автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Моделирование процессов тепло-и-массообмена при взаимодействии расплава активной зоны ядерного реактора с бетоном в случае тяжелой аварии на АЭС с ВВЭР

т 11-

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ПЕТУХОВ СЕРГЕЯ МИХАЙЛОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО-И-МАССООБМЕНА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С БЕТОНОМ В СЛУЧАЕ ТЯЖЕЛОЙ АВАРИИ НА АЭС С ВВЗР

Специальность 05.14.03 Ядерные энергетические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

зййГ«..

МОСКВА - 1993

Работа выполнена на кафедре Атомньк электростанций Москов сковского энергетического института

Научный руководитель- кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник в. В. Замлянухин

Официальные оппоненты: доктор фиоико-математических наук, ведущий научньй сотрудник

А. Л. УЭовский

кандидат технических наук, ведущий научный СОТРУДНИК ".Л. Эвонарев

Ведущая организация-. Всесоюзный научно-исследовательский : про®нтно-коистр/кторский и изыскательский институт "Атомэиврго-провот" , р.Москва

Защита диссертации состоится "II" декабря 1992 года в 14-00 часов в аудитории кафедры АЭС на заседании специализированного Совета К 033.16.15 Московского энергетического института по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Просим направлять Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, подписанный и скрепленньЯ печатью учреждения, по адресу.-105833, ГСП, Москва Е-250. ул. Красноказарменная 14, МЭИ, Ученьй Совет.

Автореферат разослан " £ ноября 1992 Г.

Ученый секретарь специализированного Совета К 053.16.15

д.т.н., ДОЦ. В. К.ГорЬуров

рес.кйс-'.лл

i-OCV- ; «Т/,53 |

,-j о-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тяжелые аварии на атомных электростанциях С АЭС) Three-Mile Island ССЙЮ и 4 блоке Чернобыльской АЭС показали, что на последних стадиях таких аварий возможно проплавление днища корпуса реактора и взаимодействие расплава с бетонньни конструкциями (ВРБ).

Как показали эксперименты по изучению ВРБ, скорость проп-лавления бетона расплавом активной зоны с уровнем энерговыделений, характерным для остаточного тепловыделения в топливе, может составлять до 6-8 метров в сутки, что может привести к проникновение радиоактивности в почву и грунтовые воды. С другой стороны, т.к. бетон содержит до 35% по массе газов, при его эрозии происходит образование большого количества газообразных веществ, среди которых есть горючие CC0D и взрывоопасные СН23, что может привести к превышении предельно допустимого давления под защитной оболочкой реактора или к ее разрушение и выходу радиоактивности за пределы АЗС.

Вместе с тем, анализ существующих моделей и программ для расчета ВРБ показывает, что имеют место значительные расхождения • как между результатами расчета' по различньм программам, так и между результатами расчетов и экспериментов. Отсюда вытекает важность более глубокого понимания процессов, происходящих при ВРБ и необходимость совершенствования моделей и расчетных программ для анализа последствия таких аварий и разработки эффективных мер по их предотвращение и ослабление последствий.

Цель работы^

-исследовать теплогидравлические и физико-химические процессы, происходящие в пограничном слое расплав активной зоны-бетон и разработать зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи между расплавом и бетоном;

-исследовать влияние вязкости расплава и других параметров на внутренние характеристики теплоотдачи на границе расплав-бетон;

-разработать алгоритм решения обратной задачи нестационарной теплопроводности СОЗНТ) для обработки опытных данных прим< нитель-

1К1 к специфичным условиям экспериментов по изучение ВРБ;

-оценить возможные последствия аварии с расплавлением топлива и выходом расплава за пределы корпуса реактора для АЭС с ВЮР-1000.

Научная новипна. Получена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи между оксидным расплавом и бетоном в аксиальном направлениям, учитывающая фазовые превращения в пограничном слое на поверхности расплав-бетон. Данная зависимость введена в расчетную программу УЕСНЗЬ-Мосй.

