автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Гидродинамические процессы при техногенных катастрофах

' ШСШСШ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИЬ'КЕНЕРКО-ФИЗКЧЕСКИй ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ> • -

РГ БОЛ

, . Г ' ИА ПРАВАХ РУКОПИСИ

УДК 621.028:532.523

АКСЕНОВ ' : Роман Ьйгаайловкч

ГЩРОШШЧЕСШ ПРОЯЁССЫ ПРИ ТЕХНОГЕННЫХ КАТАСТРОФАХ .

~ , 05.13; 16-приненение вычислительной

техники, и.3теистического иодэдирозания л иатенатических методов в научных исследованиях

Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико-натенатлчесхих наук

Аат-орг

Иосхва 1394

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете)

Научный руководитель: кандидат физако-штетаткческих . наук, старшй тучный.сотрудник,-доцент Сироткин В,К.

Официальные оппоненты;

доктор физико-математических наук Ловецкий Е.Е. V

кандидат технических наук 1 Радкович В.Е. '-;■:.' •''...'.'•-■'.:

Ведущая организация:

Институт ядерных реакторов РЩ "Курчатовский институт"

~ Защата дисс&ртации состоится " 2Х " О'^Л^Я^р^' 1994 г. в "/¿Г часов на заседании диссертационного совета Д053.03.08 в Шй по адресу: 115409, Москва, Каширское косее, 31, тел. 32484-38 , 323-91-67. ■ \ '\/ Г"

С диссертацией ъшно ознакомиться в библиотеке ЩЕИ.

Автореферат разослан. * ^ " 1994 г.-

Просим принять участие в работе совета иди прислать отэнв в' одном экземпляре, Л',.

Ученый секретарь :- ■ диссертационного совета, д. ф.-м.^н., профессор

АХ.Леонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

• /Диссертация посвящена вопросам математического моделкрова-ния гидродинамических - процессов-, возникащих при авариях на .-• индустриальных объектах," Рассмотрены аварийные ситуации на атом-них реакторахпричиной - которых■авдяется неконтролируемое введение в реактор "положительной реактивности, Кроме того, исследован . - класс аварий;-:связанних с-разрушениек-объешв жидкости, окрузкен-них, в частности, тонкой,металлической оболочкойпод действием ' внутреннего взрывного нагруяэиия, а последувдш разлетом облака

капельно- воздушной смеси. - Актуальность проблема заключается в том, что моделирование •', аварийных процессов в их развитии необходимо для предсказания последствий аварий и выработки практических рекомендаций, по их . предотвращению.. В частности, результаты могут быть использованы : для оценка радиационной обстановки-в районе АЗС после аварии (по '.".даннам ó -'степени..« характере повреждений активной зона и первого • контура.реактора),,а также.степени разрушшя.зданий u сооружений при авариях на взрывоопасных производствах. Цель диссертации состоит в .следущем: . . а) разработка теоретических моделей развития -катастроф,- вызванных ишульсным выделением энергии;

б) созданне методов численного моделирования процессов разрушения и сопровождающих' их импульсных гидродинамических явлений; : '. в)" создание вычислительных программ, l позволяжщх проводить чис-.-ленное моделирование указанных процессов.

В связи;со. сказанным можно выделить следующие'задачи, . поставленные в диссертации: . . - . -создание теоретических моделей поведения ядерного топлива и оболочки твэла под действием заданного нейтронного импульса, • '"'позволявших описывать процесс динамического' разрушения одиночного твэла;

-численное моделирование поведения оболочки твэла и топлива .под действием импульсного энерговыделения до момента разрушение твзлов и сравнение результатов расчетов с зксперишнтальншлн данными; . ~ . '

-создание математических методов расчета генерации и распространения волн давления в сложных системах труб переменного

сечения с учетом возможной деформация из. стенок;

-математическое моделирование развития гидродинамических процессов в системе первого контура канального: реактора под действием заданного импульса знерговнделеная в топливе с учетом, возможного разрушения твзлов и диспергирования топлива а тепло- 1 носитель; ,." . • - ,'•-

-разработка физико-матештической модели.процесса разрушения замкнутих объемов жидкости под действием внутреннего взрив- -кого нагруження к определения параметров . образующегося облака . капельно-воздушной смеси; . ■ ... ' ..•

-развитие методов .численного расчета - гидродинамических . процессов в замкнута?, объемах -жадкоети.'в одномерном (для различ-. них геометрий) н двумерном.приблйй&ниях. ... :

-численное моделирование образования облака капелыю- '. воздушной смеса под действием внутреннего нагружениян сравнение.' результатов расчетов" с идащгшся'.эшюряшнтатанши данными.'/-; •',.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Предложена новая модель разрушения твэлов под действием импульсного энерговыделения в. -топливе, которая -учитывает- .особен-' ности конструкции и условий эксплуатации твэлов и хорош: согласуется с данными экспериментов. - ?

2. Создана методика расчета распространения волн давления Б : сложной системе трубопроводов реактора.типа РБЖ, учитывающая:

а) переменность сечения трубопроводов и деформацию их стенок под действием давления В теплоносителе; ■.

