков производится с помощью упомянутых выше специализированных программных блоков. Для торцевых поверхностей лучистый теплообмен рассчитывается подобным образом как для пары тел, с использованием справочных зависимостей для угловых коэффициентов.

Предлагаемая математическая модель и реализующий ее алгоритм позволяют учитывать специфические особенности конструкции контейнеров УКХ-104, УКХ-109, и различия в степени динамики теплофизических процессов. При этом достаточно высокая вычислительная эффективность достигается благодаря использованию различных шагов интегрирования по времени. Предлагаемая методика реализована в виде специализированных программных комплексов, организованных в виде блочно-модульной структуры (рис. 3), и обладает необходимым инженерным интерфейсом, позволяющим на уровне входных данных варьировать следующими исходными параметрами: физическими свойствами материалов, в том числе остаточным тепловыделением ОЯТ с учетом его

неравномерности; начальными температурами топлива и конструкционных элементов; количеством и температурой воды в ампулах и на дне внутренней полости МБК; длительностью предварительной выдержки контейнера; уровнем давления, поддерживаемого во внутреннем объеме МБК; величиной расхода парогазовой смеси на выходе из контейнера. Выходными параметрами расчета являются: параметры парогазовой среды (температуры, парциальные давления, плотности и концентрации компонент) во внутренней полости контейнера и в ампулах; количество и температуры воды на дне МБК и в ампулах; температуры топлива, ампул, корпуса контейнера и других конструкционных элементов.

В третьей главе диссертации представлены результаты тестирования расчетной методики и сопоставления с данными экспериментальных и расчетных исследований.

В разделах 3.1 и 3.2 приводятся результаты тестирования программных модулей расчета процессов в парогазовом объеме и нестационарной теплопроводности на задачах, имеющих аналитические решения: откачки идеального газа из замкнутого объема с фиксированным расходом; охлаждения (нагревания) тел конечных размеров, в том числе при наличии внутренних источников тепла.

В разделе 3.3 с помощью численных экспериментов проведен анализ погрешностей, вносимых некоторыми допущениями математической модели. Продемонстрировано, что в силу разреженности среды в контейнере на протяжении всего моделируемого периода, за исключением первых 24 ч, погрешность, вызванная расчетом температуры газа в среднемассовом приближении, не превысит 3°С. Также показано, что погрешность, вносимая отсутствием учета различия теплового состояния ампул в одном гексагональном ряду, составит не более не более 3-4°С по минимальным температурам твэлов, и также не окажет серьезного влияния на интегральные расчетные параметры технологического процесса.

В разделе 3.4 представлено сопоставление результатов расчетов температурных полей в вертикально-расположенных контейнерах с ОЯТ в условиях сухого хранения по предложенной в диссертационной работе методике с результатами расчетных и экспериментальных исследований ЦКТИ, а также с расчетными данными по температурному состоянию УКХ-104 и УКХ-109 в условиях сухого хранения, полученными Главным Конструктором (КБСМ). На рис. 5а представлено поперечное

л

200 -г

2 3 4 5 6 7 8 Номер ряда

а)

А

б)

Рисунок 5 - Сопоставление с результатами эксперимента ЦКТИ: а) схема экспериментальной установки; б) распределение температур в максимально прогретом сечении (А-А).

сечение экспериментальной модели ЦКТИ, представляющей собой сборку из 127 обогреваемых трубок, размещенных в треугольной пространственной решетке с шагом 8=13,4 мм с водяной «рубашкой охлаждения». Сопоставление расчетного распределения температур с экспериментальными данными в максимально прогретом сечении в зависимости от расположения стержней (1 - центральный ряд, 8 -охлаждаемый кожух) продемонстрировало вполне приемлемую точность предлагаемой методики (рис.5б). Сравнение с расчетами КБСМ по температурным режимам контейнеров УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 10-летней выдержки также показало достаточно хорошее совпадение результатов.

В разделе 3.5 представлено сопоставление расчетов с данными экспериментов по вакуумному осушению на маломасштабной установке «Овал», представляющей из себя модель одиночной ампулы с электрообогреваемым имитатором пучка твэлов. Основными параметрами верификации являлись динамика испарения воды в ампуле, длительность осушки, а также температуры конструкции в точках расположения датчиков. На рис. 7 представлены расчетные и экспериментальные данные для одного из экспериментов — температуры на оси имитатора ОТВС и динамика изменения уровня воды в ампуле. Всего было проведено 5 экспериментов с варьированием мощности тепловыделения, начальной массы воды в ампуле, температуры окружающего воздуха, а также зазора между имитатором ПТ и дном ампулы. При этом максимальное расхождение в длительности испарения воды составило не более 50 мин при 11-часовой реализации процесса и не более 20 мин при 5-ьб часовой.

т,°с

Н, мм 25-

[ ♦ ♦ ♦ Уровень, эксперимент | — Уровень, расчет

V

12000 15000

б)

Ьс

3000 6000 9000 12000 15000

Рисунок 6 - Расчетные и экспериментальные параметры вакуумного осушения модели одиночной ампулы: а) температуры имитатора пучка твэлов в точках расположения термопар; б) уровень воды в имитаторе ампулы.

В разделе 3.6 представлено сопоставление расчетных результатов с данными экспериментов по вакуумному осушению на полномасштабном стенде СМ-Э332, представляющему собой натурный контейнер с 4-мя ампулами и цилиндрическими блоками нагревателей, имитирующих тепловыделение всего массива ОЯТ. Для сопровождения испытаний расчетная методика была адаптирована к конструкции стенда. На рис. 7 представлены расчетные и экспериментальные данные по моделированию вакуумного осушения контейнера УКХ-104 с ОЯТ РБМК-1000 10-летней выдержки с суммарным тепловыделением нагревателей 5,24 кВт. Температуры нижней части корпуса ампулы и дна контейнера являются косвенными параметрами, превышение которых над температурой насыщения при давлении в контейнере Т/Р) свидетельствует о полном осушении этих поверхностей (рис. 7а). На рис. 76

представлены расчетная динамика изменения массы воды в контейнере и ампулах и количество конденсата, собранного в мерном бачке конденсатора магистрали откачки в ходе эксперимента.

— Та(Р), эксперимент

— низ ампулы, расчет

— низ ампулы, эксп. ---- дно МБК (центр), расчет

— дно МБК (центр), эксп.

— дно МБК (у стенки), расчет

— дно МБК (у стенки), эксп.

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Время, ч

масса воды в мерном бачке конденсатора, эксперимент масса воды в ампуле, расчет масса воды в контейнере, расчет

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Время, ч

а)

б)

Рисунок 7 - Расчетные и экспериментальные параметры по моделированию вакуумного осушения УКХ-104 с ОЯТ РБМК-1000 10 летней выдержки: а) температуры контейнера ампулы в точках расположения датчиков; б) динамика изменения массы воды в контейнере и в мерном бачке конденсатора.

В табл. 1 приведены экспериментальные и расчетные значения длительности осушения контейнера и ампул, а в табл. 2 — данные по массовому балансу воды, залитой на дно МБК и в ампулы и собранной в эксперименте. Поскольку хладагентом

Таблица 1

Длительность осушения с момента начала откачки,ч

Контейнера Ампулы

Эксперимент 17,2 18,1

Расчет 19,3 21,6

конденсатора являлась вода с температурой 11°С, часть пара с плотностью, меньшей плотности насыщенного пара при данной температуре, не сконденсировалась, и была выброшена в атмосферу. С учетом суммарной массы выброшенного пара расчет показывает достаточно хорошее совпадение с данными эксперимента.

