Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор процессов с участием расплава кориума и современное состояние экспериментальной базы 15
1.1. Плавление активной зоны корпусного водоохлаждаемого ядерного реактора... 15
1.2. Состояние экспериментальной базы для физического моделирования процессов с участием расплава кориума 19
1.3. Характеристика оборудования и методов исследования процесса индукционной плавки кориума 42
1.4 Выводы и постановка задачи исследования 43
2. Исследование индукционной плавки кориума на маломасштабном
2.1. Разработка индукционной печй с холодным тиглем для маломасштабного стенда тяжелых аварий 46
2.2. Описание маломасштабного стенда тяжелых аварий 51
2.3. Разработка технологических приемов процесса и исследование индукционной плавки кориума
2.3.1. Стартовый нагрев 55
2.3.2. Организация взаимодействия расплава кориума с подреакторными конструкционными материалами 59
2.3.3. Особенности ИПХТ кориума 59
2.3.4. Температура расплава кориума 63
2.4. Выводы 70
3. Исследование свойств расплава кориума 71
3.1 Исследование взаимодействия расплава кориума с подреакторны ми конструкционными материалами при ИПХТ
3.2 Исследование механизма разрушения образцов подреакторных конструкционных материалов расплавом кориума 74
3.3. Исследование излучательных свойств расплава кориума 82
3.3.1. Методика определения интегральной излучательной способности расплава кориума 82
3.3.2. Определение спектральной излучательной способности расплава кориума 88
3.4. Исследование диаграмм состояний оксидных систем с использованием технологии ИПХТ 91
3.5. Выводы 100
4. Математическое моделирование индукционной плавки кориума в холодном тигле 102
4.1. Математическая модель для исследования ИПХТ оксидов 102
4.2. Исследование индукционной печи с холодным тиглем как электромагнитной системы 110
4.3. Программа электромагнитного расчета ИПХТ с учетом реальной формы секций тигля 117
4.4. Сопоставительный анализ результатов электромагнитного расчета с экспериментальными данными 122
4.4.1. Методика обработки экспериментальных данных 122
4.4.2. Тестирование электромагнитной задачи по данным эксперимента.. 129
4.4.3. Тестирование гидродинамической задачи
4.5. Сравнение результатов расчета с экспериментом 133
4.6. Исследование влияния архимедовых и электромагнитных сил на движение расплава кориума 142
4.7. Численное моделирование ИПХТ кориума в тигле большого объема 145
4.8. Выводы 159
Заключение 161
Библиографический список использованной литературы
- Характеристика оборудования и методов исследования процесса индукционной плавки кориума
- Разработка технологических приемов процесса и исследование индукционной плавки кориума
- Исследование механизма разрушения образцов подреакторных конструкционных материалов расплавом кориума
- Программа электромагнитного расчета ИПХТ с учетом реальной формы секций тигля
Характеристика оборудования и методов исследования процесса индукционной плавки кориума
Поскольку очевидно, что техническая возможность проведения полномасштабных интегральных экспериментальных исследований тяжелых аварий с плавлением активной зоны натурных ядерных энергетических установок отсутствует, исследования проводят на физических моделях с целью изучения отдельных процессов, сопровождающих развитие аварии. При этом изучают качественно и количественно упрощенные процессы, которые могут происходить при развитии тяжелой аварии по различным сценариям.
Для получения расплава кориума (без продуктов деления урана) используют методы электродугового, косвенного индукционного, прямого резистивного или прямого индукционного нагрева. Последним двум обычно отдается предпочтение, поскольку они основаны на выделении энергии внутри нагреваемого объекта, что позволяет, с некоторым приближением, моделировать остаточное энерговыделение в реальном кориуме за счет распада продуктов деления.
