РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ТЯЖЕЛОЙ АВАРИИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННИКА
advertisement
РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ТЯЖЕЛОЙ АВАРИИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННИКА НА СТРАТИФИКАЦИЮ ВОДОРОДА В ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКЕ А.М. Хизбуллин, М.А. Камнев, О.В. Тюриков ОАО «ОКБМ Африкантов», г. Нижний Новгород, Россия Введение Высокие требования к безопасности АЭС определяют необходимость проведения расчетно-экспериментальных исследований условий водородной безопасности АЭС в тяжелых авариях с повреждением активной зоны и выделением водорода в защитную оболочку (ЗО) в результате паро-циркониевой реакции. Выделение водорода в объем ЗО может сопровождаться его стратификацией и при определенных концентрациях существует высокая вероятность горения и детонации водорода, которые могут привести к нарушению целостности последнего барьера на пути выхода радиоактивности в окружающую среду. В рамках Программы Европейского Сообщества «FP7-Fission-2009» проводятся расчетно-экспериментальные исследования возможности стратификации водорода в защитной оболочке по сценарию, воспроизводящему последовательность событий при тяжелой аварии с потерей теплоносителя в легководном реакторе и влияния этого процесса на работу систем управления тяжелыми авариями (спринклеров, охладителей, рекомбинаторов водорода). Комплекс экспериментальных исследований проводится на установках TOSQAN (IRSN, Франция), MISTRA (CEA, Франция), PANDA (PSI, Швейцария) и стенде СПОТ ЗО (ОАО «ОКБМ Африкантов», Россия). Расчетно-аналитические работы в части прогнозирования теплогидравлических процессов в ЗО проводятся с использованием CFDкодов и LP-кодов. В докладе представлены полученные с использованием LP-кода «КУПОЛ-МТ» результаты претестового и постестового численного анализа сценариев экспериментов с теплообменниками (конденсаторами), проведенных на установках PANDA, MISTRA и СПОТ ЗО. Описание программного средства «КУПОЛ-МТ» Код «КУПОЛ-МТ» предназначен для расчета параметров среды в объеме защитных оболочек водо-водяных реакторных установок малой и средней мощности блочного и интегрального типа. Код позволяет рассчитывать изменение во времени давления газа в помещениях, перепадов давления между помещениями, температуры парогазовой среды в помещениях, изменение во времени уровня воды в помещениях, мощности теплоотвода и уровня в баке с запасом воды пассивной системы отвода тепла от ЗО. Также код «КУПОЛ-МТ» позволяет рассчитывать нестационарное распределение температуры в стенах и оборудовании, временные зависимости концентраций компонент парогазовой среды в помещениях. С помощью кода возможно моделирование систем безопасности, таких как: спринклерная система, система аварийного удаления водорода на основе использования ПАР, система отвода тепла от ЗО, вентиляционная система. Моделируется работа барботера и предохранительных клапанов. Сценарий экспериментов Для моделирования теплогидравлических процессов в ЗО в экспериментах используется сценарий развития тяжелой аварии с выбросом водорода (при проведении экспериментальных исследований вместо водорода используется гелий), воспроизводящий последовательность событий при тяжелой аварии [1]. Описание основных фаз сценария экспериментов и требуемых начальных и граничных условий в ходе экспериментов представлено в [1-2]. Описание экспериментальных установок PANDA, MISTRA и СПОТ ЗО Установка PANDA представлена сосудами 1 и 2 и соединенным трубопроводом (рисунок 1) [3-5]. Суммарный объем данных элементов установки составляет 183,3 м3. Высота сосудов около 8 м, диаметр – 4 м. Соединительный трубопровод имеет диаметр 1 м и длину 5 м. Внешняя поверхность сосудов и трубопровода теплоизолирована. Теплообменник (ТО) расположен в сосуде 1 на расстоянии 0,5 