_Таблица 2_

Начальная масса воды на дне контейнера, кг Начальная масса воды в ампулах, кг Суммарная начальная масса воды в контейнере, кг Масса собранного конденсата, кг Масса пара, выброшенного в атмосферу, кг Масса конденсата с учетом пара, выброшенного в атмосферу, кг

2,0 1,0 3 1,79 1,15 2,94

В целом достоверность предложенной в диссертационной работе расчетной методики и реализующих ее программных средств в исследуемом диапазоне параметров была подтверждена в ходе тестирования, сравнения с данными экспериментальных и расчетных исследований температурных режимов сборок

тепловыделяющих стержней, а также при сопоставлении с результатами экспериментов по моделированию вакуумного осушения одиночной ампулы и на полномасштабном стенде СМ-Э332.

В четвертой главе диссертационной работы представлены результаты расчетно-теоретического анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК в условиях вакуумного осушения, выполненного с помощью с помощью разработанных программных средств.

В разделе 4.1 приводятся исходные данные и последовательность моделирования основных технологических операций, базирующиеся на технологическом регламенте для Ленинградской атомной станции и предоставленные КБСМ. Для адекватности анализа тепломассообмена в период вакуумной осушки учитывалось изменение температурного состояния рассматриваемых объектов в ходе предшествующих технологических операций: термостатирования МБК, этапа разделки ОТВС и загрузки ампул с ОЯТ в чехол МБК, и периода предварительной выдержки контейнера с ОЯТ в помещении транспортного коридора (24 ч). Для первых двух операций этот учет осуществлялся на уровне входных данных. Изменение теплового состояния МБК с ОЯТ на этапе предварительной выдержки рассчитывалось с помощью разработанных программных комплексов. Основными исходными данными являлись: конструкционные характеристики УКХ и ОЯТ и

Таблица 3

Выдержка ОЯТ, лет Тепловыделение ОЯТ Температура воздуха в помещении осушки,°С Диапазон давлений, поддерживаемый в контейнере, кПа

Вт/ ампулу кВт/конт. Мга Мах Первоначально указанный в проекте Исследованный дополнительно

УКХ -104 УКХ-109

10 43,8 5,0 6,3 5 38 4,0-10,0 1,0+4,0

30 26,3 3,0 3,8

физические свойства материалов; параметры и условия проведения процесса вакуумного осушения (давление, создаваемое в контейнере, и температуры окружающего воздуха). Исследованный в работе диапазон давлений был значительно расширен по сравнению с проектным, с учетом минимальной возможной температуры воздуха в помещении осушки (табл. 3). Максимальный коэффициент неравномерности тепловыделения по высоте твэлов кг задавался равным 1,15, в соответствии с результатами расчетов нейтронно-физических процессов в ОЯТ РБМК-1000 программным комплексом САПФИР (НИТИ).

В разделе 4.2 представлены результаты расчетов изменения параметров в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 на этапе предварительного прогрева, которые являются исходными данными для анализа процессов тепломассообмена в период вакуумного осушения. В зависимости от типа контейнера и уровня остаточного тепловыделения на момент его окончания максимальная температура ОЯТ составила от 74 до 106 °С, температура воды в ампулах — от 55 до 73 °С, температура воды на дне МБК - от 30 до 34 °С.

В разделе 4.3 представлен сравнительный анализ вариантов методики моделирования параметров среды в контейнере и ампулах, и оценка влияния

гидравлических сопротивлений элементов оборудования (технологического зазора ампулы и выходного канала МБК) на интегральные характеристики процесса.

Рисунок 8 -Динамика изменения основных параметров среды в зависимости от ширины зазора ампулы

Были проведены расчеты по упрощенному, предполагающему свободный выход пара из ампул, и «полному» вариантам методики, с учетом различия параметров газовой среды в контейнере и ампулах и сопротивления технологического зазора при варьировании его ширины от минимальной (0,11 мм) до максимальной (0,57 мм). Необходимо отметить, что в контейнерах данной конструкции вода, находящаяся на дне МБК, не контактирует непосредственно с наиболее разогретыми элементами. Передача тепла к ней осуществляется опосредованно, за счет лучистого теплообмена между топливом и корпусом ампулы, и далее через чехол, за счет теплового контакта ампул с его нижней частью. Поэтому длительность вакуумного осушения будет определяться максимальной массой воды в контейнере с учетом конденсата, образующегося на «холодных» внутренних поверхностях МБК из-за охлаждения окружающим воздухом. При минимальной ширине зазора увеличение его сопротивления приводит к повышению давления в ампуле до 7,3 кПа, по сравнению с 4,0 кПа для свободного выхода пара, что увеличивает длительность ее осушения на 2,5 ч (рис. 8). При этом расчетная длительность вакуумной сушки (20,0 ч) оказывается меньше, по сравнению с упрощенной моделью (23,5 ч), вследствие снижения суммарной интенсивности генерации пара в ампулах, и уменьшения массы конденсата на 4,8 кг. При средней и максимальной ширине зазора полная длительность осушки отличается от расчета по упрощенной модели не более чем на 1 ч. Поэтому в дальнейшем для расчетных оценок длительности вакуумного осушения использовался упрощенный вариант модели, требующий значительно меньших вычислительных затрат.

Также были проведены расчеты по оценке влияния сопротивления выходного канала МБК, основным элементом которого является клапан внутренней полости, на интегральные характеристики вакуумной осушки. При существующих характеристиках оборудования и достаточно низких давлениях (на уровне 1 кПа) это влияние незначительно - учет этого сопротивления дает поправку 0,1кПа при выходе на стабилизировавшийся режим откачки. Потери, вызванные сопротивлением выходного канала, могут сказываться при более высоких давлениях в контейнере (2-г4 кПа), однако, как показали дальнейшие расчеты, такие режимы становятся нереализуемыми.

В разделе 4.4 приведены результаты расчетного анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения в диапазоне параметров, указанном в табл. 3. Всего было рассчитано около 30 различных режимов, основными варьируемыми параметрами для которых являлись уровень давления разрежения, поддерживаемого в контейнере, мощность остаточного тепловыделения ОЯТ и температура окружающего воздуха.

Е

I 3

г

4,

0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

::::: ::::::

1 1 1 !

1 1 1

[ [ [

----Г ! ! 1

12 16 20 Время (ч)

12 16 20 Время (ч)

а)

. }--- { - | {■ I 1 '

-----------(.-----ь----- —{.—|—|—1

_____1_____ _____1_____ ______!_____1_____:„!

Г Т 1 1

III! _____}._____;_____|_____]

Л ■ III 1111 1111

V ! ! 1 !

! 1 ! !

| 1 1 1 1

\ 1" ______1_____]

«к ! ряд 1 ! 1 1 1 1

и!ряд 1 1 1 1 _____\_____!

! 1 1 1 1 1 !

24 32 40 Время (ч)

| 1 ______[_____

1

1

* \ 5Л,ЯД 1

■ Л! 1

24 32 40 48

Время (ч)

б)

24 32 40 48 Время (ч)

Л ! 1 !

Д 1 1 1 1 1 1 1 1

1 » 1 1 1 1 ! 1 ( 1 1 1 1

1 ! . 1 1 ! ! 1 1 1 1 |

! » 1 1 ! ! 1 1 1

Рисунок 9 - Динамика изменения некоторых параметров при вакуумном осушении УКХ-104 с ОЯТ 10-летней выдержки: а) режим 1; б) режим 2.