Разработана математическая модель роста газового пузыря на поверхности бетона в оксидном расплаве активной зоны, учитывающая вязкость расплава.

Получены аналитические зависимости для скорости роста газового пузыря и №личины его отрывного диаметра, позволяющие учесть рлияиш вязкости расплава.

Разработан новый алгоритм решоиия ОЭНТ применительно к июцифичньм условиям экспериментов с ВРБ.

Выполнен расчетный анализ процесса ВРБ для аварии с полным обрг.точиванием АЭС с реакторной установкой ВВЭР-1000 по модифицированной программе ЩОТЗЬ-Мас12.

Практическая ценность. Результаты исследования имеот практическое значение для анализа аварийных ситуаций с расплавлением личинной зоны и взаимодействием расплава с бетоном, а также для !||«введения проектных и расчетных работ для создания устройства /1ля улавливания и эффективного охлаждения расплава ("ловушки").

. Вт-дроние. Предложенная'зависимость для расчета коэффициент теплоотдачи между расплавом и бетоном используется для оп~ ¡'моления скорости проплавления бетона при анализе аварийных ситуаций с расплавлением активной зоны ДЛЯ АЭС С ВВЭР в ' Атомэн&ргопро&кт", г.Москва.

_ Личное? участие аьтого, Автор провел весь комплекс расчетно-теоретич^ских работ, представленных в диссертации. Им разработаны маи'матическке модели, методы их численной реализации и алгоритМ) I

Лг'ором созданы расчетные программы и приведены Сна ЭВМ К 1 П4ь ш каф. АЭС и 1ВМ Ри/ЛТ) численные исследования, р«'<уль-

таты которых изложены в диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты работ» докладывались на 2-м Всесоюзном семинаре по термодинамике силикатных расплавов (март 1091 г..г.Звенигород Московск. обл.], на совещаниях рабочих групп пользователей программы УЕСНЗЬ СКарлсруэ, ФРГ, февраль 1991 г.; Кадараш, Франция,сентябрь 1991 г.; Виллиген, Швейцария, ишь 1992 г.) и на конференции "Теплофмэи ■ ка-92" С г.Обнинск, октябрь 1992 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ /1-6/.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, Библиографический список содержит76 наименований. Работа изложена на 174 страницах, имеет 76 иллюстраций и таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, дается схема исследования, а также кратко излагается содержание диссертации.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ С БЕТОНОМ В СЛУЧАЕ ТЯЖЕЛОЙ АВАРИИ НА АЭС С ВВЭР-С0СТ0ЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. В этой главе приводится анализ экспериментальных данных по исследованию ВРБ, полученных на различных установках. Рассмотрены также основные расчетные программы, используемый для анализа ВРБ-СОШЖ-Мосй. КЕСКЗЬ-Мосй, выполнено сравнение различных моделей, заложенных в эти' программы. Выполнен анализ физической и математической постановки задач, использованных для моделирования различных процессов, имеющих место при ВРВ, и реализованных в этих программах с учетом анализа экспериментальных данных.

Вьполнен анализ математических моделей для расчета теплопередачи на границе расплав-бетон в аксиальном направлении. На основе анализа экспериментальных данных по ВРБ показано, что модель "газовой пленки", используемая в качестве единственной модели для расчета теплопередачи между расплавом и бетоном в программе СОЙСОЫ-Мосй, может быть корректно использована лишь в начальный период ВРБ. В остальной период времени до образования

стабильной твердой корки на поверхности расплав-бетон механизм теплоотдачи имеет иной характер. Подтверждается предположение D.R. Bradley (1988), что специфичным для ВРБ процессом, определяющим теплопередачу между расплавом и бетоном в отсутствие твердой корки, является периодическое образование и отвод с поверхности бетона жидкого бетонного шлака.

Показано, что оксидный расплав активной зоны в пограничном с бетоном слое может претерпевать фазовые превращения, и, возможно, что необходим учет этого факта для корректного моделирования теплопередачи.