б) влияние графитовой хладки на деформацн» труб активной зони реактора;. - . • ' -.-/•:■

в) возможность взаимодействия импульсов давления от различных груш каналов через общий объем {раздаточный коллектор).

3. Проведено моделирование развития аварки реактора реак-тивностного типа при . заданной нейтронной ;вспнак.е до «ом&кта разрушения канальной-трубы. . ':■;.. ',- '

4. Исследовано влияние количества пара в: теплоносителе на »»мент аварии и размера:зоны разрушения та характер развития аварии. •". ." ;. : - : . • ' у :.: / / .' ■•'

5. Создана математическая. шдедъ разрушения заполненных --.<; зйдкостъ» оболочек под действием внутреннего взрывного . нагрузке -ния и расчета параметров образушегогся облака - капелъно- .

воздушной смеси.

б. Показана" возюяность.применения квазидвумерной методики - расчета кмоделировании задач о взрыве вблизи-поверхности.

Практическое значение работы состоит в том, что предложн-в работе физические и «атешткчйские модели, а так*» «етоди-• кк расчетов могут служить основой для расчетов динамики и пос-, ледстзна аварий на. различных технологических объектах. Работа может бать основой для анализа различных конструкционных решений, позволявших. снизить вероятность ила смягчить последствия аварий и катастроф, а при проведении экспериментов - сделать их более целенаправленными и значительно снизить стоимость.

Апробация райоты. Результата работы доложены и обсуаденн: .. , на-2-х Всесоюзных. кйучннх.чтениях памяти Е.И. Забабахина (Челя-• бинск-70, январь ISSQ-r.)b на 2-м Всесоюзном отраслевом семинаре "Прочность,и-'надеяность элементов активных.зон . ядерных реакто-. ■ ров" {г.'Обнинск, 1891г.')',' на Вееооткном отраслевом с-бминаре . ".'"Инженерные и экономические аспекты ядерной энергетики" (Москва, октябрь' IS9E г.), на Всесоюзной школе по теоретической Физике им. В.М. Галицкого (Москва, и%нъ ISS2 г.).

Публикации.'По - те«е диссертации опубликована 9 научных работ. .

■• Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глаз, заключения и приложения, имеет объем ISO страниц машиописного текста, содержит ßO рисунков, 2 таблицы, 83 .. наименований использованной литература. .

Основные результата и положения, выносимые на зациту:

I. Модель разруиэння;твэла под действием импульсного знер-говыделения.' '-.vi'/ '-''.

• ' 2. ^тодика расчета распространения ишульсов давления по сложной систеио трубопроводов реактора канального типа.

. 3./Сравнение результатов расчетов по поведений твзла в ■ ■, -условиях капсульного эксперимента и реального реактора

4. Расчет развития парового взрыва в реакторе типа РБМК и вероятный сценарий Чернобыльской катастрофы.

5. Методика расчета разрушения жидкого объема, окруженного оболочкой, под действие« внутреннего взрывного нагрухения.

о , Возшкность использования секторного метода для расчета взрыва в жидкости.вблизи поверхности.

- & -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

При все?, очевидных отличиях.в функциональном- назначений и /. конструкционном устройстве рассмотренных в работе индустриальных-, объектов (в качестве примера'можно упомянуть . химические ' произ- .' водства,' атомные,, электростанции и . энергетические установки,., хранилища радиоактивных отходов ,и.др..) причины и протекание .ряда аварий на та -имеют некоторые обре 'черты-. Именно; в .некоторый.. -. момент времени- происходит резкое, повышение давденшт-в /срйде, заключенной в'замкнутом объеме (т.'е. окрухшной некотог^й о.бо-,-лочкой). При этом с .точки'зрения гидродинамики, совершенноневаз?.г-.-'■. но,, происходит ли. это ■повышение' вследствие быстропротекааа.ей экзотермической химической, реакции/.- (АИшческ.ая-/.прогалщленнрст.ь.) или атомного распада .(ядерние ~.

отходов). .Следует - отметить:, - что' у ¿ляописания ./динамйкя .. аварии-;-особое значение ишет характерное. время лэ > ,за 'которое«;.'?.:"; ,йредв.>''; происходит выделение.:энергии. Известно; - что ; Характерное . - время выравнивания давления в:среде чг:пропорционально . отношению ха- -: рактеруюго линейного размера састеш с к скорости звука в"' среде с, Поэтом? возмозаш "два случая: .V - - \

I.Чг при этом основное влияние на время, появления; и " параметры адпульсов давления оказывает прочностные свойства : оболочки, давление.же можно считать одинаковым во всех - точкгах рассматриваешь систеш. Очевидно, что собственно : гадроАйиаигка. . здесь начинается только после разрушения оболочки. -

2. примером такой .аварии может, бить, например, взрыв

в некоторой части системы. Гидродинамическая картина аварии в таком случае значительно усложняется, преаде всего ий-эа неодно- ' . мерности. течений средыи.^необходимости ошсивать .эти течения ещг . • до момента разручтения' оболочки. Кроме- того, карттаа';; разрушения ,'.' оболочки резко усложняется кэ-за возникновения неоднородностей в ; ее нагружкии (появление локальных вздутий й т, ПО- Однако, как. ад увидим в дальнейшем, и в этом. случае'; могут.;. быть ./предложены ,; : относительно .простые фггзаческае подходы й.. >осноаанн»6 . на л нше. ?;;.•.; математические «одели;-- позволяющие л тдостаточно-.'быстро.;' и - точно, 'моделировать развитие аварий. г^^'/^-ч'улу

Первой рассмотренной в работе аварийной ситуациейявляется динамическое разрушение одиночного твэла ядерного реактора под .