м от стенки сосуда на высоте 4 м относительно днища. Теплообменник состоит из 224 вертикальных U-образных труб, объединенных коллекторами. Площадь Рисунок 1 – Схема установки PANDA теплообменной поверхности ~ 11,3 м2. Подача охлаждающей воды в теплообменник осуществляется с помощью насоса с заданным расходом, обеспечивая движение охлаждающей среды по направлению от верхнего коллектора к нижнему. Подвод и отвод охлаждающей воды осуществляется по двум трубопроводам, частично расположенным внутри сосуда 1. Установка MISTRA [6] представляет собой теплоизолированный контейнмент из нержавеющей стали со свободным внутренним объемом 97.6 м3 (рисунок 2). Высота контейнмента 7,38 м, внутренний диаметр – 4,25 м. Контейнмент включает в себя две цилиндрических части, плоскую крышку и днище. Внутри контейнмента расположена кольцевая перегородка, разделяющая объем контейнмента на две части. ТО - средний конденсатор - на установке MISTRA расположен в основном объеме контейнмента над кольцевой перегородкой. Теплообменник выполнен в виде полой Рисунок 2 – Схема установки MISTRA терморегулируемой стенки, внутри которой осуществляется циркуляция охлаждающей среды с заданным расходом. Площадь теплообменной поверхности теплообменника составляет ~ 22 м2. Контейнмент установки СПОТ ЗО представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд (рисунок 3) с эллиптической крышкой и днищем [7]. Материал емкости – низколегированная сталь. Внутренний объем модели защитной оболочки 59 м3, высота внутреннего пространства 7,85 м, внутренний диаметр 3,2 м. Внешняя поверхность сосуда изолирована слоем теплоизоляции. Теплообменник состоит из 29 прямых труб, соединенных коллекторами. Площадь теплообменной поверхности составляет ~ 2,5 м2. Подвод и отвод охлаждающей среды осуществляется по двум трубопроводам, Рисунок 3 – Схема установки СПОТ ЗО соединенным с коллекторами. Трубопроводы внутри емкости теплоизолированы. Описание расчетных моделей Расчетная модель контейнмента установки PANDA для кода «КУПОЛ-МТ» представлена на рисунке 4. Модель состоит из 126 расчетных элементов. В расчетной модели можно выделить следующие основные элементы установки: - сосуд 1 (боксы 1 – 80); - соединительный трубопровод (боксы 81 и 82); - сосуд 2 (боксы 83 – 126); - точка инжекции пара и гелия (бокс 29) и факел струй (боксы 29, 33, 37…79); - область расположения ТО (боксы 26 и 30). Боксы соединяется газовыми связями и связями для обмена капельной составляющей. Работа теплообменника моделируется путем задания соответствующих граничных условий. Рисунок 4 – Расчетная модель установки PANDA Расчетная модель контейнмента установки MISTRA для кода «КУПОЛ-МТ» представлена на рисунке 5а. Модель состоит из 88 расчетных элементов. В расчетной модели можно выделить следующие основные элементы установки: - помещение внутри контейнмента (боксы 16, 20, 24…52); - точка инжекции пара и гелия (бокс 35) и факел струй (боксы 35, 39, 43…87); - область расположения ТО (боксы 33, 37, 43, 45, 49). Как и в модели установки PANDA, осуществляется обвязка боксов газовыми связями и связями по воде, а также задаются соответствующие граничные условия, моделирующие работу ТО. Расчетная модель контейнмента установки СПОТ ЗО для кода «КУПОЛ-МТ» представлена на рисунке 5б. Расчетные элементы схемы моделируют: - точку инжекции пара (бокс 20) и факел струи а) б) пара (боксы 24, 28, 32…68); Рисунок 5 – Расчетные модели - точку инжекции гелия (бокс 19) и факел установок MISTRA (а) и СПОТ ЗО (б) струи гелия (боксы 23, 27, 31…67); - область расположения ТО (боксы 17, 21, 25, 29, 33, 37, 41). Расчетные элементы модели соединены газовыми связями и связями по воде. Для соответствующих боксов задаются граничные условия, моделирующие работу ТО. Результаты расчетного моделирования экспериментов на установке PANDA Результаты пре- и постестового численного анализа и