Ниже рассмотрены конструкции и основные особенности экспериментальных установок. Первые экспериментальные исследования взаимодействия безуранового кориума с бетоном были выполнены вскоре после опубликования доклада Комиссии ядерного регулирования США по исследованию риска от американских коммерческих АЭС в конце 70-х годов. Эти опыты проводили в лабораторных условиях с металлическими расплавами и термитными смесями (нержавеющая сталь, железо - оксид алюминия и т.п.). Конструкции подобных экспериментальных устройств не представляют интереса в рамках настоящей работы. Обзор проведен для действующих в установок. Установка LSMF Установка LSMF (Large-Scale Melt Facility) создана в Национальной лаборатории г. Сандиа, США для исследования взаимодействия расплава кориума с огнеупорными материалами.
Установка состоит из установленной на платформе индукционной печи, и камеры взаимодействия, расположенной снизу печи. Габариты печи составляют 1,5 м в диаметре и 2,1 м высотой. Энерговыделение происходит в полом графитовом цилиндре, окружающем огнеупорный тигель. Тепло передается к тиглю и расплаву излучением и теплопроводностью. Печь работает на частоте тока 1 кГц. Мощность, подводимая к индуктору, составляет 280 кВт, что обеспечивает приготовление в печи до 500 кг расплава кориума в системе U02 - Zr02 с перегревом до 150 К над температурой ликвидуса. Для защиты огнеупорного материала от термохимического воздействия расплава кориума, на поверхность тигля, с помощью методов химического осаждения и плазменного напыления, нанесено несколько слоев покрытий из тантала и вольфрама. Слив расплава из тигля в камеру взаимодействия осуществляется путем механического разрушения дна тигля металлическим стержнем с взрывным приводом. В процессе донного слива 200 кг расплава могут быть выброшены в камеру взаимодействия быстрее, чем за 1 секунду. Эксперименты проводят дистанционно из здания управления, которое находится на расстоянии около 100 м от установки. Там же размещена компьютерная система, обеспечивающая опрос 200 датчиков с интервалом 0,5 с. По данным [8] на установке проведена серия экспериментов по исследованию взаимодействия расплава кориума состава 70UO2-30ZrO2 с огнеупорами на основе оксида магния (здесь и далее масс. %). К недостаткам плавильного узла установки LSMF можно отнести низкую эффективность передачи энергии от индуктора к расплаву кориума; неизбежное разрушение огнеупорного тигля в результате контакта с оксидным расплавом; дороговизну тигля, являющуюся следствием необходимости защиты стенок и дна тигля от воздействия расплава; инертную атмосферу в печи. Отсутствие источников теплоты в расплаве не позволяет моделировать внутреннее энерговыделение в кориуме за счет распада продуктов деления. Установка SURC-4 Установка SURC-4 также создана в Национальной лаборатории в г. Сандиа для исследования взаимодействия расплава кориума с бетоном и огнеупорными материалами [9]. Схема установки приведена на рис. 1.2.
Плавильный узел установки представляет собой индукционную печь с огнеупорным непроводящим тиглем. Тигель изготовлен из плавленолитого оксида магния со специальными добавками: 97,1 MgO- 0,4 Si02 - 0,1 А1203 -0,3 Fe203 - 1,0 CaO - 1,1 Сг20з- Высота тигля - 0,6 м, внутренний диаметр -0,4 м. Тигель имеет крышку из оксида магния. В днище тигля залит исследуемый бетон. Индуктор печи изготовлен из медной трубки диаметром 38 мм и имеет 20 витков с шагом 42 мм. Для защиты индуктора от контакта с расплавом, в случае разрушения тигля, зазор между индуктором и тиглем заполнен порошком оксида магния. Через крышку в полость тигля выведена труба для загрузки в расплав металлического циркония. Блок бетона оснащен термопарами, с выводом показаний в информационно-измерительную систему на базе персонального компьютера.