Для апробации различных моделей (химических, тепловых), заложенных в расчетные программы посредством опытных данных по исследованию ВРБ, необходимо иметь надежные и точные алгоритмы решения ОЗНТ для характерных условий ВРБ .

Выполнен анализ результатов расчета, полученных с помощью программы C0NTA для опыта SURC3. Показано, что данная программа по-видимому, дает завыиенные значения расчетной плотности теплового потока по показаниям термопар, расположенных внутри его.

Поэтому необходимы другие, более точные алгоритмы, позволявшие рассчитать неизвестную плотность теплового потока на границе тела по данным измерений нестационарной температуры внутри его с учетом специфики экспериментов по ВРБ, заключающейся в следующем--

1.Как правило, имеются "переопределенная" обратная задача, т.о. даннье измерений температуры не в одной, а нескольких точках (как правило, в 3-4-х);

2.Часто под дейстьием температурных напряжений в конструкционных материалах (например, в МдО) термопары в течение опыта повреждаются, что приводит к осцилляции их показаний, поэтому необ холимо иметь в алгоритме расчета ОЗНТ механизм, позволяющий учесть этот факт.

Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ НА ПОВЕРХНОСТИ РАСПЛАВ-БЕТОН С УЧЕТОМ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ОКСИДНОМ РАСПЛАВЕ АКТИВНОЙ ЗОНЫ. На основе анализа экспериментальных данных, выполненного в главе 1, сформулированы основные допущения для физической и математической постановки задачи, использованные для получения новой зависимости для расчета

коэффициента теплоотдачи между расплавом активной зоны и бетоном.

Показано, как схема Эпштейна СМ. Epstein, 1973) для расчета температуры на границе расплав-бетон может быть усовершенствована для учета фазовых превращений С рис.П в расплаве. Схема Эпштейна, а также модифицированные расчетные схемы представлены на рис. 2-5.

Показано, как, используя эти схемы, можно рассчитать температуру контакта на границе расплав-бетон для различных значений среднемассовьи температур расплава и концентраций бетонного шлака растворенного в расплаве активной зоны.

Результаты расчета с использованием фазовой диаграммы расплава, представленной ка рис. 1 , приведены на рис. 6 (эти результаты получены при реализации схем, представленных на рис.5).

Величина температуры контакта связывается с коэффициентами теплоотдачи на границе расплав-бетон соотношениями, предложенными Брэдли CD.R.Bradley, 1688);

' h«,cV V 3 h.cV = h„cV V cn

ope etc p p %

где

he- "общий" коэффициент теплоотдачи от расплава к бетону;

h,- коэффициент теплоотдачи, обусловленный процессом отвода жидкого бетонного шлака от поверхности бетона;

hp- коэффициент теплоотдачи, обусловленным конвективным теплопереносом;

Тр - температура расплава (средне-массовая);

Тс - температура бетона;

Т\ - "мгновенная" температура контакта в течение цикла жизни пузырька;

Данное соотношение означает, что теплопередача от расплава к бетону определяется как процессом конвекции вследствие образования и отрыва газовых пузырей, выделявшихся вследствие теплового разлокения бетона, так и процессом образования и отвода с поверхности теплообмена жидкого бетонного шлака. Можно показать, что

h. ho

h - ■■ (2); h - h гДуИ)

h,* h, ° '

(3)

где у = СТ - (Т4- Тв)

С 4)

2800 Т,К

2400

2000 1600

\

Т1.ШР

Т1.«(х.т:

Т= VI

Та,*Сх,тЭ

Та.яСх.тХ,

Та „юр

а —XI-

х=0

ТЧвСх.т)

Рис.1 . Изменение температуры со- Рис.2. Физическая картина ли д.уса и ликвидуса расплава в за- процесса и схема для рас-висимости от концентрации расгео- чета температуры контакта,

:енные Эпи

ренногс в расплаве бетона

предложенные Эпитейном

ТвСх.т) Т«Сх.т) Т1Сх.т) ^ТгОих!— Т=Т»о1 Т=Тич ТаСх.т)

