Введение к работе
Актуальность работы.
Утилизация отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) является одной из острейших проблем отечественной атомной энергетики. Тепловыделяющие сборки после завершения эксплуатации на первоначальном этапе хранятся в приреакторных, а затем и в отдельностоящих бассейнах выдержки (БВ) на территории атомных станций в специально предназначенных для этого хранилищах отработавшего ядерного топлива (ХОЯТ). Емкость этих бассейнов ограничена и не рассчитана на размещение всего ОЯТ за срок службы энергоблоков. Согласно мировой практике обращения с ОЯТ, отработавшее топливо, не подлежащее переработке, после первоначального этапа бассейнового «мокрого» хранения переводится на длительное сухое хранение, иначе называемое промежуточным (interim storage), предполагаемый срок которого составляет около 50 лет. По завершении этого периода отработавшее топливо подлежит окончательному захоронению (final disposal) в геологических формациях. Такой технологический цикл позволяет свести к минимуму возможные экологические риски.
Большую часть отработавшего топлива в нашей стране составляет ОЯТ РБМК-1000, не подлежащее переработке ввиду низкого содержания делящихся элементов. В России существует всего три атомные станции с реакторами данного типа — Ленинградская, Курская и Смоленская. Наиболее критическая ситуация сложилась на Ленинградской АЭС, первой из введенных в эксплуатацию, для которой прогнозируемый срок окончательного заполнения бассейнов выдержки ОЯТ приходится на 2007 — 2008 годы. Для решения данной проблемы Минатомом Российской Федерации (в настоящее время Федеральное агентство по атомной энергии) была разработана технология перевода ОЯТ энергетических станций на длительное сухое хранение, предусматривающая для топлива РБМК-1000 две взаимодополняющие схемы:
первоначальный этап — размещение отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) в специальных двухцелевых контейнерах на территории атомных станций;
окончательный этап - доставка ОЯТ в этих же контейнерах в централизованное сухое хранилище на Красноярском ГХК, где его и предполагается содержать до истечения всего срока длительного сухого хранения.
Для реализации этой технологии предполагается использовать специальные двухцелевые металлобетонные контейнеры (МБК), отвечающие отечественным нормативам безопасного хранения и транспортирования ОЯТ и требованиям МАГАТЭ, разработанные Конструкторским Бюро Специального Машиностроения (КБСМ). Необходимо отметить, что перевод отработавшего топлива РБМК-1000 на сухое контейнерное хранение на Ленинградской атомной станции будет осуществляться впервые в нашей стране. В дальнейшем эта технология будет использоваться на Курской и Смоленской АЭС с учетом привязки к местности и особенностей их помещений.
Согласно рекомендациям МАГАТЭ, на этапе промежуточного сухого хранения топливо должно быть изолировано от окружающей среды не менее чем двумя барьерами герметичности, одним из которых являются оболочки твэлов. Необходимым условием сохранения их целостности в течение всего указанного периода является минимальное содержание влаги в газовой среде, контактирующей с топливом, обеспечивающее отсутствие коррозии соответствующих материалов.
Технология перевода ОЯТ РБМК-1000 на сухое контейнерное хранение, предусматривает ряд этапов, в число которых входят его доставка из бассейнов выдержки в специальное помещение, разделка отработавших сборок на пучки твэлов, их загрузка в металлобетонный контейнер и герметизация последнего. Поскольку при этих операциях не предусмотрено никаких специальных мер, препятствующих попаданию влаги в МБК с ОЯТ, одним из важнейших последующих этапов его подготовки к длительному сухому хранению является вакуумное осушение, которое осуществляется путем откачки парогазовой среды из его внутренней полости через специальное клапанное устройство. Давление в контейнере при этом падает, находящаяся там вода выкипает вследствие понижения температуры насыщения и удаляется в виде пара. Основными параметрами, характеризующими технологический процесс вакуумного осушения, являются степень разрежения во внутреннем объеме МБК и его длительность, то есть время, в течение которого при существующем уровне остаточного тепловыделения ОЯТ и заданной температуре окружающего воздуха влагосодержание в контейнере достигнет допустимого значения 20 г/м3. Последний показатель особенно важен, поскольку при проведении этой технологической операции необходимо уложиться в период, отводимый общим регламентом — не более 7 суток. Воспользоваться зарубежным опытом и оценками для указанных типов контейнеров было достаточно затруднительно, вследствие особенностей их конструкции и существенных отличий условий обращения с топливом на предшествующих технологических этапах. При разработке технологии вакуумного осушения крайне важно было получить представление о рабочих параметрах и длительности этой операции на первоначальном этапе проектирования, чтобы при необходимости внести изменения в проектную документацию до начала опытно-экспериментальной отработки технологии. Время, отводимое на решение данной задачи, определялось предполагаемым сроком ввода в эксплуатацию всего комплекса сухого хранения на Ленинградской атомной станции (2007 — 2008 г.), и составляло не более двух — трех лет. В этой ситуации наиболее целесообразным и экономически приемлемым путем определения оптимальных рабочих характеристик процессов, протекающих в МБК и, как следствие, требований, предъявляемых к технологическому оборудованию, является проведение расчетно-теоретических исследований в широком диапазоне параметров. Использование в качестве инструмента для проведения данного анализа коммерческих вычислительных пакетов, равно как и специализированных программных средств, для расчета теплового состояния контейнеров в условиях сухого хранения, невозможно по следующим причинам:
— в первом случае, из-за сравнительно низкой вычислительной эффективности,
которая не дает возможность провести серийные исследования различных
режимов, каждый из которых может длиться несколько суток;
- во втором, вследствие принципиальной невозможности алгоритмов данного
семейства моделировать процессы межфазного тепломассопереноса.