Разработка технологических приемов процесса и исследование индукционной плавки кориума
Для решения поставленных в работе задач необходимо разработать плавильное оборудование и выбрать источник питания соответствующей мощности и частоты тока. Маломасштабный стенд тяжелых аварий предназначен для исследования процесса индукционной плавки кориума в холодном тигле в среде воздуха, азота или инертного газа, а также для исследования процессов взаимодействия расплава с конструкционными и строительными материалами АЭС и определения физических свойств расплава. В состав расплава входят оксиды урана, циркония и железа. Возможно присутствие небольшого количества оксидов никеля, хрома и металлического циркония и железа. Соотношение основных компонентов может изменяться от 0 до 100%. Объем расплава для экспериментов был выбран равным 4-10" м . Источник питания индукционной печи с холодным тиглем должен иметь значительный резерв мощности, чтобы в случае необходимости можно было значительно увеличить масштаб экспериментов.
Исходной информацией для проектирования печи ИПХТ являются электрофизические, теплофизические и оптические свойства расплава и гарнисажа, а также объем расплава в тигле. Единая база данных по перечисленным свойствам расплава кориума отсутствует. Немногочисленные известные данные относятся к отдельным составляющим кориума, в основном, к их твердофазному состоянию. Часто эти данные противоречивые. Анализ литературных источников показал, что наибольшей неоднозначностью обладают свойства диоксида урана. Так, например, по удельному электрическому сопротивлению при температурах близких к температуре плавления, наблюдается более чем тысячекратное расхождение [23-25]. По-видимому, это связано с различными условиями проведения измерений, такими как различие в химическом составе из-за неодинакового содержания примесей, разной газовой атмосферой в печи, погрешностью измерения температуры и удельного электрического сопротивления. Следует добавить, что выбор методик и оборудования для измерения свойств при высоких температурах крайне ограничен. Отсутствие достоверных свойств диоксида урана и остальных компонентов кориума вблизи и выше их температуры плавления затрудняет не только проектирование и конструирование индукционного оборудования, но и не позволяет однозначно судить о ходе процесса ИПХТ. В табл. 2.1 сведены известные свойства основных компонентов кориума [23 - 25], а также оценки вклада каждого из свойств в поведение, состояние и геометрию ванны расплава при ИПХТ. В скобках указана максимальная температура, при которой было определено численное значение параметра. Поскольку результаты прямых измерений удельного электрического сопротивления р2 расплава окисленного урансодержащего кориума в литературе отсутствуют, была проведена его оценка. По вольтамперной характеристике процесса плавки прямым пропусканием электрического тока через расплав смеси диоксида урана с оксидом железа, приведенной в работе [8], определено значение р2 = 1,1-10"3 Ом-м при температуре 2000 К. Это значение и было использовано для дальнейших расчетов.
Для боковых секций тигля выберем медную трубку с внешним диаметром 1-10" ми толщиной стенки 1,5-10" м. Конструктивно наиболее близким к расчетному диаметру ванны является вариант с D2=7,0-10" м и 26 трубками, разделенными миллиметровыми зазорами. Свойства основных компонентов кориума Таблица 2. Свойство Оксид Влияние на состояниерасплава и геометриюванны ио2 Zr02 Fe304 Температура плавления, К 3151 2950 1870 Определяет тепловые потери от расплава Давление паров, Па 9,8-103 (3273 К) 2Д (3273 К) 16,9 (1700 К) Определяет скорость испарения расплава и образование корок
Коэффициенттеплопроводности,Вт/(м-К) 4,0 (3073 К) 2,4 (1673 К) Определяет глубину ванны расплава и тепловые потери
Удельное электрическое сопротивление, Ом-м 10"5-10"2 (2273 К) 5-Ю"3 (3273 К) 7,7-10"3 (1593 К) Определяет размеры печи и электрические параметры плавки
ИзлучательнаяСПОСОбнОСТЬ, Є =о,б5 мкм 0,51(2373) 0,8(2527) Определяет тепловые потери излучением Плотность, кг/м 8700 (3303 К) 5560 (293 К) 5180 (20 К) Определяет интенсивность перемешивания расплава Вязкость, Па-с 4,2 (3303 К) Определяет интенсивность перемешивания расплава Для организации контролируемой среды плавки между тиглем и индуктором расположили кварцевую трубу, уплотняемую с одной стороны по плоскости нижнего водяного коллектора тигля, а с другой - по плоскости специальной металлической крышки. Для предотвращения контакта кварцевой трубы с расплавом в случае его пролива через межсекционные зазоры, была выбрана стандартная труба с внутренним диаметром равным