Расчеты показали, что для успешной реализации вакуумного осушения необходимо создание во внутренней полости контейнера достаточно низкого давления, позволяющего минимизировать или исключить конденсацию пара на «холодных» поверхностях внутренней полости контейнера. В противном случае в контейнере будет накапливаться значительная масса конденсата, которая при тепловых потерях в окружающую среду не может испариться вследствие низкого остаточного тепловыделения ОЯТ. Иллюстрация этого процесса представлена на рис. 9, где приведены расчетные результаты для УКХ-104 с ОЯТ РБМК 10-летней выдержки (5 кВт/конт.) при температуре окружающего воздуха 5°С, при двух различных уровнях давления в контейнере: 1-5-1,1 кПа для режима 1, и 2*2,1 кПа для режима 2. Для 2-го режима давление в контейнере понижается до определенного уровня (~1,5 кПа) за счет конденсации при отсутствии откачки. При снижении давления (режим 1) вакуумное осушение осуществляется успешно. При этом за счет откачки не удается обеспечить удаление всего пара, генерируемого в МБК, вследствие его низкой плотности в данных условиях. В результате давление в контейнере повышается и стабилизируется на уровне 1,3 кПа.

Наиболее важные расчетные параметры для некоторых характерных режимов представлены в таблице 4.

Таблица 4

Тип УКХ Выдержка ОЯТ, лет Диапазон давления в контейнере, кПа Температура воздуха в помещении осушки, °С Максимальное кол-во конденсата в МБК, кг Длительность испарения воды, ч Остаточное кол-во пара в МБК, кг

из ампул из МБК

УКХ-104 10 4,0-;-10,0 +38,0 8,7 8,0 38,1 0,17

4,0*4,1 +38,0 9,5 8,0 21,2 0,13

4,0+4,1 +20,0 21,0 9,7 - 23,1*

2,0-5-2,1 +5,0 13,3 8,0 - 13,1*

1,0*1,1 +5,0 14,3 7,1 30,5 0,05

30 4,0-5-4,1 +38,0 9,3 14,7 31,3 0,14

1,0+1,1 +5,0 10,8 10,9 32,5 0,05

УКХ-109 10 4,0*4,1 +38,0 16,7 7,1 29,3 0,12

1,0*1,1 +5,0 21,5 6,5 38,7 0,04

30 4,0-5-4,1 +38,0 11,9 12,7 33,6 0,14

1,0*1,1 +5,0 16,7 11,5 42,5 0,04

* Суммарная масса воды и пара в контейнере для нереализуемых режимов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработана комплексная математическая модель для анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения и реализующий ее вычислительный алгоритм, учитывающие особенности их конструкции и специфику физических процессов при данной технологической операции.

2. На основе данной модели разработаны специализированные программные комплексы, позволяющие моделировать рассматриваемые процессы в этих контейнерах в реальном масштабе времени и обладающие необходимым для инженерных расчетов интерфейсом.

3. Достоверность предлагаемой расчетной методики и реализующих ее программных средств в исследуемом диапазоне параметров подтверждена путем тестирования и сопоставления полученных с их помощью результатов с данными различных экспериментальных и расчетных исследований.

4. С помощью разработанных программных средств проведен расчетный анализ процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 при вакуумном осушении в широком диапазоне параметров, основываясь на технологическом регламенте для Ленинградской атомной станции. При этом получены следующие результаты:

— Длительность вакуумного осушения определяется соотношением интенсивности испарения воды из ампул и интенсивности откачки парогазовой среды из внутреннего объема МБК. В исследованном диапазоне остаточных тепловыделений, соответствующих ОЯТ 10-ти и 30-летней выдержки, и температур воздуха в помещении осушки, при заложенных проектных параметрах оборудования, до 70% воды, испаренной из ампул, конденсируется в более холодной внутренней полости контейнера, что и определяет итоговую длительность процесса.

— Исследовано влияние гидравлического сопротивления технологического зазора ампулы на интенсивность поступления пара из ее внутреннего объема во внутренний объем контейнера. При ширине зазора, близкой к минимально допустимому значению (0,11 мм) длительность осушения ампулы может возрасти до 30%, при этом полное время осушки меняется незначительно.

— Создание в контейнере давления 4-4-10 кПа, заложенного в качестве исходных данных на ранней стадии проектирования, не обеспечивает достижения необходимого остаточного влагосодержания 20 г/м3, и реализации вакуумного осушения для целого ряда режимов.

— Во всем заявленном Главным Конструктором диапазоне исходных данных вакуумное осушение МБК с ОЯТ и достижение требуемого влагосодержания успешно осуществляется при создании в его внутренней полости давления разрежения около 1 кПа, что значительно ниже первоначально заложенного в проекте.

— Показано, что при режимах вакуумного осушения, соответствующих данному давлению, и существующих характеристиках оборудования, потери, вызванные сопротивлением выходного канала МБК, составляют порядка 0,1 кПа, и не оказывают серьезного влияния на интегральные характеристики процесса.

— При создании давления в контейнере давления 1 кПа расчетная длительность процесса осушки составляет не более 2 суток. При этом не учитываются

технологические перерывы в работе оборудования.

5. Полученные результаты послужили основанием для внесения соответствующих корректировок по режимам вакуумного осушения в проектную документацию, а также для замены конденсатора с водяным охладителем в составе средств осушки, не обеспечивающим конденсацию пара при давлении 1 кПа, на аппарат с пропиленгликолевым хладагентом.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Хабенский В.Б., Волкова С.Н., Мигров Ю.А., Иванов М.Б., и др. Опыт создания и верификации программы РАЯЫА8 по расчету процессов расхолаживания ВВЭР-640 через бассейн в авариях с потерей теплоносителя I контура. // «Процессы тепломассообмена и гидродинамики в системах безопасности АЭС с ВВЭР-640»: Сб. трудов. - СПб: АООТ «НПО ЦКТИ», 1997. - С. 23 - 34.

2. Иванов М.Б. Расчет задач естественной конвекции и теплообмена методом конечных элементов. // Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену, 26 -30 окт. 1998 г., Москва. — М.: Изд-во МЭИ, 1998. - Т. 3. -С. 76 - 79.

3. Иванов М.Б. Естественная конвекция при больших числах Рэлея в задаче удержания расплава кориума в корпусе ВВЭР. // Теплоэнергетика. — 1999. — № 3. — С. 2 - 7.

4. Ефимов В.К., Иванова В.О., Иванов М.Б., Черный О.Д. Расчетно-экспериментальное исследование температурного состояния металлобетонного контейнера для сухого хранения отработавшего ядерного топлива. // Материалы XI семинара по проблемам физики реакторов. Москва, 4 — 8 сент. 2000 г. — М.: Изд-во МИФИ. - 2000. - С. 168 - 170.

5. Иванов М.Б., Иванова В.О., Ефимов В.К., Черный О.Д. Разработка программного комплекса для расчета температурного состояния контейнера с отработавшим ядерным топливом в период подготовки к длительному сухому хранению. // Материалы 3-й Международной конференции «Радиационная безопасность», 31 окт. - 4 нояб. 2000 г., С-Петербург, Россия. - СПб, 2001. - С. 59 - 61.

6. Иванов М.Б., Иванова В.О. Расчетное обоснование способа осушки металлобетонного контейнера, заполненного отработавшим ядерным топливом. // «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и теплообмена в энергетических установках»: Труды XIII школы-семинара под руководством академика РАН А.И.Леонтьева, 20 - 25 Мая 2001 г., С-Петербург. - М.: Изд-во МЭИ, 2001. - С. 497 - 500.

7. Иванов М.Б., Иванова В.О. Расчетный анализ температурного состояния и методика моделирования процесса осушения контейнеров с ОЯТ. // Тезисы докладов Межд. семинара «Экологические проблемы утилизации АПЛ», 4-9 июля 2001 г., Северодвинск. — Северодвинск, 2001. - С. 130.

