Теплоэнергетика, 2022, № 11, стр. 28-34
Моделирование термического взаимодействия топлива и натриевого теплоносителя с использованием интегрального кода ЕВКЛИД/V2
Э. В. Усов a, *, В. И. Чухно a, И. А. Климонов a, А. А. Бутов a, Н. А. Мосунова a, В. Ф. Стрижов a
a Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН
115191 Москва, Большая Тульская ул., д. 52, Россия
* E-mail: usovev@gmail.com
Поступила в редакцию 29.03.2022
После доработки 14.04.2022
Принята к публикации 28.04.2022
- EDN: JVZKYL
- DOI: 10.56304/S0040363622110091
Аннотация
Настоящая работа посвящена развитию подходов к расчету процессов взаимодействия натриевого жидкометаллического теплоносителя и компонентов разрушенного твэла (топливо и сталь в твердом и жидком состоянии). Подобные процессы могут происходить во время тяжелой аварии при разрушении активной зоны, а также когда разогретые до высокой температуры компоненты твэлов (топливо или оболочка) выбрасываются в поток относительно холодного жидкого теплоносителя либо когда начинается проплавление устройства для сбора топлива расплавом топлива. К причинам аварий с такими последствиями можно отнести резкий рост мощности, вызванный самоходом стрежней, и остановку принудительной циркуляции теплоносителя без срабатывания активных и пассивных систем защиты реакторной установки. Для моделирования теплового взаимодействия предложено использовать многокомпонентную термически неравновесную модель, основанную на решении системы уравнений сохранения массы, энергии и количества движения с соответствующими соотношениями, учитывающими особенности теплового и механического взаимодействия расплава с теплоносителем. Моделирование процессов очень важно для определения скачков давления в реакторной установке при выбросе разрушенных компонентов твэла в поток теплоносителя. Тепловое взаимодействие компонентов с теплоносителем может привести к интенсивному испарению теплоносителя и, как следствие, появлению резких скачков давления, определяемых интенсивностью теплообмена между компонентами и теплоносителем и количеством образующегося пара. Для нахождения скорости теплообмена между различными компонентами используются карта режимов теплообмена и соответствующие каждому режиму замыкающие соотношения.
Причина тяжелой аварии с разрушением активной зоны реактора – нарушение баланса между генерацией и отводом тепла при выходе из строя защитных систем АЭС. Наиболее критично появление высоких динамических нагрузок, способных разрушить конструктивные элементы установки. Для реакторных установок с натриевым теплоносителем такие процессы возможны при непосредственном контакте жидкого натрия с горячим керамическим топливом и при наличии большой поверхности теплообмена. Высокоинтенсивные тепловые взаимодействия топлива и теплоносителя могут привести к крупномасштабному взрывному вскипанию теплоносителя и скачкам давления в корпусе реактора. Кроме того, локальное вскипание натрия опасно из-за возможного введения положительной реактивности, что приводит к росту мощности реактора и еще большему ухудшению последствий аварии.
Традиционно пристальное внимание уделяется проблеме взаимодействия расплава диоксидного топлива и теплоносителя. По этой причине экспериментальные исследования проводились в разных странах в реакторных и внереакторных условиях. На реакторе TREAT (США) было проведено три серии различных экспериментов: S, E и H и эксперименты по моделированию аварий с потерей теплоносителя [1]. Процессы термического взаимодействия топлива с теплоносителем изучались также в Аргоннской национальной лаборатории (США) [2, 3] и в исследовательском центре ISPRA (Италия) [4]. Подобные исследования проводились и в России в ГНЦ РФ-ФЭИ [5].