Х = -»о Т= \г — Хз— — XI-Ч ХгСт) _ х=+« Т= VI

расплав оксидн. расплав

/, тверд, /л шШФ задний-5е10Ц-; двухфазная.. оксидная:::: однофазный -_ оке. расплав

Рис.3. Пятизониая расчетная схема

VI > Тич

Т=Тпч

Т=Т\

х= Т= Чг 1— XI — ХгСтЗ _ х=+~ Т= VI

• бетон оксидный расплав

Ждкий-бехоц--

:оксидная: смесь..:::

$ааныа оксида, расплэв- г г

Рис.4 Четырехзонная расчетная схем для Тр > Тич

Т.», <

Т. «т,

и.

т=т\ т=т 1 'к,

х=-« Т= Уг Иа(т) х=+« Г= VI

бетон

р У/у

жидкий бегои-

оксидныа распл.

2-фазн оксидя: смесь;:

,*идкиа ОДГ Фааньй оке. - раепп.—

бетон

тверлу яидкцй ¿¡-фазн..

беюн- оксидя::

- - - смесь:;:

2600 2200 1800 1400

Рис.5 Чегарехзонная и трехзонная расчетные схемы для Т.о1 < Тр < Тщ.

бгсцЛЬу

V' ли

0.7

0.5 0.3 0.1

\

\ ---05 о гвт Ш Г

,>К

Рис.6 вменение расчетной температуры контакта II в зависимости от начальной температуры расплава и концентрации жидкого бетонного шлака в расплаве

2000 2400 2800 Тр.К

Рис.7.Изменение расчетного параметра у/Сг+1> в зависимости от начальной температуры расплава и концентрации жидкого бетонного шлака в расплаве

Используя эти результаты, были вычислены значения параметра у/Сг+П, они представлены на рис.7. Эти данные были обработаны, и получена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи от оксидного расплава к бетону;

(1 - ГСТр.С) Ьр в отличие от зависимости Брэдли, в которой И - 0.29 Ьр

где:

С 5) (6)

КПр.О (0.491-1610/ТР+1.87* 10?ТраЭС2.27+1.860), (7) Ьр - 0.0015Скр/АЖиг/э. С8)

гав! •

Тр - температура расплава, К;.

С - массовая концентрация растворенного бетона в оксиде,

Ир - коэффициент теплоотдачи, вычисленный по зависимости Кутатолзлзе и Маленкова.

Диапазон применимости зависимости (5)г Тр « 1750 - 3100 К С - 0 - 0.4

Зависимость (5) была введена в программу УЕСНБЬ-МосЕ. кроме того, алгоритм расчета теплопередачи от расплава к бетону был изменен таким образом, что для расчета коэффициента теплоотдачи р модифицированной программе исп ользуется лишь зависимость (5) Модифицированная программа УЕС1БЬ-Мо<12 используется для посттестовых расчетов экспериментов серии АСЕ 12 и Ш, Результаты расчетов по оригинальной СУП и модифицированной (У2) версиям программы и экспериментальные данные представлены на

рис.8-11. Анализ информации, представленной на рис.8-11 , по-кззнвет, что введение зависимости (5) в программу ШЗНБЬ-МоЛЗ приводит к несколько более близкому совпадению экспериментальных и расчетных данных, чем для оригинальной версии программы.

Т,

? 1(1)

ИС'.Ю

1_______ 1 ------ ----

Л,____ —..

__ __ ---- ----

г. м

0.2

ол

СО п----------

0 1000 2000 х>° Рис. 8 Измен^'№> сррлнеизссо-

гой температуры раоплпм в опито

у щ/

эксл.

