Верификация моделей осаждения аэрозолей в коде СОКРАТ/В3 на данных эксперимента FALCON

7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

17-20 мая 2011 г.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Верификация моделей осаждения аэрозолей в коде СОКРАТ/В3 на данных эксперимента FALCON

А.Е. Киселев

В.Д. Степнов

Д.Ю. Томащик

С.В. Цаун

ИБРАЭ РАН, Москва, Россия

Основным инструментом для анализа сценариев запроектных аварий с плавлением активной зоны являются интегральные коды улучшенной оценки. В ИБРАЭ РАН на основе кода СОКРАТ/В1 [1] создан расчетный код СОКРАТ/В3 [2, 3], который предназначен для оценки радиационных последствий запроектных аварий с плавлением активной зоны на АЭС с РУ ВВЭР. Интегральное программное средство СОКРАТ/В3 комплексно описывает развитие различных, существенных для поведения продуктов деления (ПД), процессов от исходного события до аварийного выброса радиоактивных веществ в окружающую среду. С помощью кода СОКРАТ/В3 сквозным образом решаются следующие самосогласованные задачи: накопление ПД во время нормальной эксплуатации реактора, выход ПД из топлива под защитную оболочку твэла, разрушение оболочки твэла и выход ПД в первый контур, поведение ПД в первом контуре и выход ПД в защитную оболочку (ЗО), выход паров ПД и конструкционных элементов из ванны расплава в напорной камере реактора, поведение ПД в ЗО и выход их в окружающую среду. Одним из многочисленных явлений, которое моделируется с помощью кода СОКРАТ/В3, является осаждение аэрозолей за счет гравитации, диффузии в ламинарном и турбулентном потоках, турбофореза, термофореза и диффузиофореза. Верификация моделей осаждения проводилась на данных различных экспериментов (например [4]), в том числе и на данных эксперимента FALCON. В данной работе представлено сопоставления экспериментальных данных, полученных в результате двух тестов (FAL-ISP 1 [5] и FAL-ISP 2 [6]) на установке FALCON, с результатами расчета по коду СОКРАТ/В3.

Описание экспериментов FALCON

Эксперимент FAL-ISP 1 проведен 4 июня 1992 году на установке FALCON в Winfrith Technology Centre для исследования переноса и осаждения продуктов деления в первом контуре и контейнменте реакторной установки. Первый из серии тестов FAL-ISP 1 воспроизводил стадию развития тяжёлой аварии с низкой относительной влажностью в контейнменте (50%) и достаточно высокой концентрацией частиц, для исследования столкновений частиц многокомпонентной аэрозоли, включающих различные химические элементы в своём составе. Исследовались также процессы агломерации аэрозолей. Особенностью всей серии экспериментов является точный подсчёт всех имевших место химических реакций, хорошая статистика частиц аэрозоли и высокий уровень измерительной аппаратуры. Эксперимент FAL-ISP 2 проведен 19 августа 1992 году на той же установке. Основное отличие экспериментов ISP1 и ISP2 состоит в том, что в ISP1 несущей средой являлся почти чистый гелий, а в ISP2 водяной пар. Так же в экспериментах различались массы инжектируемых продуктов делении и режимы работы индукционных печей.

На рисунке 1 показана общая схема экспериментальной установки FALCON. Установка состоит из индукционной печи мощностью 40 кВт, в которой размещены образцы топливных и контрольных стержней, помещенных в кварцевый сосуд высотой 260 мм и внутренним диаметром 58 мм. Через отверстие в дне сосуда инжектировался гелий, а через верхнюю крышку смесь водяного пара и раствора борной кислоты. К кварцевому сосуду через отверстие в верхней части боковой стороны была подсоединена горизонтальная кварцевая термоградиентная трубка (участок с внутренним диаметром 35 мм, длиной 10 см и затем участок с внутренним диаметром 25 мм, длиной 38 см). Термоградиентная трубка связана с отверстием в днище сосуда-оболочки (контейнмента) объемом 0,3 м³ через трубку из нержавеющей стали. Выходная улавливающая система представляет собой трубу, которая заполнена стекловолокном. Улавливающая система соединена с выходным отверстием контейнмента для сбора примесей, оставшихся в газе носителе. Верхняя секция кварцевого сосуда и внутренние поверхности термоградиентной трубки покрыты фольгой из нержавеющей стали. На внутреннюю поверхность контейнмента помещены фрагменты из этой же фольги.