действием модаого' короткого (ч'Г сек.) нейтронного импульса. Предлагается модель этого " процесса,: учитызашая деформаций и разрушение оболочки твэла,'тепловое расширение и плавление топлива. 'Данная модель основывается-на многокомпонентном уравнепии 'состояния .топлива {твердое'- и расплавленное -топливо, газ под оболочкой твзла и в топливе), а так»э уравнении упруго- пластического течения оболочки твэла, . >.«отпом разрушения оболочки считается момент достижения ее деформации критического значения. Следует огмешть, ■ что модель позволяет рассматривать поврежденные • {т.е-, зяполнс-ивне водой, полнос-ть» или частично) твзлы. Созданная ка основе предлагаемой модели, вычислительная программа позволяет,.в частности,- получать временное зависимости давления под оболочкой, ее деформации и температуры топлива для заданная параметров нейтронного импульса, а также рассчитывать пороговые значения полного'знерговнделенкя в топливе, при которых происходит разрушение твзла. -

В настоящее рремя накоплен большой опыт проведения зкспери-ментов по разрушении одиночных твзлов, заключенных в зкспери^ен-тальнуй капсулу. В ряде случаев удавалось непосредственно измерить временную .зависимость давления под оболочкой твэла вплоть до момента его разрушения. В работе проводится сравнение - предсказаний теоретической модели по временному поведении» давления с экспериментом (рис. I, эксперимент-пунктир). Отметим, что это сравнение дало возможность уточнить константы модели.

При разработке новых тепловыделяющих элементов, равно как и для обеспечения безопасной--эксплуатации уже существу&ащх, .больше значение имеет точное знание порога - разруыениа твзла, то еегь полное количество энергии, вы.деляшвесл в топливе, • которое приводит к разрувени» -твзла". 'Очевидно, что ка пороговое значение анерговнделения оказывают влияние количество / газа в топливе, давление п.од оболочкой твэла ка момент аварии, а тамге величина предельной деформации оболочки твэла. В работе проводится численное исследование зависимости порога- разрушения твэла от дли-.тельности нейтронного импульса и указанных вьше параметров (рис, цифры I, 2, 3, 4 соответствуй? объемной доле газа под оболочкой твзла I, 3, Б, V %)'. Зги зависимости имеют линейный характер, причем присутствие газа'играет демгффу»ау« роль, значительно увеличивая энергетический порог разрушения. Сравнение

предсказаний модели с экспериментальными данными ■(пунктир . на рис.) показывает, что наилучшее совпадение имеет место при величине предельной деформации оболочка, равной 5 %. Наконец, было проведено, теоретическое и численное изучение зависимости порога разрушения твзла от начального давления под его оболочкой. В частности, показано, что резкое падение энергетического порога • разрушения при увеличении начального давления ' под оболочкой тззла вызвано плавлением топлива. Отметим, что из рис. I и 2 шано сделать вывод о применимости предложенной модели разрушения одиночного твзла для описания зкспериментов и предсказания и», результатов.

Однако, представляется - очевидным, что условия реального реактора (а частности, тесное •расположение твзлов • в,'канале, отлйчця в условия?, охлаждения,' а также неравномерность .нейтрон- . нос о ишулъса по высоте активной, зогш и. т. п.) значительно отличается ог условий .».апоулъных экспериментов с одиночными твзлаш. Эти обстоятельства не могут не влиять на поведение твзлов. под действием шпульса знергсвадаленая, Кроме того, в капсульках экспериментах импульсы давления возникают только на стадии непосредственного взаимодействия диспергированного топлива с теплоносителем, т.е. парового взрыва, после разрушения твзла. 3 реакторе пае возможны иные механизмы генерации волн давленая, например, за счьт быстрого расширения твзлов и нагрева теплоносителя еще неповрежденными тьэлами. Ясно, однако, что -эти процессы могут играть заметную роль, только, когда объемная -концентрация твзлов сравнима с такой »а величиной для теплоносителя (что, собственно,-и имеет место з реактореЬ По сути дела, необходимо совместное рассмотрение процессов, происходяшх в твэлах и теплоносителе пои коротком неоднородном по высоте активной зоны реактора нейтронном импульсе, с учетом теплоиереноса от топлива к теплоносителя и вытеснения теплоносителя, за счет расширения оболочек твзлов. Предложенная физако-штсматическаз модель описания такого процесса основывается на использований системы уравнений двих&нкя' двухфазной двухтемпературной неравновесной смеси, где в качестве второй рассматриваются твзлч. азчане-: ни» объемной концентраций и температуры второй Фазы соответствует расширение.и нагревание твзлов. Эти процессы описывается по модели поведения одиночного твзла. Отметим, что. такой подход к

ревешт поставленной задачи позволяет легко учитывать взаимной ■влияние' твэлоз . и теплоносителя, .описывать гидродинамические ■ процессы в теплоносителе.. Дополнительном привлекательный, обстоятельством, сдуаит, достаточно полное развитие численных нетодов