ч юоо гооо т'с

Рис. О Ипм"н?ние глубины аксиальной гцчяии бетона п опте 1Я

к \эксп

Г1

Ь-

0 2000 40 00 Т.с

Рис,10 Изменение среднемассо-вой температуры расплава в опыте 13

Рис.11 Изменение глубины аксиальной эрозии бетона в опыте Ш

ГЛАВА 3. ВНУТРЕННИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ НА ПОВЕРХНОСТИ РАСПЛАВ- БЕТОН. Материаловедческие исследования расплавов активной зоны с добавлением компонентов жидкого бетона показывает, что при определенных условиях они ведут себя как аномально вязкие (гелиЗ или даже неньютоновские жидкости. Вместе с тем, анализ результатов пост-тестовых расчетов экспериментов по ВРБ с оксидньки расплавами показывает, что имеют место значителшне . расхождения между расчетными и экспериментальными данными, что отчасти объясняется недостаточно корректным моделированием теплопередачи на границе расплав-бетон. Известно, что на поверхности расплав-бетон образуется значительное количество газовых пузьрей, которые оказьтаит значительное влияние на теплоотдачу. Для корректного построения моделей теплообмена необходимо знать основные внутренние характеристики процесса-скорость роста газовых пузырей, их отрывной диаметр с поверхности бетоня, частоту отрыва. Однако, имеющееся в литературе количество данных по росту пучирой в аномально кязких слюдах ограниченно. В связи с зтим предлагается модель роста газового пузыря на поверхности бетона в оксидном расплаве с учетом вязкости расплава. С рис 1Я),

при формулировке которой использованы следующие допущения:

1. форма пузьрька является строго сферической на протяжении всего процесса роста пузыря;

2. задача является сферически симметричной, т.е. пренебре-гается влиянием стенки, возле которой растет пузырек;

3. для газа внутри пузырька, справедливо уравнение Менделеева, температура газа в пузырьке постоянна-,

4. лренебрегается процессом диффузии газа и теплопередачей через поверхность пузц>ька;

9. принято, что скорость газа на поверхности расплав-бетон постоянна в течение цикла жизни пузырька'и известна из экспериментальных данных С2-5 см/сек).

Эти допущения использованы для численного решения уравнения Ралея-Ламба-Плессета-'

о v , 3 ¿г Pg ~ P« _ г с _ 4 R ftn

RR + 2 " pi----p~k -pl--R ' (9)

которое интегрируется численно методом Рунге-Кутта-Фельберга с начальными условиями! т=0, RC0)=0, cR/dt = U0. Результаты решения представлены на рис .. Хорошо видно влияние вязкости расплава на скорость.роста газового пуаьря: при 10 Па.с величина вязкости расплава мало влияет на скорость роста пузьрька, при 10 Па с влияние вязкости значительно.

Показано, что.при 10 Па.с из уравнения С 9) может быть получено аналитическое выражение для 'величины радиуса лузьрька в зависимости от времени =

г/з

RCt) = А t .где (10)

,3 2 1/3

А - Щ^щ) ~ модуль роста пузыря, C11D

Рис.13 Изменение диаметра пузыря в зависимости от времени

Имея зависимость СЮ) для величины радиуса газового пузыря от времена, можно оценить величину диаметра газового пузыря, отрыва-• ющегося с поверхности расплав-бетон. Строго говоря, т.к. граница пузырька легко деформируется, определение ее положения в пространстве в произвольный момент времени требует решЛния системы уравнений движения и энергии. Необходимость такого подхода, противоположного традиционному, когда для определения отрывного диаметра записывается баланс сил, действующих'на пузфь убедительно показано Д.А. Лабунцовьм С19743. Но задача может быть упрощена, если форма границы раздела фаз задана. Тогда используя предложенное Д.А. Лабунцовым, В.В. Яговым С1988) "кинематическое" условие отрыва, можно получить;

Котг- /ЭГ 5 0.339 /¡Г (133 .

Другим физически обоснованным условием отрыва газового пузырька СД.А. Лабунцов, В.В. Ягов С198833 может быть равенство скорости роста пузьря в момент отрыва скорости всплытия пузьря в неподвижной жидкости. Согласно Д.А. Лабунцову, Ю'.'Б. Зудину С19753 :

ик= 1.05 /дКо

С143

Т4

Используй это условие и уравнение СЮ), моыю получить

*отг~ «124 CIS5

Зависимость С153 была введена в программу WECHSL и был выполнен посттестовьй расчет опыта АСЕ L2, результаты расчета представлены на ряс.14.