Для моделирования тяжелых аварий в реакторе на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем в ИБРАЭ РАН разработан интегральный код ЕВКЛИД/V2 [6, 7]. В составе этого кода для анализа процессов с разрушением активной зоны используется модуль SAFR [8, 9]. Теплогидравлические процессы в натрии, в том числе при его кипении, моделируются с использованием модуля HYDRA-IBRAE/LM [10, 11 ] . Чтобы расширить область применимости кода ЕВКЛИД/V2 к расчету процессов с выбросом топлива в теплоноситель, была реализована специальная модель, учитывающая перенос компонентов разрушенного твэла и их термическое взаимодействие с теплоносителем.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ РАЗРУШЕННОГО ТВЭЛА И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Подходы к расчету термического взаимодействия компонентов разрушенного твэла (в частности, расплава топлива) с теплоносителем основаны на использовании многокомпонентной модели, в рамках которой решаются уравнения сохранения массы, энергии и количества движения для каждого компонента. Компонентами считаются натриевый теплоноситель (жидкая фаза и пары), сталь (жидкая, твердая), топливо (диоксид урана в жидком и твердом состоянии или нитрид урана в твердом состоянии). Система уравнений кода ЕВКЛИД/V2 для моделирования указанных процессов имеет вид
Тепло, поступающее с межфазной границы, для компонентов можно рассчитать с помощью следующих соотношений:
Теплообмен топлива с теплоносителем зависит от режимов теплообмена. При взаимодействии топлива с теплоносителем использовалась карта режимов из работы [12]. Карта режимов кипения (рис. 1) была построена в координатах “температура натрия (${{T}_{{Na}}}$) – температура контакта топливо – теплоноситель ($T_{{fuel\,Na}}^{{cont}}$)”:
Если температура контакта меньше, чем температура насыщения теплоносителя $T_{{fuel\,Na}}^{{cont}} < {{T}_{s}}\left( p \right)$, то кипения не происходит.
Если температура контакта больше температуры насыщения ${{T}_{s}}$ при заданном давлении в системе, но меньше температуры начала переходного кипения [${{T}_{s}}\left( p \right) \leqslant T_{{fuel\,Na}}^{{cont}} < {{T}_{1}}$], где ${{T}_{1}} = 1.326\left[ {{{T}_{s}}\left( p \right) - {{T}_{{Na}}}} \right] + $ + 1200, то наблюдается пузырьковый режим кипения.
Если же температура контакта больше температуры начала переходного кипения, но меньше минимальной температуры начала пленочного кипения (${{T}_{1}} \leqslant T_{{fuel\,Na}}^{{cont}} < {{T}^{{min}}}$), где ${{T}^{{min}}} = {{T}_{s}}\left( p \right) + $ $ + \,\,6.8\left[ {{{T}_{s}}\left( p \right) - {{T}_{{Na}}}} \right] + 439$, то реализуется режим переходного кипения. Если $T_{{fuel\,Na}}^{{cont}}$ > ${{T}^{{min}}}$, то происходит режим пленочного кипения, как и для $T_{{fuel\,Na}}^{{cont}}$ > 2100 К $min\left( {2100\,К,\,\,{{T}^{{min}}}} \right) \leqslant {{T}^{{cont}}}$.