эксперимента с теплообменником на установке PANDA с точки зрения параметров в сосуде 1 (давления и мольных долей пара и гелия) представлены на рисунке 6. Рисунок 6 – Результаты претестового и постестового численного анализа в сравнении с экспериментальными данными на установке PANDA В течение фазы I происходит рост давления в контейнменте, обусловленный увеличением массы пара и подводом энергии с паром. Инжекция пара сопровождается его частичной конденсацией на стенках сосудов. При этом в ходе постестового анализа длительность фазы I больше и достигнуто максимальное давление на 5 кПа выше, чем было получено в ходе претестового анализа. Связанно это с тем, что в эксперименте зафиксирована более интенсивная конденсация пара на фазе I из-за неравномерного поля температур парогазовой смеси (ПГС) и температуры стенок по высоте сосудов перед началом эксперимента. В то время как в претестовом расчете распределение этих параметров по высоте сосуда принималось равномерным. По завершении фазы инжекции пара в сосуде 1 устанавливается температурная и концентрационная (по пару) стратификация среды по высоте сосуда. Подача гелия в объем сосуда 1 на фазе II приводит к стратификации гелия по высоте и аккумуляции его в области над уровнем инжекции. При этом как в претесте, так и в постесте по завершении фазы II в сосуде 1 выше уровня инжекции образуется устойчивое гелиевое облако. Отличие максимальной концентрации гелия в конце фазы II по расчетам и эксперименту составляет не более 3 % и связано с более высоким расходом инжекции гелия, зафиксированным в эксперименте. В течение Фазы IV происходит снижение давления в сосудах установки PANDA, обусловленное уменьшением массы пара за счет конденсации его на поверхности трубной системы ТО. При этом как в расчетах, так и в эксперименте стратификация пара и гелия по высоте сосуда 1 при работе ТО сохраняется. Однако в постестовом расчете расчетная концентрация пара в области расположения ТО и ниже его снижается до величины порядка 20 % к моменту окончания фазы IV, что на 10 % выше, чем зафиксировано в эксперименте. В расчетах происходит локальное перемешивание слоя гелия ниже ТО, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. При этом результирующая концентрация гелия в этой области в постесте практически совпадает с экспериментом и составляет около 6 %. Таким образом, по результатам пре- и постестового расчета эксперимента на установке PANDA с использованием ПС «КУПОЛ-МТ» получено хорошее качественное соответствие расчетных параметров экспериментальным результатам. Максимальное абсолютное отклонение расчетной концентрации пара в постестовом расчете от эксперимента составляет около 10 %, гелия – около 6 %. Максимальное относительное отклонение расчетного давления составляет около 4 %. Результаты расчетного моделирования экспериментов на установке MISTRA Результаты пре- и постестового численного анализа и эксперимента с теплообменником (средним конденсатором) на установке MISTRA с точки зрения параметров в основном объеме контейнмента (давления и мольных долей пара и гелия) представлены на рисунке 7. Рисунок 7 – Результаты претестового и постестового численного анализа в сравнении с экспериментальными данными на установке MISTRA Основные процессы и явления, наблюдаемые в эксперименте на установке MISTRA и полученные в расчетах с использованием ПС «КУПОЛ-МТ», аналогичны описанным для установки PANDA. При этом и на этапе претестового, и на этапе постестового расчетного анализа наблюдается хорошее качественное и количественное соответствие расчетных параметров экспериментальным результатам. Как и на установке PANDA, работа среднего конденсатора не приводит к разрушению стратификации гелия. Распределение пара над перегородкой при работе среднего конденсатора становится более неравномерным и к концу фазы IV в эксперименте устанавливается