• решения таких систем уравнений.■ Дяя заткшш систем* уравнений . было выбрано' эмпирическое уравнение* состояния Кузнецова, которое

■не учитывает возможность фазовых переходов в теплоносителе. Поэтому в расчетах считалось, что пар в теплоносителе отсутствует, а - давление в нем растет .из-за расширения оболочек, твзлов и

• нагрева- теплоноситепя. Вччислительная програша совестного . решения уравнений гидродинамики в теплоносителе и динамачесхого

поведения твэлов под действием неоднородного по высоте активной зоны' нейтронного импулка'позволяет проводить расчет о? н*чйлз вспышки'вплоть до юм&кта ее' окончания ила разрушшя твалов.

Получены профили по длине канала реактора параметров теплоносителя, ядерного топлива и деформации оболочек твзлов иа раз-личине коменти времени при разках длительности и атчнг/дк ш-.пульса знертовыделенкя. Показано, в частности, что дагге при сншзтричном относительно центра активной зоны распределении . мм&юстн вспнеки. из-за особенностей охлаждения твзлов область разрушения; твэлоз общается в шдаш часть активной зоны, причем . этот эффект тем сильнее,, чем мощнее и длиннее импульс. По-видимому, можно сделать вывод, что расширение твзлов не в состоянии заметно повитать давление в канале реактора и не- южт слуаить причиной его,разгерметизации.. Рост давления в теплонос«-. теле определяется теплопередачей от топлива к тепяоносител».

.Капсульике Эксперимента, по-видимому, еда долго будут представлять .практически'единстзешу» реальную возможность для опре-

• деления энергетического порога разрушения твзлов, степени разрушения и т.п. Напомним, что эти эксперименты проводятся, как правило, о одиночнкмн твэлами, .окрушнныш большим количеством теплоносителя... В то ке время совершенно ясно, что в прожшенннх . или транспортных реакторах провести подобней, эксперимент хотя би . для одного технологического канала, содержащего до нескольких

десятков твзлов, чрезвычайно слоуно как по соображениям стоимости, так и безопасности. Поэтому представляется важны рассмотрение принципиальной возможности переноса результатов этих экспериментов на условия реального реактора.

Б расчетах регистрировалась термодинамические: параметрн топлива, а также пластической! деформации оболочек твэлов в центральной части активной зоны. Временное поведение этих величин сравнивается с результатами расчетов для одиночного твзла (разумеется, использовались обвде начальные условия расчета и оинако- -вые значения параметров импульсов энерговыделения). .

Сравнение результатов расчетов показывает, что при,- сравнительно малых амплитудах и длительностях . имлульсгз поведение: \ параметров топлива и деформации оболочки в реакторе•• не обнарухн-вает ¡заметных отличий от капсульных экспериментов . Отличия воз- , нихаш при более мошгх и длинных вспышках. На рис.,3 предстаьле-ьо поведение деформации оболочки твзла в зависимости от времени -в реакторе (сплошная линия) и в капсуле (пунктир), Видно-, что. «уштлрнаа кривая идет заметно выше. Очевидно, ■ что-''давление., в ■ одиночном твзле будет в этом случае меньше. Вместе.с тем давление под оболочкой твзла 'на момент его разрушения является .ваянои величиной для оценки степени Фрагментации топлива. Опчсанпий' эффект связан прежде;всего с тем, "что в результате нагрева теплоносителя в нем значительно возрастает давление, играют* роль сщшъттго фактора для .течения оболочки'. , йтжпо представить .. себе ситуаций, когда в канале реактора разрушения твэлоз динамическим образом не произойдет,з то время как в капсульном эксперименте это будет иметь место. Механизмом разрушения твзлов .в реакторе в этом случае.ыоаат . служить проплавйение ' или потеря из-за нагревания несущих свойств оболочки твэла." Одновременно с этим давление в теплоносителе может оказаться достаточном для разгерметизации первого контура реактора еще до разрушения твз-лов. Образуйгйяся при \ разгерметизации волна разгрузки резко уменьиит давление в теплоносителе и ускорит пластическое течение „ •;• и разрушенке твзлов. ■'...-.-•. : .;'■

Следуэд&й стадией развития реактивностной . аварии является, ситуация, когда фрагментнрованное топливо из разрушенных твэлов вступает в непосредственный контакт.с теплоносителем. Зто может привести к паровому взрыву с тяжелыми последствиями (разрушение первого' контура' и йамедлателя-гра.^ата в : реакторах типа, РБиК, загрязнение теплоносителя радиоактивными частицами и т.п.) Слоя- . ностъ описания динамики процесса парового .взрыва . в- реакторе. : вызвана как отсутствием законченной теории парового взрыва, так ' .

' • . - 11 -и особенностями расчета распространения импульсов давления в ело «ной. системе ■ трубопроводов первого контура.