Коэффициенты теплоотдачи при отсутствии кипения вычисляют, исходя из соотношений для конвективного теплопереноса:
где $Nu$ – безразмерный коэффициент теплоотдачи (число Нуссельта); ${{\lambda }_{{Na}}}$ – теплопроводность натрия, Вт/(м ⋅ К); ${{D}_{{fuel}}}$ – диаметр частиц топлива, м.Безразмерный коэффициент теплоотдачи Nu при движении топлива в потоке жидкого металла (жидкого теплоносителя) (число Прандтля Pr << 1) [12] равен:
где $Pe = RePr$ – число Пекле; $Re = \frac{{{{{{\rho }}}_{{Na}}}{{D}_{{fuel}}}\left| {{{U}_{{Na}}} - {{U}_{{fuel}}}} \right|}}{{{{{{\mu }}}_{{Na}}}}}$ – число Рейнольдса; ${{U}_{{Na}}}$, ${{U}_{{fuel}}}$ – скорость натрия и топлива, м/с; ${{{{\mu }}}_{{Na}}}$ – динамический коэффициент вязкости жидкого натрия, Па ⋅ с; $Pr = {{C}_{{p\,Na}}}\frac{{{{\mu }_{{Na}}}}}{{{{\lambda }_{{Na}}}}}$.Если теплообмен происходит в потоке паров теплоносителя с $Pr \approx 1$ [13], коэффициент теплоотдачи вычисляют по формуле
Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкометаллического теплоносителя (натрия) может быть найден по соотношению [14]:
где $q = \alpha \left( {{{T}_{{fuel}}} - {{T}_{{Na}}}} \right)$ – тепловой поток, Вт/м2.При пленочном кипении жидкий теплоноситель и структурные компоненты (топливо, сталь) разделены слоем пара теплоносителя, поэтому теплоотдача в жидкость происходит через этот слой путем радиационного переноса. Коэффициент теплоотдачи при этом может быть рассчитан по соотношению [15]:
В переходных режимах используется линейная интерполяция.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Для валидации разработанных подходов был проведен расчет экспериментов, выполненных в Аргоннской национальной лаборатории в 80-х годах XX в. (США) на установке CAMEL [2, 3]. Рабочий участок был спроектирован так, чтобы полномасштабно воспроизвести механизм слива топлива ядерного реактора на быстрых нейтронах в Клинч-Ривер. Секция была установлена в натриевую петлю CAMEL II. Рабочий участок состоял из трубы диаметром 0.1 м, которая моделировала область тепловыделяющей сборки, и расположенной над ней трубы меньшего диаметра, которая моделировала пучок поглощающих стержней и байпас. В верхней части большой трубы находилась секция с отверстием диаметром 0.0254 м для впрыска топлива. Для имитации входного патрубка механизма слива топлива во входной части тестовой секции устанавливали клапан. Перед основным экспериментом сначала были получены гидродинамические характеристики рабочего участка в стационарном режиме: давление в верхней части петли составляло 0.076 МПа, скорость и массовый расход теплоносителя на участке впрыска топлива равнялись 0.71 м/с и 4.85 кг/c соответственно. Перед проведением основного эксперимента насос натриевого контура CAMEL II отключался и скорость теплоносителя на участке впрыска топлива уменьшалась до 0.047 м/с. После этого в неподвижный жидкий натрий с температурой 773 К через инжектор из бака с топливом вводилось топливо (81% UO2 + 19% Mo), расплавленное в процессе термической реакции при температуре 3470 К.
Для моделирования эксперимента с использованием кода ЕВКЛИД/V2 была разработана нодализационная схема (рис. 2), которая включала в себя вертикальный канал, состоявший из секций с различными геометрическими характеристиками. Внизу канала было задано граничное условие с нулевым расходом теплоносителя, а вверху – давление 0.76 × 105 Па. Канал был разбит на 88 ячеек.
На рис. 3 приведены экспериментальные и расчетные временные зависимости объема пара V выше и ниже участка инжекции расплава, а на рис. 4 – временная зависимость давления на расстоянии 11 см ниже участка инжекции. Для определения причин отклонения расчетных данных от экспериментальных проводился анализ чувствительности и неопределенности результатов расчета. Было показано, что наибольшее влияние на объем пара и давление оказало варьирование расхода топлива, диаметра частиц и коэффициента теплоотдачи. Давление зависело также от температуры топлива, что связано, по всей видимости, с ее воздействием на первый пик давления, значение которого определяется интенсивностью испарения в начальные моменты времени. На паровой объем небольшая вариация температуры влияния не оказала. Среднее интегральное отклонение результатов расчета для парового объема составило 45%, для давления – 35%.
Для валидации моделей термического взаимодействия топлива с теплоносителем проводился также расчет эксперимента, выполненного на рабочем участке TERMOS установки FARO, расположенной в Объединенном исследовательском центре Европейского союза (Испра, Италия) [4].