Продукты деления выходят как из образцов имитаторов топлива, так и из слабо облученного топлива при разогреве до 3000 K в индукционной печи. Свойства паров продуктов деления и аэрозолей исследуются с помощью соответствующей аппаратуры включающей в себя масс-спектрометр, гамма лучевой спектроскоп, анализатор аэрозолей с набором фильтров и образцов из фольги для осаждения взвешенных аэрозолей для последующего поэлементного, химического и морфологического анализа.

Для нагрева кварцевой рабочей трубки используется специально сконструированная печь, имеющая 5 независимых зон нагрева, каждая длиной 60 мм, тем самым имеется возможность обеспечить изменение температуры вдоль трубки. Для нагрева трубки из нержавеющей стали используется ленточное сопротивление так, что температура несущего газа, входящего в контейнмент, может контролироваться. Защитная оболочка нагревается заранее до 50°С перед каждым экспериментом. Для поддержания на нужном уровне температуры в сосуде используется изоляция из стекловолокна.

Температура топлива измеряется с помощью термопар. Они также используются для измерения температуры прокладок из фольги в термоградиентной трубке, поверхности трубки из нержавеющей стали, а также поверхностей и атмосферы под защитной оболочкой. Относительная влажность внутри контейнмента измеряется при помощи двух измерителей влажности, расположенных на дне и у поверхности верхней крышки сосуда.

Рисунок 1. Общая схема установки FALCON

Упрощенная схема модели реактора, показанная на рисунке 2, представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд из керамики с размещенными в нем образцами твэлов. Сосуд (26064 мм) имеет дополнительную теплоизоляцию между образцами твэлов и внутренней цилиндрической поверхностью, выполненную из циркония высокой плотности. Нагрев осуществляется индукционным методом. Максимально возможная температура разогрева образцов -- 3000 К. В нижней части имеется отверстие для подвода газа в сосуд. Подвод газа и пара возможен и в верхнюю часть сосуда. В верхней части основной сосуд имеет боковой горизонтальный «рукав», моделирующий аварийную петлю контура циркуляции реактора. «Рукав» или термоградиентная трубка выполнена из керамики и представляет собой цилиндрическую трубку переменного диаметра: первый ее участок диаметром 35 мм имеет длину 100 мм и второй диаметром 25 мм -- 350 мм. По всей длине термоградиентная трубка бланкирована выемной фольгой из нержавеющей стали. Вдоль наружной поверхности имеется профилированный электрический обогрев термоградиентной трубы, для моделирования необходимых граничных условий. Максимальная температура внутренней поверхности трубки в месте соединения с основным сосудом может достигать 1300 К, а максимальный перепад температуры вдоль трубки -- 1000 К. Далее термоградиентная трубка соединена со стальной трубкой диаметром 25 мм и длиной 800 мм. Стальная трубка входит в емкость, моделирующую контейнмент. Модель контейнмента представляет собой герметичный стальной куб (740750550 мм). Относительная утечка из куба составляет менее 10% объема в сутки при давлении 1,1•10⁵ Па. Стенки куба могут прогреваться до температуры 430 К. Поверхность куба покрыта полистереном и стекловатой для уменьшения потерь тепла от его поверхности. Внутреннее покрытие стен и пола может быть легко удалено для выполнения анализа осаждений продуктов деления в процессе экспериментов. Куб может быть изолирован от основной части модели посредством двух задвижек. В одной из стен куба врезан трубопровод для вывода газовой среды в специальные фильтры.

Рисунок 2. Упрощенная схема экспериментальной установки FALCON, используемая для расчетов

Образцы топлива представляют собой отдельные таблетки UO₂, размещенные в трубке из циркалоя-2 в среде гелия под давлением 1 атм. Трубки заварены с обоих концов. Таблетки UO₂ изготовлены из обедненного порошка UO₂ с количеством продуктов деления, характерным для топлива с высоким выгоранием. Вес одной таблетки -- 18,16 г. Максимальное количество образцов, используемых в тесте - семь.