стратификация пара с концентрациями ~ 30 – 60 %, граница которой находится в области над средним конденсатором на отметке 5,5 м. По расчетам граница стратификации располагается несколько выше, на уровне 6 м и имеет место завышение на 10 % результирующей концентрации пара в области расположения среднего конденсатора. Локальное перемешивание гелия над перегородкой наблюдается в области расположения среднего конденсатора. Хотя стратификация гелия по высоте контейнмента при работе конденсатора полностью не разрушается, тем не менее, наблюдается гомогенизация распределения, приводящая к достижению концентраций над перегородкой на уровне 3 – 8 % в эксперименте и 5 – 9 % в расчетах. Изменения распределения пара под перегородкой в расчетах и эксперименте не происходит, но, в отличие от расчетов, в эксперименте, наблюдается более существенный транспорт гелия в эту область. Максимальное абсолютное отклонение расчетной концентрации пара в постестовом расчете от эксперимента составляет около 15 %. Максимальное абсолютное отклонение расчетной концентрации гелия составляет порядка 3 %. Максимальное относительное отклонение расчетного давления составляет около 5 %. Результаты расчетного моделирования экспериментов на установке СПОТ ЗО Результаты пре- и постестового численного анализа и эксперимента с теплообменником на установке СПОТ ЗО с точки зрения параметров в контейнменте (давления и мольных долей пара и гелия) представлены на рисунке 8. Рисунок 8 – Результаты претестового и постестового численного анализа в сравнении с экспериментальными данными на установке СПОТ ЗО Как и в экспериментах на установках PANDA и MISTRA, в течение фаз I – III сценария эксперимента с теплообменником на СПОТ ЗО происходит аккумуляция пара и гелия в области над уровнем инжекции и реализуется стратификация компонент ПГС. Полученное распределение компонент сохраняется до момента включения в работу теплообменника. Как и в случае с установкой PANDA, длительность фазы I и, следовательно, максимальная концентрация пара в претесте отличаются от эксперимента и постестового расчета и связаны с более «горячим» и равномерным по высоте исходным состоянием в сосуде перед началом эксперимента, в отличие от эксперимента. Как и на установках PANDA и MISTRA, работа среднего конденсатора не приводит к полному разрушению стратификации гелия в объеме сосуда. Наблюдается локальное перемешивание гелия в области расположения теплообменника и ниже его. При этом по расчетам граница стратификации гелия выражена более четко, в отличие от эксперимента, где диффузионный слой чуть более размыт. Важно отметить, что в эксперименте при включении в работу теплообменника наблюдается резкий рост концентрации легкого газа около теплообменника с 10 до 17 %, связанный с быстрой конденсацией пара около трубной системы ТО. Похожий пик концентрации был зафиксирован и в постестовом расчете, но на некотором удалении от ТО. Однако, в претестовом расчете этот эффект не был ярко выражен, поскольку принятый расход воды в теплообменнике был несколько ниже, чем в ходе эксперимента. По результатам фазы IV максимальная концентрация гелия в облаке в эксперименте составляет 9 %, в то время как в постестовом расчете достигнутый после фазы II максимум ~ 12 % сохраняется. Стоит отметить, что в постестовом расчете эррозия слоя гелия ниже теплообменника происходит чуть дольше и приводит к увеличению концентрации легкого газа в этой области до 7 %, что на 1,5 % больше, чем зафиксировано эксперименте. Также наблюдается некоторое занижение расчетной концентрации пара по высоте сосуда к моменту завершения фазы IV на величину порядка 7 – 10 %. По результатам постестового расчета эксперимента с теплообменником на установке СПОТ ЗО максимальное абсолютное отклонение расчетной концентрации пара от эксперимента составляет около 10 %. Максимальное абсолютное отклонение