Можно отметить, что формула С13) имеет ту же структуру, что и (IS), однако зависимость (15) более предпочтительна, т.к. она получена для произвольной среды безотносительно'вязкости, в то время как (13) получено для невязкой среды.

"от I»

к 0.08

0.06 0

/ / \ автор

\ 1 / г / ■"■"Ч........- "■■■■ ч V

\/£СИ$1

(Г

1000

2000

г,с

Рис.14. Изменение радиуса пузыря в момент отрыва в зависимости от времени

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВРБ Выполняя обработку экспериментальных данных, полученных при исследовании взаимодействия имитатора4 расплава активной зоны с бетоном СВРБ),приходится сталкиваться с проблемой решения обратной задачи нестационарной теплопроводности СОЗНГ) для такого случая, рис. 15.16-

Разработан новый алгоритм решения 03НТ- Он основан на применении методов оптимизации ■ ■■ . и конечно-разностных методов теплопроводности (КРМ). Алгоритм нового метода заключается в следующем. Задается "нулевое" приближение неизвестной зависимости

плотности теплового потока от времени, например, в виде полинома-га

qx = Е AdT

Используя это приближение, с помощью КРМ расчитывается температурное поле в полом цилиндре, й- следовательно, изменение температуры в точках установки термопар- Сумма квадратов разностей между измеренными и расчетными величинами этих температур составляет "целевую" функцию

F = с г СТ^-1- т"' )г + с г (Т^' - TCi> „5й + *i»i изм1 'расч1^ ьг1^11'измг 'расча-1

где i- индекс суммирования по временным шагам КРМ; 1.2. ■• - номера термопар в полом цилиндре, причем их количество неограниченно- Эта целевая функция затем передается в программу, использу-шую МО для оптимизации коэффициентов Aj. Результаты расчета G3HT с использованием данного алгоритма представлены на рис-17.18-Видао. что он может быть с успехом использован для восстановления неизвестной плотности теплового потока в экспериментах с ВРВ-Основными его достоинствами является то, что он позволяет решать сколь угодно переопределенные задачи ОЗНТ; в случае, если надежность показаний какой-либо термопары вызывает сомнение, это моюю легко учесть введением соответствующего "веса" с, в целевой Функции. Расчеты показали, что "случайный" разброс-показаний термопар в пределах 1 У> оказывает незначительное влияние на "восстановленный" тепловой поток, что свидетельствует о том, что использованный метод оптимизации обладает регуляризуюшим' свойством- В качестве "нулевого" приближения для расчета может быть использовано аналитическое решение Бургграфа. В качестве метола оптимизации использован симплекс-метод.

Показано, что предлагаема алгоритм может быть использован также для решения задачи идентификации теплофизических свойств твердых тел. На основании экспериментальных д.чнньк для опыта SURC-3A получена зависимость теплопроводности от температуры для известнякового бетона. Дчны рекомендации по методике лроыж'чшя эксперимента по определению олмкшмасти теплопроводности ят температуры для серпентйнитного бетона.

-ПОЛЬ®

цилиндр ИЗ Mgü

• расплав - термопары

бетон

Рис- lü Схема экспериментальной установки

МдО

1 2 3

термопары; Рис-1В Расчетная схема

q Вт

м г 1,5-Ю

о

т.

к

300о 200^ iООО

о

О ' 4000 8000 12000 «.С Рис-17 Изменение расчетной плотности теплового потока

Л,' -l'1 ' \ \ N . w ТА

Va V —

IÍ-' АВ' Х)Р

---

- ' 'сомт 1

/

/ г..... /АПТПР

fl^r.