Образец контрольных стержней представляет собой стальную трубку диаметром 8,75 мм с запаянными в ней 1,3 г поглощающего материала (80% Ag, 15% In, 5% Cd).

FALCON является многоцелевой универсальной установкой, способной обеспечить исследование, как индивидуальных явлений, так и интегральных эффектов с целью развития и верификации компьютерных кодов, используемых для анализа тяжелых аварий.

Разогрев топливных образцов и образцов поглотителя происходил в паро-гелиевой среде. Состав несущей среды и количество стержней в экспериментах FAL-ISP1 и FAL-ISP2 показаны в таблице 1. Пар с раствором борной кислоты подавался в верхнюю часть основного керамического сосуда, над топливными образцами. Гелий подавался через нижний торец основного сосуда с расходом 4,0 литр/мин при температуре 20С. Стержень, моделирующий поглотитель, располагался в центре пучка шести имитаторов твэла. Подогрев осуществлялся индукционной печью. Состав продуктов деления, материалов топлива и поглотителя представлены в таблице 2.

Таблица 1. Состав несущей среды и количество стержней в экспериментах.

Таблица 2. Состав продуктов деления, материалов топлива и поглотителя

Порядок выполнения экспериментов

Контейнмент прогревался в течение нескольких часов до температуры приблизительно 90°С с помощью потока горячего воздуха. Эксперимент начинался когда температура атмосферы достигала 50°С. Такой режим был необходим для того, чтобы вдоль термоградиентных трубок за период их охлаждения установились требуемые профили температуры. Образцы топливных стержней и контрольных стержней нагревались в потоке несущего газа в течение 20 минут после того, как начинался выход аэрозолей. В экспериментах, проводимых с отдельными образцами топливного и контрольного стержней, для нагрева образцов использовался циркониевый подложкодержатель. В экспериментах, проводимых с пучками образцов топливного и контрольного стержней, нагрев образцов осуществлялся путем нагрева циркалоевой оболочки в индукционной печи. Теплогидравлические показатели записывались в течение 5 часов после того, как начинается выход аэрозолей внутрь контейнмента, при этом периодически происходит отбор проб аэрозолей для их анализа.

На протяжении всего потока несущего газа в установке были размещены съемные подложки из нержавеющей стали для анализа осаждения аэрозолей. Для обеспечения измерения массовой концентрации аэрозолей, взвешенных в атмосфере контейнмента, а также морфологического анализа аэрозолей, использовались образцы микропористого фильтра. Для обеспечения измерения размеров аэрозолей использовались импакторный пробоотборник и LAS-X аэрозольный спектрометр.

Результаты этих экспериментов были использованы в качестве основы при построении физической модели, в которой описывается скорость выхода аэрозолей, их распределение по размерам, а также при выполнении расчетных исследований по переносу и поведению продуктов деления.

Распределение температуры по длине термоградиентной и стальной трубок в начальный момент показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Начальное распределение температуры по длине термоградиентной и стальной трубок

Основные события в экспериментах представлены в таблице 3. Начало эксперимента соответствует включению индукционного обогрева топливных образцов и началу подачи гелия или смеси водяного пара и борной кислоты. Через 40 минут активная фаза эксперимента прекратилась, но измерения продолжались до 325 минуты для эксперимента Fal-ISP1 и до 340 минуты для эксперимента Fal-ISP2.

Таблица 3. Основные события в экспериментах

Измерения показали, что для контрольных стержней среднемассовый диаметр аэрозолей составляет 2,0 мкм и стандартное геометрическое распределение -- 1,9, для топлива, соответственно -- 0,3 мкм и 1,5.

Описание расчетной схемы

Нодализационная схема установки, используемая при расчетах по коду СОКРАТ/В3 показана на рисунке 4. Каналы CV030 и CV035 моделируют нижнюю и верхнюю часть основного сосуда. В нижней части располагается модель топлива, обогреваемая внутренним источником тепла. Канал CV015 представляет собой камеру смешения и позволяет варьировать расходные и тепловые характеристики подаваемого гелия. Смесь пара и борной кислоты вводятся в канал CV035 в виде внутреннего источника. Термоградиентная труба разбивается на два канала: CV040, длинной 0,1 м и CV042, длинной 0,38 м. Канал CV040 разбит на 2 части длиной по 50 мм каждая. Канал CV042 разбит на 8 частей, семь из которых длиной 50 мм и один длиной 30 мм. Стальная трубка задана каналом CV060, который разбит на 8 элементов, каждый длиной 100 мм. Модель контейнмента представляет собой камеру CV700, соединенную с краевым граничным условием, моделирующем окружающую среду. Основные характеристики каналов представлены в таблице 4.