В диссертации предложена физико-математическая модель дчя исследования развития такого класса аварий, на основе которой составлена вычислительная .программа. Отличительной чертой описа-• няя развития парового взрыва является ас-пользование оригинального уравнения состояния теплоносителя с горячими частицами (В. ".. Сироткин).'которое является многокомпонентным (воде, горячие частицы топлива, пар в теплоносителе на »шент аварии, новий пар, образуадйся. вследствие контакта горячих частиц с водой). Таким образом, в этом ¿равнении состояния в изотермическом пркб-• . лишении учитывается двухфазкость теплоносителя, что очень вакно -для рассмотрения-реакторов .типа ?ЕЖ. Дэлеи,- это уравнение позволяет -учитывать- переменность массового содержания пара по дкаке . первого контура а,/ следовательно, может быть обчгям для всей .рассматриваемой области с переменными я&рам&трама теплоносителя (это очень, удобно для численного - тделированиа). Отметим, что применение этого уравнения состояния для расчета генерации импульсов давления vpn паровом взрыве, проаскодяа^м в экспериментальной капсуле после гацач одиночного твзла, показало удовлетворителъное согласие с опытные данными.

Геометрия задачи выглядит оледух^им образом. В левой .части рассматриваемой области находится раздаточный коллектор некоторого объема, ио которого выходят 43 технологических канала одинаковой геометрии и длину, которые при расчетах могут быть раз' биты на группы (числом от одник до ^ести). в зависимости от .параметров парового взрыва, свойств теплоносителя и т.п\ Считается, что паровой взрыв.происходит во всех каналах одновременно. Граничное условие, описывайте коллектор, выбрано таким образом, чтобы обеспечить возможность перехода импульсов давления из одной группы каналов в другу». Ка правой границе. области находится барабан-сепаратор, в который входят все каналы, настолько большого объема, что давление в нем все время равно начальному. Импульсы давления могут вызывать пластическую деформацию стенок каналов, а в активной зоне-разрушать графитову» кладку. В модели учитывается переменность проходного сечения каналов, различие в механических свойствах материалов стенок труб а т.п. В рамках модели предложив• оригинальная методика расчета в смеаанных

лагранжево-эйлеровых координатах..' '

При численном исследовании -динамики 'развития парового'взри--- ; ва варьировались средний размер топливного фрагмента,, длина разрушенной части активной зоны «• ее меотополодакие;. кроне того,' . изучалось влияние наличия пара в теплоносителе на дикашлу парового «зрыва. Один вариант расчета, посвящен" рассмотрения»'взаимно-го влияния друг на друга двух''групп каналов," в одной аз которых. . парового взрыва кет. ...'-,'■

Исследование динамики распространения .импульсов. давления в.- '•• первом контуре реактора показало, что наличие".пара а теплоносителе оушйственно уменьшает их"амплитуду, снижая." таким образом. 'разрушите льну» силу взрыва. .Если паровой взрыв происходит' в - той части теп поносителя, где уке ищется.пар, то рост давления там сравнительно небольшой. Наабольшу» опасность • представляет .слу- , чай, когда пара -в теплоносителе вообще нет.

Получены профили деформации стенок трубопроводов по длине . первого контура. В процессе развития аварии стенки труб начина»? деформироваться, сначала -непосредственно в области- парового . взрыва, а затем а. в прилегающих областях по мере распространенна , импульсов давления, деформация стенок приводит. к. эффективному .. сбросу давления, что в свою очередь ум&нътет скорость пластического течения стенок. Поэтому .нааболыжй рост скорости,- деф^р- . мации а области взрыва наблюдается в саше ранние моменты вреш-ни, когда давление в области велико: Прочностные свойства графи-/,, та незначительно-влияют на течение-стенок трубопроводов.- . ■ . При расчете," учитк&аадам две группы 'каналов (прячем паровой взрыв происходит только в-одной из них), выяснилось, что'импульс 1 дав пения, проходя через раздаточный- коллектор, моазт 'вызвать' деформацию трубопроводов' в .той группе, где парового взрыва нет.

-Расчеты, ?. которых варьировался средний, размер . фрагментов разрушенного топлива {что является важнейшим п&раштром, опраде-яахш* годность,парового взрыва), показали, что разрушения канальи нх труб не происходит ни прй.кг-ких разумных, значениях параметров частиц (0,Р.-в,в им). По-видашму, при. разрушений -твэлов разлетающееся топливо осаждается, ка стенках, технологических каналов, проплавляя их или ум&ньоая прочностное свойства матери- . ала, из которого они изготовлены.

Получены зависимости давления от времени в раздаточном

коллекторе (рис.4). Они носят периодический характер, причем период этих колебаний определяется,• как показано, геометрией системы и расстоянием от коллектора до границу, парового взрыва. Видно, что амплитуда имцульсов бистро спадает со временем, гак что если первый импульс не вызовет разрушения элементов первого контура, то последуйте яе смогут атого сделать.