Внутренний диаметр индуктора равный 1,5 -10"1 м выбран исходя из удобства монтажа печи и подготовительных работ. Высота индуктора a j выбрана исходя из рекомендаций по ИГТХТ оксидов: а, = а2 [26]. Известно [27], что для каждой конкретной печи ИПХТ оксидов существует свое оптимальное значение показателя степени поверхностного эффекта в расплаве т2 , обеспечивающее выделение максимальной мощности в расплаве при минимальном напряжении на индукторе: f D ї 9,3 + - V а2 ) V-0,8, m2opt = где у/- коэффициент, зависящий от коэффициента заполнения расплавом окна индуктора. В нашем случае m2opt=3,5. С другой стороны, степень поверхностного эффекта т2 в цилиндрической загрузке можно определить из известного отношения [28]: л/2-503\ А где D2- диаметр загрузки, м; /л - относительная магнитная проницаемость загрузки; f - частота тока, Гц; р2 - удельное электрическое сопротивление загрузки, Ом-м.
Приравнивая значение m2opt к т2и учитывая, что для расплавов оксидов ju-l, можно определить необходимую оптимальную частоту тока f для нагрева. Для рассматриваемого случая f составляет 1,3 МГц. Ближайшей стандартной частотой тока, на которую в России выпускают мощные источники питания - высокочастотные ламповые генераторы -является частота 1,76 МГц. Использование для плавки частоты тока 1,76 МГц обеспечит в расплаве кориума т2=4,16. Поскольку т2 m2opt, то на выбранной частоте нагрева будет обеспечена тепловая устойчивость ИПХТ кориума в разработанной печи [20].
Для выбора мощности источника питания необходимо знание удельных тепловых потерь от ванны расплава в элементы конструкции тигля и окружающую среду, а также размеры ванны и электрический КПД индуктора. Количественные значения удельных тепловых потоков может дать только эксперимент по индукционной плавке кориума в холодном тигле. Поскольку разработка и создание оборудования для таких плавок и является одной из целей данной работы, был использован опыт многолетней работы кафедры ЭТПТ ГЭТУ по ИПХТ тугоплавких оксидов. Анализ энергетических характеристик ИПХТ оксидов высшей огнеупорности показал, что скорее всего для расплава оксидного кориума любого состава удельные тепловые потоки в стенку тигля, дно тигля и излучением с поверхности расплава не превысят соответственно следующих значений: 1,5; 0,75 и 2,5 МВт/м . Используя эти значения удельных тепловых потоков, определенную геометрию ванны расплава и задаваясь электрическим КПД индуктора равным 0,8, из уравнения теплового баланса плавки получим полезную мощность источника питания, равную 45 кВт.
На частоту тока 1,76 МГц в России выпускают ламповые генераторы с колебательной мощностью 60 и 160 кВт. Учитывая, что генератор должен в случае необходимости обеспечить получение в несколько раз большего, чем 4-Ю"4 м3 объема расплава, в качестве источника питания индукционной печи с холодным тиглем для плавки кориума был выбран стандартный высокочастотный ламповый генератор ВЧГ-160/1,76 с колебательной мощностью 160 кВт и частотой тока 1,76 МГц.
Исследование механизма разрушения образцов подреакторных конструкционных материалов расплавом кориума
Исследование взаимодействия расплава кориума с подреакторными конструкционными материалами при ИПХТ Экспериментальные исследования взаимодействия расплава кориума с материалами подреакторного пространства проводили в индукционной печи с холодным тиглем, внешний вид и эскиз которой представлены выше соответственно на рис. 2.2 и рис. 2.3. В основу метода получения экспериментальных данных положена технология индукционной плавки кориума на образцах подреакторных материалов [38-43]. В экспериментах выполняли следующие процедуры: - получали ванну расплава кориума заданного состава на исследуемом донном образце без контакта расплава с образцом; - выдерживали ванну для гомогенизации расплава; - организовывали взаимодействие расплава с образцом; - вольфрамовым зондом определяли изменение глубины разрушения донного образца с течением времени.