Таблица 4. Основные характеристики каналов

7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

17-20 мая 2011 г.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4. Нодализационная схема экспериментальной установки

Трубы, стены и другие конструкционные элементы моделируются в виде тепловых элементов (&HEAT_ELEMENT) -- элементов определенной формы, для которых в коде СОКРАТ/В3 решается задача теплопроводности. Поскольку для всех элементов температура определялась экспериментально, то граничное условие для внешней поверхности тепловых элементов было определено в виде табулированной температурной зависимости.

Целью работы является верификация моделей осаждения, используемых в коде СОКРАТ/В3 на данных, полученных в эксперименте FALCON. Выход продуктов деления из топлива не моделировался. Интегральное количество каждого из продуктов деления, вышедшее из топлива и полученное в эксперименте, вводилось в виде соответствующих источников в канал CV030.

Из процессов, влияющих на поведение аэрозолей, в коде СОКРАТ/В3 учитываются следующие:

перенос ПД потоком газа;

конденсация паров на аэрозолях и испарение с их поверхности;

осаждение аэрозолей за счет гравитации, диффузии в ламинарном и турбулентном потоках, турбофореза, термофореза, диффузиофореза;

гравитационная, броуновская, турбулентная коагуляция аэрозолей.

При описании процесса конденсации и испарения на поверхности аэрозолей предполагается отсутствие поверхностного натяжения, гигроскопичности компонентов и температурное равновесие между атмосферой и аэрозолями.

Анализ результатов расчетов по данным эксперимента FALCON-ISP1

Теплогидравлические параметры рассчитывались по коду СОКРАТ/В3 максимально приближенные к экспериментальным значениям. На рисунке 5 показана температура внутренней поверхности термоградиентной трубы вблизи основного сосуда, сплошная кривая - экспериментальные измерения, кривая, маркированная квадратами - результаты расчета по коду СОКРАТ/В3.

Рисунок 5. Температура внутренней поверхности термоградиентной трубки вблизи основного сосуда (40 мм)

На рисунках 6-8 показаны профили плотности осаждения цезия, теллура и бария вдоль термоградиентной трубы, рассчитанные по коду СОКРАТ/В3 в сравнении с экспериментальными данными, полученными в эксперименте Fal-ISP1.

Рисунок 6. Профиль плотности осаждения Cs вдоль термоградиентной трубки, рассчитанный по коду СОКРАТ/В3 (красная кривая) в сравнении с экспериментальными данными Fal-ISP1 (черная кривая)

Рисунок 8. Профиль плотности осаждения Te вдоль термоградиентной трубки, рассчитанный по коду СОКРАТ/В3 (красная кривая) в сравнении с экспериментальными данными Fal-ISP1 (черная кривая)

Рисунок 8. Профиль плотности осаждения Ba вдоль термоградиентной трубки, рассчитанный по коду СОКРАТ/В3 (красная кривая) в сравнении с экспериментальными данными Fal-ISP1 (черная кривая)

Анализ результатов расчетов по данным эксперимента FALCON-ISP2

На рисунке 9 показан профиль температуры несущей среды и поверхности вдоль термоградиентной трубки, рассчитанный по коду СОКРАТ/В3 на момент времени 1800 с. На протяжении всей кварцевой трубки имеет место градиент температуры, направленный от поверхности к несущей среде. Это, в свою очередь, свидетельствует о том, что на этом участке идет процесс осаждения аэрозолей на внутреннюю поверхность трубки за счет термофореза.

Рисунок 9. Профиль температуры несущей среды и поверхности вдоль термоградиентной трубки. Расчет по коду СОКРАТ/В3 по данным эксперимента Fal-ISP2

На рисунках 10-12 показаны профили плотности осаждения цезия, теллура и бария вдоль термоградиентной трубки, рассчитанные по коду СОКРАТ/В3 в сравнении с экспериментальными данными, полученными в эксперименте Fal-ISP2.