Вопросы динамического разруиения жидких сред в настоящее время продол'>й1»т привлекать внимание исследователей как ввиду отсутствия законченной теории этого процесса, так и из-зг- большей практической важности. В самом обием виде динамическое разрушение объема нйдк.остй, непосредственно граничащего с воздухом, или окрученного оболочкой, представ«лет собой последоватьнъноотъ , явлений, протекавших с №мента выделения з жидкости анергии каким-либо источником, и до образов'-ния облака капелъно-воздуапой смеси. С практической точки зрения ве..ъма ва^но знать* параметры образу»улегося облака (дисперсный состав и конечной размер), что совер».ечво необходимо для оценки последствий аварий. Так, при взризах на объектах* химической проуыааенности ъозвдкн* последующее возгорание детонация облака, а при

авариях н"< объектах аюмной энергетики или '■р^ниликах радиоактивных отходов иаибольщу»» опасность представлять распространение радиоактивного облака в ?<тмоо.>£ре с последующим оседанием ча>т(-ип на ^'-тнссгн. Однако, с тлч*и зрения математического моделирования п>"«;.»ед/'Вательиого раз?ит>:я процесса разрушения ччдчого обь^а задача представляется достаточно сложной. Среди 'причин эюго мо'.кно' отметить н*д..«л-*точностъ экспериментальных данны?.. а также необходимость» учитывать целу* совокупность динамических процессов с су^естъенно разнима характерными временами. •

3 работе'предложена модель расчета взрыва в жидком цилиндрическом или иьерил';ском объеме, в центре которого помещен заряд взрывчатого вещеотза (ВЕ), позволяйся проводить расчет развития процесса от момента детонации ВЗ вплоть до момента образования облака капельно-воздушой суеси. Методика позволяет учитывать влияние тонкой металлической оболочки (используется модель жестко-пластического .течекка) на динамку волновмх процессов в ладком слое, дисперскнй сосгав и копечнпй размер облака. В качестве ¿словил разрушения оболочки испо?ьа/ется так^е критерии досгн^е-

ная ее дечормации критического значения,- определяемого со по-мо;аь» змаири-еских'соотношений. ■. •• ' ■ ■■"■:" ' "■■'.-'.-'".:• . Ка основе составленного комплекса '-программ проведен' ' анализ" волновых - процессов, .происходящих в гадком объеме пол взрыве' .в' случае непосредственного контакта гэдкости. с воздухом " -(отсутствия ободочки) и наличия на границе адкость-воздух,тонкой металлической оболочки. Б первом случае взайуодействуадая оо' свобод-, ной поверхностью ударная волна приводит к форшрооани» раопроот-ранякгйся к центру слоя волны"разрешения, за.которой происходит интенсивный рост пароводяных пузырьков, причем при достижении их объемной концентрации некоторого.значения лкдчостъ' теряет сшгоа-ьо-лг. Таким образом, на этой, стадии -чадкость имеет - слоисгуы структуру (каплк, пузырьковая смесь а собственно кядкость) ; Такая структуре является характерной для экспериментальных кико-грням (Сггебновский C.B.). Во втором случае оболочка • до своего разрушения аффективно одерживает развитие кавитации, а с- момента ' ее разрушения жидкость "вскипает", т.е. процесс потерн es сплоа-ности происходит значительно быстрее.■При этом возможно появление двух зон кавитации от двух волн разрешения, одг.а не которых распространяется от области продуктов взрдаа к внешней границе.

Проведены расчеты дисперсного состава образующегося капель--но-воздуи;ного облака для различной толшны хидкого слоя. Размер капель монотонно растет по ^.ере приближения к центру .объема. При уменъзьйиа относительной толщины слоя жидкости происходит ' более-детальное ее диспергирование. Такой "¿н .-(при фиксированной

толуфне сл.-'Я) оказывает наличие оболочки.

Получены зависимости максимального ' относительного радиуса облака для различных толщин кидкого слоя. При расчетах с оболочкой варьировалась '.ее - толщаа. . Рассматривались сферическая ц цилиндрическая геометрии задачи. Результаты расчетов зависимости относительного радиусе облака от относительной толшнн слоя уидчости (без оболочки, цилиндрическая, геометрия) сравнивались с зхсперйментельчымй-данными, C.B. Стебновским для

разрушения жидкого цилиндра под действием взрыва проволочки, расположенной на оси цилиндра (рис.5).. Квадратами на рисунке обозначены ¡экспериментальные точки, верхняя сплошная, кривая отвечает расчетам, в которых удельная шедость ВВ бралась как у тротилгексогена 50/50, пунктир-с меньа»й теплотворной способно-

сть». Видно, что с уменьшением мощности ББ угол наклона прямы?. V.приближается к полученному в эксперименте. Основная трудность . состоит-здесь з адекватном учете -.мощности взрыва проволочки. Показано, что определяжэдм параметром оценки конечного ' радиуса облака- является начальная скорость разлета вкешей границы 'жидкого слоя. Наличие.оболочки приводит к уменьшению радиуса облака при той толщине жидкого слоя.. .