расчетной концентрации гелия составляет порядка 4 %. Максимальное относительное отклонение расчетного давления составляет около 9 %. Заключение С использованием LP-кода «КУПОЛ-МТ» проведено расчетное моделирование экспериментов на установках PANDA, MISTRA и СПОТ ЗО с учетом влияния работы теплообменника на стратификацию гелия. Для кода «КУПОЛ-МТ» разработаны расчетные модели установок PANDA, MISTRA и СПОТ ЗО, позволяющие с учетом струйных течений оценить возможность стратификации компонент ПГС в объеме контейнмента. С использованием расчетных моделей выполнены претестовые расчеты экспериментальных сценариев на установках. В ходе расчетов было получено, что по результатам фаз I – III сценариев в контейнментах установок PANDA, MISTRA и СПОТ ЗО образуется устойчивый стратифицированный слой гелия с концентрациями газа не менее 10 %. Анализ влияния работы теплообменника на стратификацию газа на фазе IV экспериментальных сценариев показал, что работа теплообменника не приводит к разрушению стратификации гелия. Полученные результаты подтверждаются результатами проведенных экспериментальных исследований. Проведенный расчетный анализ экспериментов показывает, что использование в расчетных моделях подхода для моделирования струйных течений позволяет провести качественную оценку возможной стратификации компонент ПГС в объеме расчетной модели. Численное моделирование на этапе посттестового расчетного анализа позволило более детально оценить количественные характеристики происходящих в контейнменте теплогидравлических процессов с учетом особенностей проведенных экспериментов для каждой экспериментальной установки. Получено, что крупноэлементная расчетная модель, которая является особенностью кодов с сосредоточенными параметрами, не позволяет с высокой точностью воспроизвести локальные изменения параметров ПГС, присущие натурным объектам. Тем не менее, отклонения основных измеряемых величин, полученные в расчетах по коду «КУПОЛ-МТ», лежат в заявленных диапазонах погрешностей, представленных в паспорте ПС. Таким образом, код «КУПОЛ-МТ» позволяет провести предварительную качественную оценку процессов в ЗО при развитии тяжелой аварии с выбросом водорода. Список используемых источников 1. S. Benteboula, A. Bentaib, A. Bleyer, J. Malet «Scaling down analysis from real NPP calculations», IRSN/DSR/SAGR/11-243, 2011. 2. Хизбуллин А.М., Камнев М.А., Тюриков О.В. «Расчетное моделирование развития тяжелой аварии с учетом влияния рекомбинатора на стратификацию водорода в защитной оболочке», материалы 8-й Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» «МНТК-2013», 2013. 3. Z. Liang, M. Andreani, “Numerical Study on Interaction of Local Air Cooler with Stratified Hydrogen Cloud in a Large Vessel”, proceedings of ICAPP ’12, Chicago, USA, June 24-28, 2012, Paper 12349. 4. D. Paladino, R. Zboray, P. Benz and M. Andreani, “Three-Gas Mixture Plume Inducing Mixing and Stratification in a Multi-Compartment Containment”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 240, p. 210-220, 2010. 5. R. Zboray and D. Paladino, “Experiments on Basic Thermalhydraulic Phenomena relevant for LWR Containments: Gas Mixing and Transport by Buoyant Jets in a Multi-Compartment Geometry”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 240, p. 3158-3169, 2010. 6. J. Vendel, P. Cornet, J. Malet, E. Porcheron etc. “ISP 47 “Containment thermal-hydraulics“ Computer codes exercise based on TOSQAN, MISTRA and THAI experiments“. 7. Хизбуллин А.М., Камнев М.А., Тюриков О.В. и др. «Предварительные результаты расчетного моделирования теплогидравлических процессов в модели защитной оболочки на стенде СПОТ ЗО в условиях повышенных концентраций водорода (гелия) с использованием ПС «КУПОЛ-МТ» и CFD-кодов», материалы 14-й ежегодной Конференции молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам «КМС-2012», 2012.