8. Иванов М.Б., Иванова В.О. Математическое моделирование режимов функционирования металлобетонного контейнера с отработавшим ядерным топливом в период подготовки к длительному сухому хранению. Материалы 4-й Международной конференции «Радиационная безопасность». 24 - 28 октября 2001 г., С-Петербург, Россия. -СПб, 2001. -С. 202-207.

9. Иванов М.Б. Математическое моделирование режимов функционирования металлобетонного контейнера с отработавшим ядерным топливом. // Экологи-

ческие вести. «Экологическая безопасность хранения радиоактивных отходов»: Спец. выпуск работ стипендиатов именных научных стипендий Губернатора Ленинградской области за 2000 - 2002 годы. - СПб, 2003. - № 6. - С. 32 - 38.

Ю.Иванов М. Б., Лоханский Я. К. Анализ процессов тепломассообмена при вакуумном осушении контейнеров с отработавшим ядерным топливом. // Машиностроение и инженерное образование. — 2006. — № 1(6). — С. 51 — 63.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 23.11.2006. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 1019Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14 Тел./факс: 297-57-76

Перечень основных условных обозначений.

Введение.

1. Объект и задачи исследования.

1Л. Конструкция УКХ и технологические операции при подготовке ОЯТ

РБМК-1000 к длительному сухому контейнерному хранению.

1.2. Зарубежный опыт вакуумного осушения контейнеров с ОЯТ при их подготовке к длительному хранению на примере технологии фирмы

1.3. Основные проблемы расчетного моделирования процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 в условиях вакуумного осушения, вызванные их конструктивными и технологическими особенностями.

1.4. Основные задачи диссертационной работы.

2. Математическая модель и алгоритм расчета.

2.1. Постановка задачи математического моделирования процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК

1000 при вакуумном осушении.

2.2. Обзор методик численного моделирования процессов теплообмена в контейнерах с ОЯТ.

2.3. Основные допущения, структура математической модели и алгоритм расчета.

2.4. Моделирование процессов тепломассопереноса в двухкомпонентной среде во внутреннем объеме МБК и в ампулах.

2.5. Расчет нестационарной теплопроводности в твэлах и элементах конструкции контейнера.

2.6. Лучистый теплообмен.

2.7. Выводы по второй главе диссертации.

3. Тестирование расчетной методики и сопоставление с данными экспериментальных и расчетных исследований.

3.1.Тестирование программного модуля расчета параметров в парогазовом объеме.

3.2. Тестирование программного модуля расчета нестационарной теплопроводности.

3.3. Обоснование некоторых допущений математической модели.

3.4. Сопоставление с данными экспериментальных и расчетных исследований температурных полей в контейнерах с ОЯТ в условиях сухого хранения.

3.5. Верификация по данным экспериментов на маломасштабной экспериментальной установке.

3.6. Сопоставление с результатами крупномасштабных экспериментов на стенде СМ-Э332.

Актуальность работы. Хранение отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) является одной из острейших проблем отечественной атомной энергетики [1,2]. В первую очередь это касается ОЯТ реакторов РБМК-1000, переработка которого является нецелесообразной из-за низкого остаточного содержания делящихся нуклидов [2]. Топливо именно этого типа составляет основное количество ОЯТ в нашей стране, требующего утилизации. В настоящее время это топливо хранится в контролируемых условиях в бассейнах выдержки (БВ) на территориях АЭС с реакторами данного типа - Ленинградской, Курской и Смоленской, причем вместимость этих хранилищ недостаточна для размещения всего ОЯТ за срок службы энергоблоков [2]. На Ленинградской Атомной Станции, которая является старейшей АЭС в России с реакторами этого типа, во второй половине 90-х годов перешли на уплотненное размещение ОТВС в бассейне пристанционного хранилища. Несмотря на это, прогнозируемый срок окончательного заполнения хранилища отработавшего ядерного топлива на ЛАЭС приходится на 2008 г. Подобная ситуация сложилась на Курской и Смоленской атомных станциях. Кроме того, согласно оценкам специалистов, максимально допустимое время хранения топлива РБМК в водной среде составляет не более 30 лет [3], и в ближайшее время оно также будет исчерпано. Для решения данной проблемы Минатомом Российской Федерации (ныне Федеральное агентство по атомной энергии) была разработана технология перевода ОЯТ РБМК-1000 на длительное сухое (иначе говоря, промежуточное, или interim storage) хранение, которая включает в себя две взаимодополняющие схемы:

- первоначальный этап - размещение этого вида отработавшего топлива в специальных двухцелевых контейнерах на территории атомных станций;

- доставка ОЯТ в этих же контейнерах в централизованное сухое хранилище на Красноярском ГХК по мере ввода его в эксплуатацию, где его предполагается содержать до истечения срока длительного сухого хранения - около 50 лет.

В соответствии с решениями Правительства РФ и Минатома [5,5], Конструкторское бюро Специального Машиностроения (КБСМ) в кооперации с рядом предприятий разработало семейство двухцелевых металлобетонных контейнеров (МБК), отвечающих как отечественным нормативам безопасного хранения и транспортирования ОЯТ [6], так и требованиям МАГАТЭ [7]. В их число входят контейнеры УКХ-104 и УКХ-109, предназначенные для отработавшего топлива РБМК-1000. Параллельно с созданием МБК в Российской Федерации были развернуты работы по созданию технологии длительного сухого хранения ОЯТ, включая разработку соответствующей нормативной базы.

Согласно рекомендациям МАГАТЭ, при длительном сухом хранении топливная компонента должна быть изолирована от окружающей среды не менее чем двумя барьерами герметичности, одним из которых являются оболочки твэлов. Для этого необходимо создание внутри контейнера газовой среды с минимальным процентным содержанием влаги, гарантирующим отсутствие коррозии, и следовательно, сохранность твэлов и их оболочек, уплотнительных устройств и внутренних металлоконструкций МБК в течение всего предполагаемого срока промежуточного сухого хранения. С этой целью в число операций при подготовке контейнеров с ОЯТ к длительному хранению входит вакуумное осушение [8,9]. Эта методика достаточно широко используется в мировой практике как для упаковок с отработавшим ядерным топливом, так и с радиоактивными отходами (РАО), в том числе для уменьшения объема ЖРО. Осуществляется вакуумная осушка путем снижения давления в контейнере за счет откачки парогазовой среды из его внутренней полости, температура насыщения при этом падает, и находящаяся там вода постепенно выкипает и удаляется в виде пара. Основными параметрами, характеризующими технологический процесс вакуумного осушения, являются степень разрежения во внутреннем объеме контейнера и его длительность, то есть время, в течение которого при существующем уровне остаточного тепловыделения ОЯТ и заданной температуре окружающего воздуха влагосодержание в контейнере достигнет допустимого значения - около 20 г/м3 для топлива РБМК. Длительность процесса является особенно важным показателем, поскольку в любом случае при проведении этой операции необходимо уложиться в период, отводимый общим технологическим регламентом обращения с ОЯТ РБМК-1000 на атомных станциях при переводе на сухое контейнерное хранение - не более 7 суток.