У SKCfi

О 4000 8000 12000*, ¿ Рис-18 Изменение "восстановленной" температуры во внутренней точке 1 полого цилиндра с использованием полученного теплового потока

ГЛАВА 5.РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВРБ ДЛЯ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ ВВЭР-1000 (В СЛУЧАЕ ТЯЖЕЛОЙ АВАРИИ С ПОЛНЪМ ОБЕСТОЧИВАНИЕМ АЭС) Для того, чтобы оценить возможность использования предлагаемой зависимости (3) для расчета коэффициента теплоотдачи между расплавом и бетоном, а также, для определения возможных последствий такой аварии, был выполнен расчетный анализ аварийного режима полного обесточивания АЭС с ВВЗР-1000. Период протекания аварии можно условно разделить на два этапа.

I этап- отключение источников электропитания АЭС, прекращение циркуляции теплоносителя в I контуре, разогрев и расплавление активной зоны ядерного реактора, проплавление дниаа корпуса реак-

тора и перемещение расплава в бетонную шахту реактора.

II этап- взаимодействие кориума с бетоном.

Расчетный анализ первого этапа выюлнон но программе МДК'СИ-З. для расчета второго этапа использовалось программа У/ЕСН31.-Нос12: оригинальная версия (VI) и модифицированная (УК) (модификация заключалась во введении в оригинальную программу УКСИБЬ-Мо^2 зависимости (5)3.

Результаты расчета I этапа показали, что проплавление днища корпуса реактора происходит за время ~ 3 часа с момента начала аварии, Основные расчетные параметры, являвшиеся результатом расчета по программе МЛРСН-З (температура расплава, его масса, состав и т.д.) были использованы в качестве входных данных для расчета по программе УЕС1БЬ-КМ2. Результаты расчета для II этл-па представлены на рис.19 -22. В таблице 1 представлено суммарное количество образовавшихся в результате эрояии ботона глзов

Таблица 1

Суммарное количество образовавшихся газой ( этап 11)

Газ Масса, кг

СО, 71.5

СО 3.8

Н,0 3.7-5*10*

Н2 900

Всего для обоих вариантов расчета за период аварии было расплавлено около 107 тонн бетона. В результате расчета получе- . но, что осевая эрозия бетона, для расчета которой использована зависимость (3), составляет ~7м по сравнение с 4.5м для версии VI, что обменяется различными моделями теплопередачи между расплавом и бетоном. Внесенные изменения в алгоритм раскта теплопередачи, на наш взгляд, лучше отражают характер теплообмена на поздних стадиях ВРБ и блике соответствуют условиям эксперимгн тов Ь2 и Ю, что позволяет с большей достоверностью полагаться на результаты расчетов аварии для АЭС с ВЕЙМООО по версии У/2.

Т.К

л.

/ VI

\ 1 №» \ V \

ч о

0"~.......А Ьо "ВС Ю т,с

Т. К

1600

1650 1500

Wí

Рис.19 Изменение среднемас-совой' температуры расплава - (0-1200 сек.Э

1200 40000 80000' т,с.

Рис 20 Изменение среднемас-совой температуры расплава (1200-160000 сек.)

г. м 6.0

4.0 2,0

.— 1— —— -412

/ VII

/

'У

так о

м

3.8 3.4 3.0

2.6*0

"т

Шо

<г

Ш 1ЛЧ05 и //./о"

' Рис.21 Изменение вэлйчины акси- Рис. 22 Изменение максималь-альной эрозии бетона ното радиуса бетонной полости

ОБЩИЕ ВЬВОДЫ ПО РАБОТЕ ' 1'. Выполнен расчетный анализ процесса теплопередачи на границе оксидниЯ расплав-бетон . Разработана новая зависимость для

расчета коэффициента теплоотдачи между оксидным расплавом активной зоны и бетоном, учитывающая фазовые превращения в расплаве. Эта зависимость введена в программу УЕСНБЬ-Мос^ и вьполиены посг-тестовьо расчеты- экспериментов серии АСЕ.

Анализ результатов расчетов и их сравнение с данными экспериментов свидетельствуют, что использование ноеой зависимости приводит к более близкому совпадешь результатов расчета и экспериментальных данных, чем для оригинальной версии программы.