Затем выдерживали исследуемую систему до установления стационарного теплового состояния, отбирали пробу расплава и измеряли: ранее параметры в переходных режимах и в новых стационарных состояниях. По осевому сечению слитка кориума, сплавленного с донным образцом, определяли форму ванны расплава в последнем стационарном состоянии. Опыты по исследованию взаимодействия расплава кориума различного состава с образцами строительных бетонов (серпентенитового и М-200), серийно используемых в России в качестве материала шахты реактора и основания реакторного здания, показали, что в диапазоне температур расплава кориума 1800 - 2100 К средняя скорость разрушения образцов бетонов составила 6-10 мм/мин. Образцы разрушались на всю высоту. Взаимодействие расплава кориума с бетоном сопровождалось выделением значительного количества Н2, С02, СО, S02 и паров воды. Барботаж газов через расплав увеличивал количество аэрозолей. Опыты со строительными бетонами показали, что в случае тяжелой аварии с проплавлением корпуса реактора они не смогут предотвратить или остановить на длительное время проникновение расплава активной зоны в окружающую среду.
В дальнейших экспериментах основное внимание было уделено исследованию стойкости перспективных защитных материалов на основе диоксида циркония: ЦГБ [44 - 47] и керамики. Эксперименты с ЦГБ были выполнены в рамках гранта Международного научно-технического центра [48]. В качестве примера на рис. 3.1 и 3.2 показано характерное изменение во времени глубины разрушения образцов ЦГБ и керамики на основе диоксида циркония. В отличие от строительных бетонов скорость разрушения образцов перспективных материалов устройства локализации расплава изменялась от начального максимального значения до нуля с увеличением глубины разрушения, где устанавливалось равновесие тепло- и массообмена между расплавом и образцом. В широком диапазоне изменения состава кориума в интервале температур 1600-2800 К установлено, что скорость разрушения ЦГБ и керамики зависит не только от температуры расплава, но и от количественного соотношения компонентов расплава и испытываемых образцов. Максимальная скорость разрушения ЦГБ и керамики в среднем оказалась на порядок меньше значений, полученных для строительных бетонов. мм 14 12
Изменение во времени глубины разрушения образца керамики (95% Zr02) Процесс взаимодействия расплава с образцами бетона и керамики на основе оксида циркония протекал без дополнительных возмущающих факторов, как в случае со строительными бетонами. На рис. 3.3 приведена фотография типичного вида сечения образца керамики после ее взаимодействия с расплавом кориума. Основным результатом испытаний стойкости образцов перспективных материалов подреакторного пространства воздействию кориума и анализа полученных данных явилось выявление механизма их разрушения, протекающего даже при температуре расплава много меньше температуры плавления основного компонента защитного материала.
Рассмотрим механизм разрушения материала подреакторного пространства с использованием результатов, полученных в экспериментах по изучению взаимодействия расплава кориума с ЦГБ. Поскольку, разрушение образцов ЦГБ в конце экспериментов практически прекращается, см. рис. 3.1, то можно предположить, что в конце каждого эксперимента достигается термодинамическое равновесие между жидкой и твердой фазами. Тогда, конечные концентрации расплавов есть равновесные концентрации при соответствующих температурах.
Результаты экспериментов выявили две закономерности: глубина разрушения образца и скорость разрушения в начальный период взаимодействия тем больше, чем меньше концентрация диоксида циркония в исходном расплаве и чем выше температура расплава. Учитывая, что во всех экспериментах температура расплава оставалась ниже температуры плавления диоксида циркония (3000 К), объяснить наблюдаемую картину плавлением образца не представляется возможным.