Несмотря на то, что в принципе уже существует практический опыт проведения вакуумной осушки контейнеров (CASTOR) с этим видом топлива на Игналинской АЭС в Литве по технологии немецкой фирмы GNB [10], непосредственно применить его при разработке аналогичной отечественной технологии было практически невозможно. Причина этого состоит прежде всего в особенности конструкции отечественных упаковочных комплектов - отработавшее топливо размещается в них не просто в дистанционирующей решетке, а в специальных ампулах, сообщающиеся с внутренним пространством контейнера через узкий технологический зазор. Именно в этих ампулах, по оценкам Главного конструктора этих упаковочных комплектов (КБСМ), будет находиться основная масса воды, содержащейся в контейнере на момент начала вакуумного осушения (более 90%), и следовательно, интенсивность поступления пара из ампул во внутренний объем МБК при вакуумном осушении будет являться одним из определяющих факторов технологического процесса. Прогнозировать динамику столь сложной многосвязной системы, как контейнеры данной конструкции, на основе упрощенных инженерных оценок практически невозможно. Помимо этого, существуют серьезные отличия в обращении с ОЯТ РБМК при предшествующих операциях на российских атомных станциях и Игналинской АЭС: в частности, загрузка топлива в контейнер осуществляется не в перегрузочном бассейне, а на воздухе, «сухим» способом.

Поэтому при проектировании средств осушки упаковочных комплектов УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000, Главным Конструктором семейства МБК (КБСМ), на первоначальной стадии ввиду срочности задачи основные рабочие параметры процесса были заложены априорно, исходя из требований общего регламента их подготовки к сухому длительному хранению и максимальной простоты соответствующих технологических систем. Предполагалось, что уровень давление разрежения, создаваемого в контейнере, будет составлять 4-10 кПа, что позволяло бы использовать в системе оборудования средств осушки конденсатор с водяным охладителем. При этом вопросы о том, реализуема ли будет эта операция при существующих уровнях тепловыделения ОЯТ и возможном диапазоне температур воздуха в помещении осушки, какова будет ее продолжительность и количество остаточной влаги в контейнере на момент окончания процесса, оставались открытыми. Информация о температурном состоянии топлива и параметрах контактирующей с ним среды в ходе вакуумной осушки также являлась «белым пятном» в силу отсутствия определенности условий ее проведения и основных рабочих параметров. В случае, если в силу низких остаточных тепловыделений ОЯТ РБМК не удалось бы достичь требуемого влагосодержания, могли быть использованы, например, внешний обогрев контейнера или продувка горячим газом, что в свою очередь, потребовало бы обоснования непревышения максимально допустимых температур твэлов при этих операциях.

При разработке технологии вакуумного осушения и соответствующего оборудования (средств осушки контейнеров с ОЯТ) крайне важно было получить представление о рабочих параметрах и длительности этой операции на первоначальном этапе проектирования, чтобы при необходимости внести изменения в проектную документацию до начала ее опытно-экспериментальной отработки. Окончательно эти задачи были сформулированы соответствующими проектными, эксплуатирующими и научными организациями - Ленинградской АЭС, концерном

Росэнергоатом», ГИ ВНИПИЭТ, КБСМ и ВНИИНМ им. А.А. Бочвара к концу 1999

- началу 2000 г. Учитывая крайне жесткие сроки, отведенные Минатомом РФ для решения этой проблемы в рамках отраслевой задачи по обоснованию условий сухого хранения отработавшего топлива, а также намеченное время ввода в эксплуатацию всего комплекса сухого хранения ОЯТ для ЛАЭС, ответы на эти вопросы требовалось получить не позднее 2002-2003 гг. В этой ситуации наиболее целесообразным и экономически приемлемым путем определения рабочих характеристик процессов, протекающих в МБК и, как следствие, требований, предъявляемых к специфическому оборудованию, являлось проведение расчетно-теоретических исследований в широком диапазоне параметров. Использование в качестве инструмента для проведения данного анализа коммерческих вычислительных пакетов, равно как и специализированных программных средств для расчета теплового состояния контейнеров в условиях сухого хранения, было невозможно по следующим причинам:

- в первом случае, из-за сравнительно низкой вычислительной эффективности, которая не позволила бы провести серийные исследования различных режимов, каждый из которых может длиться несколько суток;

- во втором, вследствие принципиальной невозможности алгоритмов данного семейства моделировать процессы межфазного тепломассопереноса.

Создание специализированных программных средств анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения для последующего обоснования с их помощью режимов этой технологической операции являлось фактически уникальной задачей. За рубежом, в странах с развитой ядерной энергетикой, обоснование вакуумной осушки проводилось в 80-е годы прошлого столетия для гораздо более простых в конструктивном отношении контейнеров, в основном на базе экспериментов, поскольку для этого в распоряжении разработчиков имелось достаточно времени и средств. В России же, потребность в расчетном обосновании вакуумного осушения контейнеров УКХ-104, УКХ-109 возникла лишь несколько лет назад, к моменту их создания, в силу особенностей их конструкции и крайней ограниченности сроков.

Все вышеизложенное и определило цели настоящей диссертационной работы:

1. Обоснование режимов вакуумного осушения контейнеров УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 с помощью расчетного анализа процессов тепломассообмена в условиях данной технологической операции для проектного регламента

Ленинградской атомной станции в широком диапазоне определяющих условий и параметров.

2. На основе проведенного анализа выработать необходимые практические рекомендации по рабочим режимам вакуумного осушения и возможной замене или модификации узлов оборудования, не обеспечивающих требуемых параметров процесса.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработаны комплексная математическая модель и вычислительный алгоритм для анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 при вакуумном осушении, учитывающие особенности их конструкции и специфику механизмов переноса тепла и массы в этих условиях.

2. Данные математическая модель и алгоритм реализованы в виде специализированных программных комплексов с необходимым для инженерных расчетов интерфейсом, позволяющих моделировать исследуемые процессы в реальном масштабе времени.

3. С помощью разработанных программных средств проведен расчетный анализ процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 при вакуумном осушении в широком диапазоне параметров для технологического регламента Ленинградской атомной станции, при этом получены следующие результаты:

- проанализированы основные закономерности механизмов тепло- и массопереноса в условиях данной технологической операции;

- проанализировано влияние физических эффектов и особенностей конструкции этих упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса;

- определены физические критерии реализуемости этой операции и оценена максимальная расчетная длительность процесса осушки при условии непрерывной работы оборудования;

- обоснованы рабочие режимы вакуумного осушения этих контейнеров в существующем диапазоне проектных условий и параметров. Достоверность результатов работы подтверждается сопоставлением результатов, полученных с помощью разработанных программных средств, с различными экспериментальными и расчетными данными. Практическая ценность диссертационной работы:

1. Первые версии программных комплексов С10420 и СЮ920, предназначенных для моделирования процессов тепломассообмена в упаковочных комплектах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения, в 2001 г. были переданы Главному конструктору и разработчику средств осушки этих контейнеров (КБСМ).

2. Результаты расчетно-теоретического анализа процессов тепломассообмена в металлобетонных контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения и полученные на их основе рекомендации по условиям реализуемости и оптимизации рабочих режимов для данной операции были использованы на практике:

- Главным Конструктором УКХ-104 и УКХ-109 (КБСМ) для корректировки рабочих параметров технологического процесса вакуумного осушения и обоснования замены конденсатора с водяным охладителем на аппарат с пропиленгликолевым хладагентом в составе оборудования средств осушки этих упаковочных комплектов;

- Минатомом Российской Федерации (ныне Федеральное агентство по атомной энергии) при обосновании условий обращения с ОЯТ РБМК-1000 при его переводе с «мокрого» на сухое хранение в рамках соответствующей отраслевой задачи.

- Разработанная расчетная методика и реализующие ее программные средства после их доработки могут быть адаптированы для анализа процессов тепломассообмена в условиях вакуумного сушения к другим типам контейнеров с отработавшим ядерным топливом, с учетом их конструктивных особенностей.

На защиту диссертации выносятся:

1. Комплексная математическая модель процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения, учитывающая особенности их конструкции и специфику физических процессов при данной технологической операции, и реализующие ее программные комплексы.