Рабочий участок TERMOS состоял из корпуса наружным диаметром 0.8 м и общей высотой 4.0 м, натриевого контейнера внутренним диаметром 0.47 м, отделенного от корпуса изоляционным слоем из оксида алюминия, и тестовой трубы высотой 2.5 м и внутренним диаметром 0.28 м. Пористый тигель из нержавеющей стали в низу тестовой трубы использовался в качестве уловителя дебриса. Рабочий участок соединялся с печью через выпускной канал и три клапана. Расплав UO2 получали путем нагрева слоя порошка оксида урана, расположенного между двумя вертикальными электродами. Около 110 кг расплава оксида урана температурой примерно 3273 К заливали в тестовую трубу со 130 кг натрия температурой 673 К при давлении 105 Па.
На рабочем участке были установлены термопары и датчики давления в газе и натрии: двенадцать термопар диаметром 0.5 × 10–3 м были распределены аксиально внутри тестовой трубы на расстоянии 0.025 м от стенок, а пять были вмонтированы в уловитель дебриса. Давление в газе измерялось пьезорезистивными датчиками давления Keller.
Для расчета указанного эксперимента с использованием кода ЕВКЛИД/V2 была разработана нодализационная схема, состоявшая из канала высотой 2.5 м и диаметром 0.28 м с неподвижным натрием, имитировавшим натрий в тестовой трубе. В канале для подачи расплава располагалась секция длиной 0.125 м и диаметром 0.28 м, моделировавшая источник расплава UO2. На входе в канал с натрием было задано граничное условие – стенка, реализующая заглушку, а на выходе – граничное условие по давлению, моделирующее газовый объем с аргоном начальным давлением около 105 Па. Результаты расчета давления в газовой полости представлены на рис. 5. Для установления причин отклонения расчетных данных от экспериментальных проводился анализ чувствительности и неопределенности результатов расчета. Наибольшее влияние на давление в газовой полости оказало варьирование коэффициента теплоотдачи топливо – теплоноситель, диаметра фрагментированных частиц топлива и температуры расплава. Оценена среднеарифметическая погрешность расчета давления в газовой полости во время термического взаимодействия – она составила 33%.
ВЫВОДЫ
1. Для моделирования термического взаимодействия компонентов разрушенного твэла с натриевым теплоносителем во время тяжелой аварии может быть использована многокомпонентная модель, входящая в состав интегрального кода ЕВКЛИД/V2.
2. Оценка погрешности расчетов давления базировалась на результатах экспериментов, выполненных в Аргоннской национальной лаборатории и на установке FARO, и составила 33%, а образующегося объема пара натрия – 45%.
Список литературы
Deitrich L.V. Experiments on transient fuel failure mechanisms –selected ANL programs // Intern. Working Group on Fast Reactors Specialists’ Meeting on Fuel Failure Mechanisms (Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois). Seattle, Washington, USA, 11–16 May, 1975. P. 1–49.
DeVault G.P. SIMMER-II analysis of the CAMEL II C6 and C7 experiments (simulated fuel penetration into a primary control assembly): Los Alamos National Laboratory Report. Los Alamos, New Mexico, USA, 1985.
Yamano H., Tobita Y. Experimental analyses by SI-MMER-III on duct-wall failure and fuel discharge/relocation behavior // Mech. Eng. J. 2014. V. 1. Is. 4. P. TEP0028 https://doi.org/10.1299/mej.2014tep0028
Magallon D., Hohmann H., Schins H. Pouring of 100‑kg-scale molten UO2 into sodium // Nucl. Technol. 1992. V. 98. Is.1. P. 79–90.
Экспериментальные исследования термического взаимодействия кориума с теплоносителями / Ю.И. Загорулько, В.Г. Жмурин, А.Н. Волок, Ю.П. Ковалев // Теплоэнергетика. 2008. № 3. С. 48–56.