2. Разработана математическая модель роста газового пузыря в оксидном расплаве активной зоны. Получены аналитические зависимости для скорости роста газового пузыря 'и его отрывного диаметра; эти зависимости позволяют учесть влияние вязкости расплава на поведение газового пузырька на поверхности теплообмена.

Зависимость для отрывного диаметра газового пузырька введена в программу УЕСН2Ь-Мос12 и выполнен пост-тестовьй расчет эксперимента АСЕ Ь2.

После апробации зависимостей (13) и (13) с помощью опигньк данных по росту пузырей в вязких средах они могут быть использованы для совершенствования и раэработхи новых моделей теплопередачи между расплавом активной зоны и бетоном.

3. Разработан нокый алгоритм решения обратной задачи нестационарной теплопроводности, позволяющий восстановить неизвестную плотность теплового потока па поверхности тела по результатам измерений температуры во внутренних точках тела.

Показано, что данный алгоритм успешно может быть использован для обработки экспериментальных данных по взаимодействию имитаторов расплава активной зоны с бетоном.

<1,- Выполнен расчетный анализ аварии с полным ебосточиванием. АЭС с реакторной установкой ВВЭР-1000, сопровождающейся расплавлением активной зоны и взаимодействием расплава с бетоном по модифицированной программе УЕСН51-ЬЫ2. Скорость эрозии бетона в расчете по модифицированной программе №СН51.-Мос12 выие, чем по оригинальной версии. Глубина вертикальной эрозии бетона за период времени 2 суток с момента начала аварии составила около 7 метров.

Полученный результат свидетельствует о том, что необходимы меры по предотвращению проплавлония днища корпуса реактора

расплавом активной зоны, а также по интенсивному охлаждение расплава в бетонной шахте реактора для предотвращения выхода радиоактивности за пределы АЭС.

Основные результаты диссертации достаточно полно представлены в следующих публикациях:

1. Петухов С.М., Землянухин В.В. Моделирование процесса теплопередачи между расплавом активной зоны и бетоном с учетом фазовых превращений в расплаве/Леплопередача-. Тез. доклада 1 Европесйк.

и 3 Английск. конф., 18-21 сентября 1992 г.- Бирмингем, 1992,-С. 557-563. (на англ. яз.)

2.Петухов С.М., Землянухин В.В., Кабанов Л.П.-. Моделирование процесса теплопередачи между расплавом и бетоном с учетом фазовых превращений в расплаве//Научно-техшческие проблема безопасности АЭС и подготовки кадров; Тез. докл. 2 Междунар. конф. 8-11 октября 1991 г.-Обнинск.

3.Петухов С.М. Оценка скорости роста газового пузыря на поверхности оксидный расплав-бетон при тяжелой аварии на АЭС с ВВЭР// Проблемы тепломассообмена при тяжелых авариях и безопасность АЭС': Тез. .докл. конф. "Теплофизика-92", 20-22 октября 1992 г.Обнинск.

4.Петухов С.М., Ягов В.В. Об оценке величины отрывного диаметра газовых пузьрей при взаимодействии оксидного расплава активной зоны с бетоном//Проблемы тепломассообмена при тяжелых авариях и безопасность АЭС: Тез. докл. конф. "Теплофизика-92", 20-22 октября 1992 г.-Обнинск.

5.Петухов С.И., Линь Ч.Н. Об одном методе решения обратной задачи нестационарной теплопроводности (применительно к изучению процесса взаимодействия расплава активной зоны с бетоном)// Проблемы тепломассообмена при тяжелых авариях и безопасность АЭС: Тез. докл. конф. "Теплофизика-92", 20-22 октября 1992 г,-'Обнинск.

6. Петухов С.М., Линь Ч.Н., Землянухин В.В. К усовершенствованию модели абляции бетона при взаимодействии с расплавом активной зо-ны//Лроблемы .тепломассообмена при тяжелых авариях и безопасность АХ: Тез. докл. конф. "Теплофизика-92", 20-22 октября 1992 г.Обнинск. _

,.Гф||« .4311, Кричюимрмси»«». 13

№