Моделирование процессов в УЛР ЛАЭС-2 при поступлении расплава кориума из корпуса реактора

Рис. 1. Корзина УЛР АЭС-2006 с блоками ЖМ

Рис. 2. Расчётная область УЛР

1 - корпус УЛР; 2 - сварные металлоконструкции; 3 - бетон защиты корпуса УЛР (БГК);4 - наполнитель УЛР; 5 - БГС; 6 - наполнитель двойного корпуса УЛР

Основными целями расчетов формирования ванны расплава являются определение условий теплового нагружения корпуса УЛР для последующего анализа его температурного и напряженно-деформированного состояния, максимального значения плотности теплового потока, отводимого от наружной поверхности корпуса к охлаждающей воде, а также определение выхода неконденсирующихся газов и данных для последующего расчета выхода водяного пара. Удельное объемное тепловыделение в расплаве рассчитывалось по мощности остаточного тепловыделения, которая определялась в соответствии со Стандартом ANSI/ANS-5.1-1979 для условий непрерывной работы реактора на номинальной мощности (3200 МВт) в течение одного года. При этом уменьшение остаточного тепловыделения за счет выхода РПД на предшествующей стадии аварии (до проплавления корпуса реактора) принято равным 12%, доля мощности, выделяемой в расплаве оксидов, - 90%, а в расплаве стали - 10%.

Подача воды на поверхность ванны производится после разрушения тепловых защит корпуса при срабатывании системы пассивной подачи воды на расплав. В расчетах подача воды на поверхность расплава осуществлялась через 10000 с после формирования верхнего горячего излучающего слоя с средней температурой, превышающей 1800 К. Данная величина получена путем анализа динамики формирования зеркала расплава в УЛР с привлечением результатов аналитической оценки стойкости тепловых защит.

Рассмотрим динамику формирования ванны расплава в корпусе УЛР на примере аварии с течью Ду 346. В качестве оксидной составляющей жертвенного материала в УЛР была выбрана керамика на основе ПОЖА.

На рисунке 3 показаны изменения характерных температур компонентов расплава, а на рисунке 4 изменения плотностей фаз расплава. После быстрого окисления циркония плотность металлической фазы остаётся постоянной. Плотность оксидной фазы меняется вплоть до окончания химических реакций в расплаве. После поступления первой порции расплава металлов его температура в результате взаимодействия с СЖМ и теплоотвода в ОЖМ постепенно уменьшается (Рисунок 5).

После перемещения оксидной составляющей кориума на днище УЛР металлическая составляющая образует верхний слой в бассейне расплава. Расчеты свидетельствуют о подогреве металлического слоя за счет теплоотдачи от расположенного ниже тепловыделяющего оксидного слоя (Рисунок 6) до уровня температур порядка 2300 К. Разогрев металлической компоненты расплава связан с нагревом оксидной компоненты за счет интенсивного окисления металлического циркония, содержащегося в оксидной составляющей при его взаимодействии с ПОЖА.

Рис. 3. Максимальная температура в бассейне расплава УЛР

Рис. 4. Изменение плотности компонент в бассейне расплава УЛР

После окисления всего циркония происходит постепенное снижение температуры бассейна расплава при взаимодействии с ЖМ за счет плавления и эндотермических реакций, а также за счет теплоотвода через корпус к охлаждающей воде и теплоотвода при излучении с верхней поверхности расплава (Рисунок 7). В момент инверсии, наступающей в момент времени 9765 с от начала аварии (3160 с от момента поступления первой порции кориума в УЛР), происходит перемещение оксидной составляющей расплава в верхнюю часть УЛР, а металлической - на днище (Рисунок 8). Средняя температура фаз при инверсии расплава сохраняется, а максимальная уменьшается за счёт усреднения температуры (ср. Рисунки 7 и 8).

Рис. 5. Распределение температур на момент времени 8218 с, макс.изотерма 2000 К

Рис. 6. Распределение температур на момент времени 9518 с, макс.изотерма 2600 К

Рис. 7. Распределение температур на момент времени 9765 с, макс.изотерма 2600 К

Рис. 8. Распределение температур на момент времени 9772 с, макс.изотерма 2400 К

После инверсии происходит постепенное снижение температуры оксидного слоя за счет теплоотвода излучением к охлаждающей воде, а также за счет плавления ПОЖА, расположенного в верхней части УЛР (Рисунок 9). Металлический слой в этот момент времени остывает в своей нижней части при теплоотводе от днища УЛР, и нагревается в области, непосредственно примыкающей к оксидному слою. Характер дальнейшего температуры изменения обусловлен изменением соотношения мощности остаточного тепловыделения и мощности теплоотвода. К моменту времени примерно 15000 с температуры в УЛР стабилизируются.

В расчете аварии с течью Ду 346 вода подавалась в момент времени 18400 от начала аварии. Начиная приблизительно с момента подачи воды на поверхность расплава, темп остывания увеличивается, наблюдается устойчивый нисходящий тренд температур бассейна расплава в УЛР. При этом теплоотдача излучением с поверхности снижается за счет образования оксидной корки с относительно низкой температурой (Рисунок 10).

Рис. 9. Распределение температур на момент времени 12706 с, макс. изотерма 2200 К

Рис. 10. Распределение температур на момент времени 55296 с, макс.изотерма 2000 К

На рисунке 4 показаны плотности расплавов оксидов и металлов. До инверсии плотность оксидов выше плотности расплава, что обуславливает их нижнее положение. После инверсии плотность металлов все время остается больше плотности оксидов, поэтому расплав оксидов занимает верхнее положение.