2. Анализ основных закономерностей процессов тепломассообмена в указанных типах контейнерах в условиях вакуумного осушения.

3. Анализ влияния физических эффектов и особенностей конструкции данных упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса вакуумной сушки.

4. Расчетное обоснование критериев реализуемости и рабочих режимов вакуумного осушения в проектном диапазоне условий и параметров.

В первой главе диссертации представлены объект и задачи исследования:

- описание металлобетонных контейнеров для ОЯТ РБМК-1000 типа УКХ-104 и УКХ-109 и основных технологических операций при его подготовке к длительному сухому хранению;

- зарубежный опыт вакуумного осушения контейнеров с ОЯТ при их подготовке к длительному хранению на примере технологии фирмы вЫВ;

- основные проблемы расчетного моделирования процессов тепломассобмена в указанных типах контейнеров в условиях вакуумного осушения, связанные с их конструктивными и технологическими особенностями;

- основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе диссертационной работы содержатся:

- постановка задачи и качественый теоретический анализ процессов тепломассобмена в МБК с ОЯТ РБМК-1000 в ходе их вакуумной осушки и предшествующей ей операции предварительной выдержки загруженного контейнера в герметичном состоянии;

- обзор отечественных и зарубежных расчетных программ и методик численного моделирования процессов теплообмена в контейнерах;

- описание методики математического моделирования процессов тепломассобмена в контейнерах с ОЯТ РБМК-1000 в условиях их вакуумной осушки, и реализующего ее расчетного алгоритма.

Третья глава посвящена обоснованию достоверности полученных результатов.

В этой главе содержатся:

- результаты тестирования моделей отдельных физических процессов на задачах, имеющих аналитические решения;

- обоснование достоверности допущения о расчете температуры среды в контейнере и ампулах как среднемассовой с помощью численных экспериментов;

- сравнение результатов расчетов, проделанных автором с помощью программных средств, разработанных на базе изложенной во второй главе методики, с расчетными и экспериментальными данными других исследований температурного состояния вертикально-расположенных контейнеров с тепловыделяющими сборками в условиях сухого хранения;

- сопоставление расчетов с данными экспериментов по вакуумному осушению модели одиночной ампулы с электрообогреваемым имитатором пучка твэлов;

- сопоставление с данными полномасштабных экспериментов на стенде СМ-Э332;

- выводы по третьей главе диссертации.

В четвертой главе диссертации представлены результаты расчетных исследований:

- последовательность воспроизведения этапов обращения с контейнером при математическом моделировании и исходные данные;

- результаты расчетного анализа температурного состояния герметичного контейнера с ОЯТ в период предварительного прогрева;

- сравнительный анализ применения вариантов методики моделирования с учетом и без учета различия параметров среды в контейнере и ампулах и оценка влияния гидравлических сопротивлений оборудования на интегральные характеристики процесса осушки;

- результаты расчетно-теоретического анализа процессов тепломассообмена при вакуумном осушении УКХ-104 и УКХ-109 в широком диапазоне параметров, основывающегося на технологическом регламенте для Ленинградской атомной станции.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана комплексная математическая модель для анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения и реализующий ее вычислительный алгоритм, учитывающие особенности их конструкции и специфику физических процессов при данной технологической операции.

2. На основе данной модели разработаны специализированные программные комплексы, позволяющие моделировать рассматриваемые процессы в этих контейнерах в реальном масштабе времени и обладающие необходимым для инженерных расчетов интерфейсом.

3. Достоверность предлагаемой расчетной методики и реализующих ее программных средств в исследуемом диапазоне параметров подтверждена путем тестирования и сопоставления полученных с их помощью результатов с данными различных экспериментальных и расчетных исследований.

4. С помощью разработанных программных средств проведен расчетный анализ процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 при вакуумном осушении в широком диапазоне параметров, основываясь на технологическом регламенте для Ленинградской атомной станции. При этом получены следующие результаты:

- Длительность вакуумного осушения определяется соотношением интенсивности испарения воды из ампул и интенсивности откачки парогазовой среды из внутреннего объема МБК. В исследованном диапазоне остаточных тепловыделений, соответствующих ОЯТ 10-ти и 30-летней выдержки, и температур воздуха в помещении осушки, при заложенных проектных параметрах оборудования, до 70% воды, испаренной из ампул, конденсируется в более холодной внутренней полости контейнера, что и определяет итоговую длительность процесса.

- Исследовано влияние гидравлического сопротивления технологического зазора ампулы на интенсивность поступления пара из ее внутреннего объема во внутренний объем контейнера. При ширине зазора, близкой к минимально допустимому значению (0,11 мм) длительность осушения ампулы может возрасти до 30%, при этом полное время осушки меняется незначительно.

- Создание в контейнере давления 4+10 кПа, заложенного в качестве исходных данных на ранней стадии проектирования, не обеспечивает достижения необходимого остаточного влагосодержания 20 г/м3, и реализации вакуумного осушения для целого ряда режимов.

- Во всем заявленном Главным Конструктором диапазоне исходных данных вакуумное осушение МБК с ОЯТ и достижение требуемого влагосодержания успешно осуществляется при создании в его внутренней полости давления разрежения около 1 кПа, что значительно ниже первоначально заложенного в проекте.

- Показано, что при режимах вакуумного осушения, соответствующих данному давлению, и существующих характеристиках оборудования, потери, вызванные сопротивлением выходного канала МБК, составляют порядка 0,1 кПа, и не оказывают серьезного влияния на интегральные характеристики процесса.

- При создании давления в контейнере давления 1 кПа расчетная длительность процесса осушки составляет не более 2 суток. При этом не учитываются технологические перерывы в работе оборудования.

5. Полученные результаты послужили основанием для внесения соответствующих корректировок по режимам вакуумного осушения в проектную документацию, а также для замены конденсатора с водяным охладителем в составе средств осушки, не обеспечивающим конденсацию пара при давлении 1 кПа, на аппарат с пропиленгликолевым хладагентом.

Обобщающие выводы по результатам расчетных исследований представлены в заключение диссертационной работы.

1. Петер X, Дик и Мартин Й. Крейнс. Потребности растут. Обращение с отработавшим топливом атомных электростанций. Бюллетень МАГАТЭ. 1998, Вена, Австрия. Т.40, №1. 24-27. 2. Т.Ф. Макарчук, Ю.В. Козлов, Н.В. Размашкин, Н.С. Тихонов. Программа исследований но сухому хранению ОЯТ. Материалы Межд. Конф. «Радиоактивные отходы. Хранение транспортировка, нереработка. Влияние на человека и окружающую среду», 14-18 окт. 1996 г., С-Петербург. Вопросы материаловедения. 1997. 6(12). 22-25.

2. Обоснование технологии сухого хранения ОТВС РБМК-1000 в двухцелевых металлобетонных контейнерах. Отчет НИР: Комплекс работ по научнотехническому обоснованию «сухого» хранения облученного ядерного топлива АЭС. Контракт 6.02.19.19.02.862 от 17.01.2002. -Москва: ВПИИНМ. -2002.

3. Приложение к Постановлению Правительства Российской Федерации от 23 окгября1995г.-Х2 1029.

4. Приказ Минатома России 142 от 24.04.95.

5. Основные правила физической защиты и безопасности при перевозке ядерных материалов ОПБЗ6. Москва: Госкомитет СССР по использовапию атомной энергии.- 1983.

7. Серия изданий по безопасности J b

8. Пормы МАГАТЭ по безопасности. Правила V безопасной перевозки радиоактивных веществ.// Вена: изд. МАГАТЭ. 1985.