Программа электромагнитного расчета ИПХТ с учетом реальной формы секций тигля
В этих уравнениях: u, v, T - скорости в направлениях х, у и температура движущейся среды, соответственно; а - ключ (а = 0 для декартовых координат, а = 1 - для цилиндрических); \х, ]ih \xsff - молекулярная, турбулентная и эффективная вязкость соответственно; X, A,eff - молекулярная и архимедова и электродинамическая силы в направлениях х и у, соответственно; we -удельная объемная мощность источников теплоты; р - плотность; ср -удельная теплоемкость; р - давление; Рк- генерация турбулентности; GB -плавучесть. где u0 - базовая скорость; То - базовая температура; \х0, р0, Х0, Со - вязкость, плотность, теплопроводность и теплоемкость расплава при базовой температуре.
Символом v0 обозначена базовая кинематическая вязкость, а символом а0 - базовая температуропроводность. Остальные переменные такие же, как и в предыдущей системе уравнений.
Решение уравнений гидродинамики проводится методом конечных разностей в переменных u, v, р [73,74]. Эти переменные находятся уточнением начального приближения путем добавления к нему поправок на каждой итерации, найденных из решения уравнения неразрывности. Решение системы уравнений, полученной в результате конечно-разностной аппроксимации дифференциальных уравнений, выполняется итерационным методом. При этом используется разделение по физическим процессам, то есть последовательно решаются уравнения энергии, баланса импульса, поправок давления, кинетической энергии турбулентных пульсаций и изотропной диссипации турбулентности. Цикл повторяется многократно до заданной погрешности. Каждое из уравнений, входящих в этот цикл, решается SIP методом Стоуна [75].
Исследование индукционной печи с холодным тиглем как электромагнитной системы Специфические черты установки для ИПХТ кориума такие, как наличие секционированного проводящего тигля, сплошного металлического водяного коллектора, металлической крышки, небольшие размеры защитного бокса, см. рис. 2.2 и рис. 2.3, потребовало исследования влияния электропроводящих элементов конструкции печи и защитного бокса на электромагнитные характеристики системы для выявления элементов конструкции, не оказывающих существенного влияния на распределение ЭМП. С этой целью был проведен расчет электромагнитного поля с учетом элементов конструкции установки на основе коммерческого пакета ANSYS v. 5.5. Дифференциальная двухмерная осесимметричная постановка решения уравнений ЭМП, реализованная в этом пакете, позволяет получить распределение электромагнитного поля, включая пространство между токопроводящими элементами конструкции. Такая постановка не учитывает трехмерность электромагнитной системы, вызванную наличием асимметричного расположения секций тигля, но позволяет оценить потери в остальных элементах конструкции и представить картину распределения ЭМП.
На рис. 4.1 представлен эскиз расчетных областей электромагнитной системы печи ИПХТ, которая включает в себя индуктор, расплав кориума, элементы конструкции тигля и защитного бокса. На рис. 4.2 показана конечноэлементная сетка, введенная в исследуемых областях, а на рис. 4.3 представлено разбиение области вокруг индуктора.
Результатом расчета является распределение векторного потенциала, его вещественной (рис. 4.4) и мнимой (рис. 4.5, рис. 4.6) составляющей, а также распределение удельной объемной мощности в расплаве и проводящих элементах системы, см. рис. 4.7.
Физические свойства материалов элементов конструкции печи, использованные в расчете, а также расчетные значения мощностей, выделяемых в элементах системы, представлены в табл. 4.1. Геометрия системы соответствует одному из экспериментов по долговременному удержанию на воздухе расплава урансодержащего кориума в холодном тигле с дном из стали корпуса реактора. Анализ результатов расчета показал, что при исследовании данной индукционной системы можно не учитывать стенки защитного перчаточного бокса и крышку печи.
Таким образом, при анализе индукционной печи для плавки кориума с использованием комбинированного метода расчета, позволяющего учесть секции тигля, можно исключить ряд элементов конструкции, что значительно упростит систему с точки зрения ее расчета.