Рис. 11. Изменение массы оксидной компоненты расплава

Рис. 12. Энерговыделение в УЛР

На рисунке 11 показаны массы основных компонентов в расплаве оксидов и металлов. В процессе взаимодействия с ЖМ происходит быстрый переход Zr из расплава металлов в расплав оксидов с его окислением. Можно видеть, что к 20000 с состав расплава практически стабилизируется.

На рисунке 12 показано изменение подводимой к УЛР тепловой мощности. Резкий всплеск суммарного тепловыделения в начальный момент времени после поступления оксидного кориума связан с выделением химического тепла за счет окисления циркония. После выделения всего тепла при окислении циркония, происходит некоторое снижение энтальпии расплава за счет эндотермических реакций при разложении гематита.

Рис. 13. Максимальный тепловой поток с корпуса УЛР

Рис. 14. Изменение теплового потока в охлаждающую воду по внешней образующей корпуса УЛР

На рисунке 13 и 14 показано изменение во времени и распределение по высоте стенки УЛР плотности теплового потока, отводимого к охлаждающей воде. Отметим, что максимальные значения, достигающие 0,38 МВт/м2, соответствуют участкам, расположенным на одном уровне с верхней частью расплава металлов.

Расчетный анализ показал, что, начиная приблизительно с момента подачи воды на поверхность расплава, темпы остывания бассейна расплава в УЛР увеличиваются, наблюдается устойчивый нисходящий тренд температур.

Если рассматривать состояние бассейна расплава более подробно, то следует отметить, что в рассматриваемый момент времени гарнисажная корка на стенке в нижней части УЛР состоит из тонкого оксидного слоя, контактирующего с относительно горячим (Т ~ 1900 К) расплавленным металлом. При этом существует опасность локального повреждения гарнисажной корки и выхода перегретого металла на стенку УЛР.

Для численного моделирования подобной ситуации был выполнен расчетный анализ с увеличенной подробностью сетки около стенки УЛР. Кроме того, для моделирования подобной ситуации в ГЕФЕСТ-УЛР введена следующая интерактивная опция. При переходе в интерактивный режим в процессе расчета возможно ввести для группы конечных элементов номер элемента, в котором вводится другая температура, и саму эту температуру. Если это осуществить в пристеночных элементах, это будет моделировать локальный перегрев и подход расплава к стенке. Поскольку свойства материала при таком увеличении температуры не меняются, расплав остаётся у стенки и застывает, либо ближайший к нему элемент стенки переходит в расплав. Следовательно, такой подход моделирует прорыв корки с последующим её нарастанием снова.

В расчете были смоделированы следующие события:

- в момент времени 25225 с введена температура 2100 К для группы элементов у границы слоёв расплава - имитация выхода расплава.

Ниже приведены результаты выполненного расчетного анализа при моделировании срыва гарнисажной корки. На рисунках данного раздела приводятся распределения температуры на фоне границ области в моменты изменения. Расчеты показывают, что «срыв» гарнисажной корки приводит к небольшому локальному утонению стенки, существующему ограниченное время (рисунок 15а).

После локального утонения стенки корпуса УЛР происходит постепенное формирование металлической гарнисажной корки (рисунок 15b), при этом уровень температур у стенки снижается.

Рис. 15. Распределение жидкой и твердой фаз к корзине УЛР

Условием непроплавления корпуса УЛР является обеспечение запаса до кризиса кипения охлаждающей воды на наружной поверхности корпуса. Из результатов расчетов формирования ванны расплава следует, что максимальная величина плотности теплового потока, отводимого через корпус УЛР, не превышает 0,4 МВт/м2. При этом максимальный тепловой поток локализован на вертикальном участке стенки корпуса. Расчет, моделирующий срыв гарнисажной корки в металлическом слое показал, что даже при введённом искусственном завышении температуры на границе с расплавом максимальный тепловой поток (рисунок 16) не превышает величины 0.55 МВт/м2 , а при меньшей вариации температуры плотность потока в этом месте почти не меняется.

Рис. 16. Изменение максимального теплового потока на стенке УЛР, расчет с имитацией срыва гарнисажной корки.

Величина критической плотности теплового потока может быть рассчитана по методике [6] для условий кипения в большом объеме недогретой воды. В зависимости от внешнего давления, которое может увеличиваться от близкого к атмосферному до 5 атмосфер критический поток может составлять 1,21,9МВт/м2. Следовательно, имеющаяся минимальная величина запаса до кризиса (60% и более) гарантирует непроплавление корпуса в процессе теплоотвода от расплава. Очевидно, что по мере уменьшения мощности остаточного тепловыделения и кристаллизации расплава тепловые нагрузки на корпус могут только уменьшаться.

Результаты расчетного анализа формирования бассейна расплава в УЛР показали, что разработанная конструкция УЛР обеспечивает выполнение своих функций по удержанию расплава в рассмотренных сценариях протекания тяжелой аварии ЛАЭС-2.

Список литературы

1. Кухтевич И.В., Безлепкин В.В., Грановский В.С., Хабенский В.Б., Асмолов В.Г., Бешта С.В., Сидоров А.С., Беркович В.М., Стрижов В.Ф., Хуа Минчан, Рогов М.Ф., Новак В.П. Концепция локализации расплава кориума Тяньваньской АЭС на внекорпусной стадии запроектной аварии АЭС с ВВЭР-1000. Труды научно- практического семинара. Вопросы Безопасности АЭС с ВВЭР. С-Петербург, 12-14 сентября 2000