9. Средства осушки упаковочных комплектов для хранения ОЯТ. Технический проект. Пояснительная записка СМ-647 ПЗ. СПб:КБСМ. 1999. 10. В. Пеньков. Опыт обращения с отработавшим ядерным топливом на Италийской АЭС. Материалы 3-ей Межд. выст. и конф. «Радиационная безопасность: транспортирование радиоактивных материалов», 31 окт. 4 нояб. 2000 г., -Петербург, Россия. СПб. 62-65.

10. Транспортно-технологическое оборудование для обращения с ТУК-104 на ЛАЭС. Технический проект: Пояснительная записка СМ-597 ПЗ-1. СПб: КБСМ. 1999.

11. Комплект транспортный упаковочный для хранения и транснортирования ОЯТ АЭС с реакторами РБМК-1

12. Технический проект.: ТУК-104 СбООВО. СПб: КБСМ.- 1999.

13. Средства осушки УКХ-104, УКХ-109: Исходные данные. Исх. N« 54/16-2932 от 13.08.99, КБСМ. СПб: КБСМ. 1999. 11 с. 14. Натанкар Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат. 1984. 152 с.

15. Lombardo N.J., Michener Т.Е., Wheeler C.L. COBRA-SFS predictions of singleassembly spent Fuel heat transfer data. Richland, Washington: Pacific National Laboratory.-PNL-5781.

16. Rector D.N., McCann R.A., Jenquin U.P., etc. CASTOR-1С spent fuel storage cask decay heat, heat transfer and shielding analysis. Richland, Washington: Pacific National Laboratory.-1986.

17. Hwang J.Y., Efferding L.E. Development of a thermal analysis model for a spent fuel storage cask and experimental verification with prototype testing. Jour, of Engineering of Gas Turbines and Power. 1989. V. 111. P. 647-651. 38. C.K. Anderson, W.J. Bums, Y. Shimura. The dry-cap spent fuel storage-transport cask. Packag. And Transp. Radioact. Mater. (PATRAM86). Proc. Int. Symp., Davos, 16-20 June, 1

19. Conf, HTD-96, ed. Symposium/Workshop

20. Vienna. 1987. Vol. 2. P. 465-474. 43. F. Nitsche, Ch. Rudolf. Heat Transfer investigations for spent fuel assemblies in a dry cask. Packag. And Transp. Radioact. Mater. (PATRAM86). Proc. Int. Symp., Davos, 16-20 June, 1

22. Schonfeld R. Berechungsverfahem zur Ermittlund der Temperaturverteilung. Atomvirtschaft Atomtechnik. 1985. V. 30. P. 208.

23. Wendel M.W., Giles G.E. HTAS2: A Three-Dimensional Transient Shipping Cask Analysis Tool. Proc. of 9* Int. Symp. Packaging and Transportation of Radioactive Materials (PATRAM89), Washington, D.C., June 11-16, 1989. -USA: Oak Ridge National Laboratory. 1989. V.3. P 1515.

24. Минск. 187. 48. V.N. Fromzel, М.А. Gotovskiy, etc. Experimental investigation of spent fuel assembles thermohydraulic regimes under their disposition in the casks and canisters and use the results of these tests for calculation methods verification. Proc. of ICON 5: 5* Int. Conf. on Nucl. Eng, May 26-30, 1997, Nice, France. -Nice. -2001.

25. Зубков A.A., Фромзель B.H., Фромзель Л.В. Метало-бетонные контейнеры и проблемы сухого хранения отработавшего ядерного топлива. Вопросы материаловедения.- 1997.- JV<>6(12). 1 4 6 151.

26. Зубков А.А., Никитин В.А., Фромзель В.Н. Расчет и проектирование контейнеров для транспортирования и хранения отработавшего тонлива АЭС (Разработка расчетных методик и программ; экспериментальные исследования). «Нроцессы тенломассообмена и гидродинамики в системах безопасности АЭС с ВВЭР-640»: Сб. трудов. СНб: АООТ «ННО ЦКТИ», 1997. 127 135.

27. Фромзель В.Н., Фромзель Л.В., Вдовец Н.В. Методика определения эффективной теплопроводности сборки твэлов и расчет температурного поля в сборках, размещенных в вертикальных контейнерах. «Процессы тепломассообмена и гидродинамики в системах безонасности АЭС с ВВЭР-640»: Сб. трудов. СПб: АООТ «ППО ЦКТИ», 1997. 139-150.

28. Программа CASK (Консервативный расчет стационарных и нестационарных двумерных полей в корпусах контейнеров, и предназначенных материалов). для транснортирования ядерного тонлива делящихся Аттестационный наспортГ» 37 от 21.12.1995 г., ГАН РФ.

29. Gidr-ЗМ. Аттестационный паспорт 166. НТЦЯРБ ГАН РФ, 2002. 55. Е.В. Номофилов, В.М. Тревгода. Методика расчета тепловых режимов транспортного контейнера с учетом циркуляции теплоносителя. Пренр. ФЭИ. N2 2

30. Обнинск: ФЭИ. 1989. 1 20.

31. Каменских И.М., Воробьев А.И., Рубцов Б.Г., Модин В.М., Лапаксин А.А. Температурные режимы контейнеров для хранения и транспортирования ОЯТ. «Обращ. с радиоакт. отходами и отраб. ядер, материалами, их утилизация и захоронение»: Тез. докладов межд. конф., Челябинск, 1996. -Чел-к. 1997.

32. Плютинский В.И., Охотин В.В. Моделирование неравновесных процессов в компенсаторе объема для использования в тренажерных установках. «Атомные электрические станции»: Сб. статей. М.,Энергоатомиздат. 1983. Вып. 6. 15-22.

33. Хабенский В.Б., Волкова СП., Мигров Ю.А., Данилов П.Г. Иванов М.Б., Ковалев А.Н., Кутьин В.В., Чернов И.В. Опыт создания и верификации программы PARNAS но расчету процессов расхолаживания ВВЭР-640 через бассейн в авариях с нотерей теплоносителя I контура. «Процессы тепломассообмена и гидродинамики в системах безонасности АЭС с ВВЭР-640»: Сб. трудов. СПб: АООТ «ППО ЦКТИ», 1997. 23 34.

34. Программа расчета тенлофизических свойств воды и водяного пара nwspll. Описание нрограммы и руководство пользователя. Сосновый Бор: ПИТИ. 1997. -Инв.№Т-759.

35. Ривкин Л., Александров А.А. Тенлофизические свойства воды и водяного пара. М Энергия.-1980.

36. Лабунцов Д.А. Обобщенные зависимости для теплоотдачи нри нузырьковом кипении жидкостей.//Теплоэнергетика. I960.- N4 5- 7 6 8 1

37. Исаченко В.П. Теплоэнергетика. 1962. 9.

39. Кутателадзе В.П., С. Осинова В.А., Сукомел и А.С. Теплопередача. М.: Энергоатомиздат, 1981. 417 с. Теплопередача гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

40. Джалурия Й. Естественная конвекция.: Тепло- и массобмен. М.: Мир. 1983. 413 с.

41. Fishenden М., Saunders О.А.. An introduction to heat transfer. London: Oxford Univ. Press.-1950. 69. Мак-Адамс B.X. Тенлонередача. M.: Металлургиздат, 1961. 690 с.

42. Якоб М. Вонросы теплопередачи. М.:ИЛ. 1960. 360 с.

43. Макгрегор Р.К., Эмери А.И. Свободная конвекция в вертикальных плоских слоях жидкости при средних и высоких числах Прандтля. Труды Амер. о-ва инж.мех.: Теплопередача. 1969. №3. 109.