Ва>яое практическое" значение имеет изучение -возможности ■ ". применения секторного метода для расчета взрыва в адкостч вбли-.' 'зи свободной поверхности или стенки, резервуара. Течение среды в .' -' атом случае' является существенно неодномернкм, что .требует при".' -менения слолНмХ методик расчета и мощных". ЗВ'м. .Поэтому в ряче :-. ^случаев- возникает . необходимость использования более простых -. ':'• методов- расчета, основанных на.реальных физических закономерное-: 'тя?:'., В;секторнон.мйТида, принимается {¡это,подтве^ядяет- ряд зкспе-рзмеятов>,, что среда вытесняется'продуктами взрква прнблизитель-./ но в'радиальных направлениях.- Б работе - проведен расчет .взрыва .с'-^рического"заряда .в »идкооти- п-'-д ' свободной поверхность». В : рамках ^тода считалось, что движение сред« вдоль некоторого-■. .-луча, проведенного 'из точка залохения-заряда к свободной поверх',.; ности, не'зависит от дв-лжйния среди-в соседних секторах. Самосо-гласоеанность достигалась" зл, счет уравнения состояния продуктов взрыва,.учитывающеео неравномерность расшрения газового пузнря здоль. разных лучей. Прозедеио сравнение скорости подъема свободной поверхности, в зависимости от приведенного к глубине залозвз-".-'' йия.заряда расстояния до зпицекфа взрцва с результатами, полу-чеиннк«.. с. помощь» аналитического вкра&ения в акустическом приб-ли'^нки {рис.5, .сплошная линия-секторный метод, пункткр-■ аналитическое выражение). .Сравнение этих кривых обнаруживает • удовлетворительное согласие, что свидетельствует о пригодности . .секторного «этодарешанн». подобиях- задач. Дополнительным прей-мув&ством '.метода является сравнительная экономичность в исполь-Чзовании уааинного времени. ..

'' -'-- -'■ - ". . : - :. .Сснознне результат»-

-'-'.---. Г,' Предложена ф-зико-математич'ес-кая '. модель,, поведения твзлов - .". ядерник. реакторов под' действием,; мощного -. короткого нейтронного : ;. км?«ульса; "'■ основаниея', на. использовании' многофазного (твердое

топливо, расплав, газ) уравнения состояния топлива ., и- уравнения ,. упруго-плаотяческого течения ободочки тъзла.

Z. 3 ража?, модели подучены временные-зависимости.температуры -топлива, давления под оболочкой твзла и.ее -деформации. Сравнение ,-.'. этих зависимостей с результатами . 'экспериментов, . обнаружив удовлетворительное согласие. :: ''.'■;.- • - '''.-.'.'/

Рассчитан« ..энергетические * пороги разрушения '- твзлов " -в.. -зависимости от .величины критической деформации . оболочки, ■ ■'■„; объемной доли, газовой .фазы под оболочкой твзла и . перепада' давлений, внутри и снаружи твзла. Сравнение'предсказаний модели, с -зчсперишнтама показало, что наилучше согласие имеет место,, при , величине критической. деформации, оболочки, равной Щ Также-,' удалось объяснить резкое. падение порога, разрушения. хвала, при увеличении начального, давления под оболочкой твзла, ^ '' . 3. . Создана физико-математическая, модель .и-оригинальная методика совместного расчета поведения те.п,ловыделя®;пе"й. сборки и теплоносителя в канальном реакторе под действием короткого кеоднорбд-. ного по высоте активно?, зоны нейтронного импульса с , учетом,, в частности, расширения оболочек твзлов, теплопередачи от , топлива' к .теплоносителя, гидродинамических- течений, возникащих в теплоносителе вследствие этих процессов. Эта модель позволяет., ассле- . довать развитие реактивиостной аварии.в-первом контуре реактора . вплоть до момента возио-ййо£о разрушения твэлов'. ' Показано, в частности, что даяе при симметричной относительно .центра..' активной. зоны формы'импульса знергбвыделани.я область . разрушения/ -твзлов смекается в-нижнй» часть"активной, зоны,' *' v" .4. Проанализирована возмоя-кость переноса результатов - к^псуль- --. ных. .экспериментов с одиночными -, твзлаш кй, условия реального реактора. ■ Оказалось, что »тот перенос является правоверным лийь '•• при сравнительно малых - мощностях и длительностях . нейтронного: ' импульса, то есть энергетический порог динамического разрушниа-";• твзлов в условиях реального реактора может бщь выше', а разрушение твзлов происходить в более позднче. шменты времени, • чем в : каглульннт. экспериментах' (при одинаковых параметрах импульса знерговыделения).

5. Разработана методика расчета парового взрыва в первом контуре реактора типа rS'fit; позволявшая учитывать, в .-частности: реальну® геометрию трубопроводов, первого контура; процесс дефор-.

мзцнн стенок труб, и влияние на это прочностных свойств замедлителя (графита), под действием давления, в теплоносителе; переменное содержание пара в теплоносителе. Созданная на основе этой ' 'методики вычислительная программа предусматривает возможность совместного расчета до .*> групп каналов, отдича^-ихся друг от друга паросодержаннеч.в теплоносителе^ новость» парового взрыва а т.п. ;.

Исследован* динамика распространения импульсов давления в

• первом контуре реактора при паровом взрыве. Гюзазано, что дефэр-'. мания стенок трубопроводов достигает своего максимального зн.ате-.ния в зоне парового взриза, причем этот, процесс приводит к. эффективному сбрасмваниУ) давления в этой зоне: При рассмотрении двух. групп каналов, 8: одном 'из которых парового взрыва не проис-.ходит, импульсн давления из соседней группн, передаваемые через раздаточный'коллектор, могут повредить трубопроводы в группе,

' где парового взрыва нет. Однако, расчеты пока$кг>а>л, что разрушения, канальных труб не происходит ни при каких разумных значениях'.параметров, паровой взрыв.