Рисунок 10. Профиль плотности осаждения Cs вдоль термоградиентной трубки, рассчитанный по коду СОКРАТ/В3 (красная кривая) в сравнении с экспериментальными данными Fal-ISP2 (черная кривая)

Рисунок 11. Профиль плотности осаждения Te вдоль термоградиентной трубки, рассчитанный по коду СОКРАТ/В3 (красная кривая) в сравнении с экспериментальными данными Fal-ISP2 (черная кривая)

Рисунок 12. Профиль плотности осаждения Ba вдоль термоградиентной трубки, рассчитанный по коду СОКРАТ/В3 (красная кривая) в сравнении с экспериментальными данными Fal-ISP2 (черная кривая)

Верификации кода СОКРАТ/В3 на результатах экспериментов Falcon-ISP1 и ISP2 показала удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных.

В процессе моделирования экспериментов ISP1 и ISP2 выяснилось, что имеют место значительные неопределенности в исходных данных, в частности, в массовом расходе имитаторов продуктов деления, поскольку отдельные эффекты, которые были измерены в эксперименте, относились к тепловым профилям, отличающимся от профилей самого эксперимента ISP. Более того, предполагается, что скорость выхода одинакова для всех имитаторов продуктов деления, несмотря на то, что имеет место значительное различие в их летучести. Например, предполагается, что барий выходит из образца топлива в одно и то же время, что и цезий, однако на самом деле ожидается, что на момент начала выхода бария цезия должно выйти значительное количество. Дальнейшие трудности возникают из-за вариаций дополнительной инжекции пара и соединений бора. Инжекция отключается, в то время как имитаторы продуктов деления еще продолжают выходить. Это усложняет анализ химических процессов, происходящих с имитаторами продуктов деления за счет недостатка водяного пара во время выполнения эксперимента и изменения массы бора, участвующей в химических реакциях.

Эффекты, связанные с переходными процессами, влияют на скорость выхода разных имитаторов продуктов деления в экспериментальную установку для частиц в разных размерных интервалах. Размер частиц и, соответственно, скорость осаждения зависит от температурного градиента в точке, где пары подвергаются процессу нуклеации, а также от скорости генерации данного материала (то есть, от концентрации паров). Для тех элементов, которые переносятся преимущественно в виде аэрозолей, различие между расчетом и экспериментом в форме профилей осаждения может происходить из-за неопределенности данных по распределению аэрозолей по размерам.

Список литературы

контейнмент реакторный установка плавление

1. Расчетный код СОКРАТ/В1", Аттестационный паспорт программного средства, Рег. номер 275, 13.05.2010.

2. Bolshov L., Strizhov V. SOCRAT The System of Codes for Realistic Analysis of Severe Accidents. Proceeding of ICAPP'06 Reno, NV USA, June 4-8, 2006, Paper 6439.

3. S.V. Tsaun, V.V. Beslepkin, A.E. Kiselev, I.A. Potapov, V.F. Strizhov, L.I. Zaichik, "Numerical Simulation of the Behavior of Fission Products in the Primary Circuit of the VVER during the LOCA Severe Accident", ICONE17-75159, Proceedings of the 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE17, July 12-16, Volume 2, 2009, Brussels, Belgium, pp. 361-368.

4. В.М. Алипченков, А.Е. Киселев, С.В. Цаун, "Верификация моделей осаждения продуктов деления в первом контуре на маломасштабных экспериментах в расчетном комплексе СОКРАТ", 7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия 17-20 мая 2011 г., Сборник тезисов докладов, стр.29. http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/mntk2011/autorun/article41-ru.htm.

5. A.M. Beard and P.J. Bennett, CSNI ISP 34 (FALCON), Data report: Test 1 (FAL-ISP1), FAL/ISP (92)29, September 1992.

6. A.M. Beard and P.J. Bennett, CSNI ISP 34 (FALCON), Data Report: Test 2 (FAL-ISP2), (FAL/ISP(93)42), July 1993.

Размещено на Allbest.ru