44. Кейхапи М., Кулаки Ф.А., Христепсен Р.Н. Свободная конвекция в вертикальном кольцевом канале с ностоянной плотностью теплового потока на внутренней стенке. Труды Амер. о-ва инж.-мех.: Теплопередача. 1983. Т.105. №3. 31-37.

45. Кейхани М., Куляцкий Ф.А., Христенсен Р.Н. Экспериментальное исследование свободной конвекции в вертикальной сборке стержней (общая корреляция для числа Нуссельта). Труды Амер. о-ва инж.-мех.: Теплопередача. -1985. Т.107. 3 С 100-113.

46. Satishandra А., Keyhani М. Convective heat transfer in a sealed vertical storage cask containing spent fuel canisters. Nucl. Science and Engineering. 1990. V. 105..P. 391-403.

47. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: «Машиностроение», 1992. 672 с.

48. Иванов М.Б. Расчет задач естественной конвекции и теплообмена методом конечных элементов. Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену, 26 -30 окг. 1998 г., Москва. М.: Изд-во МЭИ, 1998. Т. 3. 76 79.

49. Иванов М.Б. Естественная конвекция при больших числах Рэлея в задаче 1999. удержания раснлава кориума в корпусе ВВЭР. «Теплоэнергетика». №3.-С.2-7.

50. Natural convection and heat and mass transfer calculation by the finite element method. Proc. of Third Baltic Heat Transfer conference, 22-24 Sept., 1999, Gdansk, Poland. Gdansk, Poland: IFFM Publ. 1999.

51. Расчет задач турбулентной естественной конвекции методом конечных элементов. Отчет НИР. Сосновый Бор: НИТИ. 1999 г. инв. Т-915.

52. Зенкевич О. Конечные элементы ианнроксимация.-М.: Мир, 1986.-318 с.

53. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1973. 329 с.

54. Норри Д., де Фриз Ж. Введение

55. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галеркина. М.: Мир. 1988. 352 с.

56. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкости. М.: Мир, 1988. Т. 1,2.-504 с 552 с. 86. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена. М.: Мир, 1988. 544 с.

57. Писсанецки Технология разреженных матриц. М.: Мир, 1988. 410 с. 88. NAG Library Fortran Manual. England, Oxford, Banbury Road: Numerical Algorithms Group, 1979. Vol. 3-

58. Duff I.S. MA28 A set of fortran subroutines for sparse unsymmetric linear equations.// Harwell Report AERE. R. 9730. 1977.

60. Прямые методы для разреженных матриц. М.: Мир. 1987.

61. Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений. М.: Мир. -1984.

62. Ортега Дж., Пул У. Введение

63. Иванов М.Б. Разработка программы расчета нестационарных процессов тепломассопереноса в ограниченных объемах на основе конечно-элементного алгоритма с противопоточной аннроксимацией. Отчет НИР. Сосновый Бор: НИТИ. 1998. Инв. Т-868.

64. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975. 936 с.

65. Блох А.Г. и др. Теплообмен излучением. Снравочник. М.: Энергоатомиздат, 1991.-432 с.

66. Gonzalez R., Chatelard P., Jacq F. ICARE-2. A Computer Program for Severe Core Damage Analysis in LWRs. Part 3: Description of Some Useful Sub-databases for Coupling with Other codes. Technical note DRS/SEMAR 93/33. May 1993. 1993.

67. Siefken L.J., Coryell E.W., Harvego E.A., Hohorst J.K. SCDAP/RELAP5/MOD3.3 Code Manual/ Vol 2: «Modeling of Reactor Core and Vessel Behavior during Severe Accidents». Idaho Falls: Idaho National Engineering and Environmental Laboratory.. September 2000. -NUREG/CR-6150, INEL-96/0422.

68. Summers R.N., Cole R.K., Smith R.C., Stuart D.S., etc. Computer Code Manual. Version 1.8.3. //NUREG/CR-6119, SAND93-2

69. September 1994. Vol. 1,2. 100. А.Д. Васильев, Г.В. Кобелев. Результаты разработки модуля переноса энергии излучением в A3 и ВКУ РУ ВВЭР при запроектных авариях (модуль МРАД). Препринт IBRAE-2003-

70. Москва: ИБРАЭ РАН. 2003. 56 с.

71. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М. «Наука», 1968. 720 с.

72. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

73. Комплект транспортный упаковочный для хранения и транспортирования ОЯТ АЭС с реакторами РБМК-1

74. Технический проект: Расчет тепловой. СНб: КБСМ.-1999.-198С.

75. Теплофизические испытания крупномасштабной модели МБК СМ76. Анализ результатов тепловых испытаний. Сопоставление с данными расчетнотеоретического определения температурного режима модели МБК: Отчет НИР. СНб: КБСМ. 1998. инв. Р-1290.

77. Физические величины: Справочник. М.; Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

78. Ефимов В.К., Иванов М.Б., Иванова В.О. и др. Расчетио-экспериментальное обоснование способа осушки внутренней полости МБК, загруженного ампулами с пучками отработавших твэлов. Отчет НИР. Сосновый Бор: НИТИ. 2000. инв. Т-959.

79. Иванов М.Б, для Иванова сухого В.О., Ефимов В.К., Черный О.Д. Расчетнотоплива. экспериментальное исследование температурного состояния металлобетонного контейнера хранения отработавшего ядерного «Физические проблемы эффективного использования и безопасного обращения с ядерным топливом»: Материалы XI семинара по проблемам физики реакторов. Москва, 4 8 сент. 2000 г. М.: Изд-во МИФИ. 2000. 168 170.

80. Иванов М.Б, Иванова В.О., Ефимов В.К., Черный О.Д. Разработка программного комплекса для расчета температурного состояния контейнера с отработавшим ядерным топливом в период подготовки к длительному сухому хранению. Материалы 3-й Международной конференции «Радиационная безопасность», 31 окт. 4 нояб. 2000 г., С-Нетербург, Россия. СНб, 2001. 59 61.

81. Ефимов B.K., Иванов М.Б., Иванова В.О. и др. Онытно-экснериментальная отработка технологии подготовки МБК к длительному хранению ОЯТ. Отчет НИР. Сосновый Бор: НИТИ. 2004. инв. Т-1310.

82. Иванов М.Б., Иванова В.О. Разработка математической модели загрузки МБК амнулами с ОЯТ РБМК-1000 при подготовке к длительному сухому хранению. Отчет НИР. Сосновый Бор: НИТИ. 2002. Инв. Т-1097.

83. Ивагюв М.Б., Иванова В.О. Математическое моделирование загрузки чехла МБК ампулами с ОЯТ РБМК-1000 при подготовке к сухому хранению. «Обращение с РАО и ОЯТ»: Материалы 5-й Международной конференции «Радиационная безопасность». 24 27 сентября 2002 г., С-Петербург, Россия. СПб. 2002. 153-156. ИЗ. Иванов М.Б., Иванова В.О. Обоснование режимов осущки МБК с ОЯТ РБМК-1000 при подготовке к длительному сухому хранению. Отчет НИР. Сосновый Бор: НИТИ. 2002. Инв. Т-1135.

84. Исходные данные по температуре воздуха в помещениях пристроя. СПб: КБСМ.- 2003.

85. Артемов В.Г., Ельшин А.В, и др. Расчет подкритичности хранилища отработавшего ядерного топлива Ленинградской АЭС. Отчет ПИР. Сосновый Бор: НИТИ. 2001. инв. 900/О.

86. Расчет тепловой. СПб: КБСМ. 2003. СМ-686 Р17.

87. Расчет тепловой. СПб: КБСМ. 2003. СМ-693 Р17.