• Т. Рассчитаннне зависимости давленая в раздаточном коллекторе-от времен"! н^сят периодический, характер, причем период импульсов примерно одинаков для в ;ех рассмотренных вариантов расчетов и определяется геометрией слстеу>\ а наибольшим по амплитуде является первый 'импульс.

3. Сформулирована последовательная модель расчета взрывною диспергирования конечного объема, жидкости (в том числе окруженного тонкой металличеокой оболочкой) под действием внутреннего- чагрул^ния. -Написанная на основе модели вычислительная программа позволяет • определять, в частности, дисперсный состав и конечный- радиус образующегося облака -каг.ельно-ьоз.ду£но« qwa-и.

3. Показано, что наличие тонкой оболочки на ' внешней границе »■идкого объема оказывает' &'хПъ®ое влияние на динамику волновых, процессов в тадкости, в частности приводит к уменьшена» конечно-

• го относительного радиуса облака, но к более детальному дробле-

• ни»-жидкости ио .сравнен«» «л случаем, когда »эдкость непосредственно граничит о воздухом.

.'13, Сравнение результатов расчета конечного радиуса облака в 'зазистглтй от*начальной'толщина жидкого слоя с амейщашся- зкс-

пепимштальными. данными.;.обнаружилол хороыее . ¿огласке,; '..причем ... определяй®«« 'параметром для вычисления радиуса . облака .-- является'■-;.' начальная скорость разлета внешней -границы .жидкого слоя,. '*■■'■■ ' : .;• ГГ. 'Предложена модель■расчета в'зр8в%,-в'\з^дк0сти:вблаз8 .свобод-/ ной поверхности на основе секторного 'метода -'.-Сравнение реаулъта-тов расчетов с да иными, -полученными на-основе двумерных разност--. ных схем, а -также из' аналитических' реыеннй в 'рамка j. 'акустическо- , го приближения, . показало хорошее согласие. при , меньшх- затратах -. машинного, времени. Секторный метод может также применяться;- при; -•' рассмотрении взрывов вблизи стенок резервуаров'и-т ль ..-.: - .. . /

Основные результат« диссертации .ояублнковааа в работах; ; /; Г. Аксенов P.M., Афанасьева Е. М.,-.-Фомин-. Моделирование:...

процессов взрывного типа в газовых средах применительно'к -зада-' .. чам промышленной безопасности. Препринт И A3 им.. И.Bf Курчатова,: -J543o2/I6, й>сш$, -IS89. ' /'.'.' ..' ./■ - '".'"/

Я. Аксенов Р.'-!., Коваленко.0.Б.', Сиротккн/В.К., 'Суша Е.'Б/;/ Динамическое разрушение жидкости. - Тезисы, доклада- на',?—х Всесоэз- - '-'..-ных научных.чтенитх памяти Е,И. Забабахина,."Челябйнок-70,' ISS5.

3. Аксенов P.M., Булатов, А.З.у-иасленииков A.M.;.' Сироткий.;./.. В.К., Сумин Е.В., Зетис-ов В.С.,-/ Математическое' "^делирование:: . v-взрнва вблизи свободной, поверхности. Препринт И A3 им. Я, В.. .-Кур-о/--. чатова, ШТ.84Я, «осква, IS-J0. /- ':;:■ '- ' ,//; ''';- -'-'.-■/';■

4.; Аксенов, Р.И,., Коваленко" 0.В.,- Сироткин. В-Д.-','- Сушв':'-/Е.-В>.- ■■■}<, Численное моделирование динамического .диспергирования .и 1; разлета - // шдкости: Препринт ИАЗ им.- И.В- Курчатова,': :^5242/1,/; ЙОСкЬё',';•>••-'.•: 1330. ' -.--'■ / ''>"-' ;•/■;■ .'/'. /';/•/.•■

5. Аксенов P.M..,' Коваленко 6'.В,Сироткин-. В,К'/-/:Образовакие-- .,/ • облака азродисперс'ной. смесь', при '.разлете -диспергированной >.идко.с-'.-.

ти. Препринт ИАЗ' ней. К.'В. 'Курчатова,: S5.263/I, Москва, Т930;/-'./,-.;/;;// е. - Аксенов .Р.Ы1, Зверев A.A., Коваленко О.В., "Сироткин .В.К'..у'/ Динамическое разрушение твэла и- диспергирование топлива при /-,--. неконтролируемом введении положительной реактивности. Препринт ИАЗ им. И.В. Курчатова, 85442/6,-Д&юква, I3SI. 7. '8.К. Akseuov, O.V. Kovaler&o, V.K.Sirotkin, A.A. "verev. Fuel rod failure and fuel disintegration under RIA conditions. Preprint IAE, .854S5/5,'Moscow,- 1592.' .-..'' .

3. Аксенов P.M., Зверев A.A.i Коваленко О.В;, Сироткин B.K.,

Сумин Е.В. динамическое разрушение и разлет жидкого объема. ЗЙШФ, '¿о, IS9?.. 4

S. Аксенов P.M., Коваленко 0.В., Сироткин В.К. Модель динамического разрушения тепловыделяющего элемента реактора при неконтролируемом введении положительной реактивности. Eilrffi, £о, 1333.

Типография Ш&И, Каширское шоссе, 31