Верификация кода ЕВКЛИД/V2 на основе экспериментов с разрушением элементов активной зоны реактора с жидкометаллическим теплоносителем / А.А. Бутов, В.С. Жданов, И.А. Климонов, И.Г. Кудашов, А.Э. Кутлиметов, П.Д. Лобанов, Н.А. Мосунова, А.А. Сорокин, В.Ф. Стрижов, Э.В. Усов, В.И. Чухно // Теплоэнергетика. 2019. № 5. С. 16–24. https://doi.org/10.1134/S0040363619050035
Физические модели для расчета разрушений твэла и активной зоны реактора с жидкометаллическим теплоносителем, реализованные в коде ЕВКЛИД/V2 / А.А. Бутов, В.С. Жданов, И.А. Климонов, И.Г. Кудашов, А.Э. Кутлиметов, Н.А. Мосунова, В.Ф. Стрижов, А.А. Сорокин, С.А. Фролов, Э.В. Усов, В.И. Чухно // Теплоэнергетика. 2019. № 5. С. 5–15. https://doi.org/10.1134/S0040363619050023
Моделирование процессов плавления твэла и затвердевания расплава, образующегося при термическом разрушении твэла быстрого реактора, с помощью модуля SAFR/V1 интегрального кода -ЕВКЛИД/V2 / Э.В. Усов, А.А. Бутов, В.И. Чухно, И.А. Климонов, И.Г. Кудашов, В.С. Жданов, Н.А. Прибатурин, Н.А. Мосунова, В.Ф. Стрижов // Атомная энергия. 2018. Т. 124. Вып. 3. С. 123–126.
Моделирование перемещения расплава по поверхности твэла быстрого реактора при тяжелой аварии с помощью модуля SAFR/V1 интегрального кода ЕВКЛИД/V2 / Э.В. Усов, А.А. Бутов, В.И. Чухно, И.А. Климонов, И.Г. Кудашов, В.С. Жданов, Н.А. Прибатурин, Н.А. Мосунова, В.Ф. Стрижов // Атомная энергия. 2018. Т. 124. Вып. 4. С. 197–200.
Базовые положения, текущее состояние разработки и перспективы дальнейшего развития теплогидравлического расчетного кода нового поколения HYDRA-IBRAE/LM для моделирования реакторных установок на быстрых нейтронах / В.М. Алипченков, А.М. Анфимов, Д.А. Афремов, В.С. Горбунов, Ю.А. Зейгарник, А.В. Кудрявцев, С.Л. Осипов, Н.А. Мосунова, В.Ф. Стрижов, Э.В. Усов // Теплоэнергетика. 2016. № 2. С. 54–64. https://doi.org/10.1134/S0040363616020016
Система замыкающих соотношений двухжидкостной модели кода HYDRA-IBRAE/LM/V1 для расчета процессов при кипении натрия в каналах энергетического оборудования / Э.В. Усов, А.А. Бутов, Г.А. Дугаров, И.Г. Кудашов, С.И. Лежнин, Н.А. Мосунова, Н.А. Прибатурин // Теплоэнергетика. 2017. № 7. С. 48–55. https://doi.org/10.1134/S0040363617070104
Pouring of molten UO2, UC and Al2O3 in sodium: interactions and debris; theoretical analysis / P. Schins, D. Magallon, S. Giuliani, F.S. Gunnerson // European Appl. Res. Reports. 1986. V. 7. Is. 4. P. 577–672.
Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи / пер. с англ. М.: Мир, 1983.
Kotowski H.M., Savatteri C. Fundamentals of liquid metal boiling thermohydraulics // Nucl. Eng. Des. 1984. V. 82. P. 281–304.
Farahat M., Eggen D. Pool boiling in subcooled sodium at atmospheric pressure // Nucl. Eng. Des. 1974. V. 53. P. 240–253.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Теплоэнергетика