Создание специализированных программных средств анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения для последующего обоснования с их помощью режимов этой технологической операции являлось фактически уникальной задачей. За рубежом, в странах с развитой ядерной энергетикой, обоснование вакуумной осушки проводилось в 80-е годы прошлого столетия для гораздо более простых в конструктивном отношении контейнеров, в основном на базе экспериментов,
поскольку для этого в распоряжении разработчиков имелось достаточно времени и средств. В России же, потребность в расчетном обосновании вакуумного осушения контейнеров УКХ-104, УКХ-109 возникла лишь несколько лет назад, к моменту их создания, в силу особенностей их конструкции и крайней ограниченности сроков.
Все вышеизложенное и определило цели диссертационной работы:
-
Обоснование режимов вакуумного осушения контейнеров УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 с помощью расчетного анализа процессов тепломассообмена в условиях данной технологической операции для проектного регламента Ленинградской атомной станции в широком диапазоне определяющих условий и параметров.
-
На основе проведенного анализа выработать необходимые практические рекомендации по рабочим режимам вакуумного осушения и возможной замене или модификации узлов оборудования, не обеспечивающих требуемых параметров процесса.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать комплексную математическую модель процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения и соответствующий вычислительный алгоритм, учитывающие особенности их конструкций и специфику физических процессов при данной технологической операции.
-
Разработать на основе созданного алгоритма специализированные программные средства, обеспечивающие анализ моделируемых процессов в реальном масштабе времени и обладающие необходимым инженерным интерфейсом.
-
Обосновать достоверность разработанной расчетной методики и реализующих ее программных средств.
-
Провести с помощью разработанных программных средств расчетные исследования процессов тепломассообмена в указанных типах контейнеров с ОЯТ РБМК при вакуумном осушении в широком диапазоне параметров, основываясь на технологическом регламенте для Ленинградской атомной станции, в ходе которых:
проанализировать основные закономерности механизмов тепло- и массопереноса в условиях данной технологической операции;
проанализировать влияние физических эффектов и особенностей конструкции этих упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса;
определить физические критерии реализуемости этой операции и оценить максимальную расчетную длительность процесса осушки при условии непрерывной работы оборудования;
обосновать рабочие режимы вакуумного осушения этих контейнеров в существующем диапазоне проектных условий и параметров.
Научная новизна.
1. Разработаны комплексная математическая модель и вычислительный алгоритм для анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 при вакуумном осушении, учитывающие особенности их конструкции и специфику механизмов переноса тепла и массы в этих условиях.
-
Данные математическая модель и алгоритм реализованы в виде специализированных программных комплексов с необходимым для инженерных расчетов интерфейсом, позволяющих моделировать исследуемые процессы в реальном масштабе времени.
-
С помощью разработанных программных средств проведен расчетный анализ процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 при вакуумном осушении в широком диапазоне параметров для технологического регламента Ленинградской атомной станции, при этом получены следующие результаты:
проанализированы основные закономерности механизмов тепло- и массопереноса в условиях данной технологической операции;
проанализировано влияние физических эффектов и особенностей конструкции этих упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса;
определены физические критерии реализуемости этой операции и оценена максимальная расчетная длительность процесса осушки при условии непрерывной работы оборудования;
обоснованы рабочие режимы вакуумного осушения этих контейнеров в существующем диапазоне проектных условий и параметров.
Достоверность результатов работы подтверждается сопоставлением результатов, полученных с помощью разработанных программных средств, с различными экспериментальными и расчетными данными.
Практическая ценность.
-
Первые версии программных комплексов C1042D и C1092D, предназначенных для моделирования процессов тепломассообмена в упаковочных комплектах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения, в 2001 г. были переданы Главному конструктору и разработчику средств осушки этих контейнеров (КБСМ).
-
Результаты расчетно-теоретического анализа процессов тепломассообмена в металлобетонных контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения и полученные на их основе рекомендации по условиям реализуемости и оптимизации рабочих режимов для данной операции были использованы на практике:
Главным Конструктором УКХ-104 и УКХ-109 (КБСМ) для корректировки рабочих параметров технологического процесса вакуумного осушения и обоснования замены конденсатора с водяным охладителем на аппарат с пропиленгликолевым хладагентом в составе оборудования средств осушки этих упаковочных комплектов;
Минатомом Российской Федерации (ныне Федеральное агентство по атомной энергии) при обосновании условий обращения с ОЯТ РБМК-1000 при его переводе с «мокрого» на сухое хранение в рамках соответствующей отраслевой задачи.
Разработанная расчетная методика и реализующие ее программные средства после их доработки могут быть адаптированы для анализа процессов тепломассообмена в условиях вакуумного сушения к другим типам контейнеров с отработавшим ядерным топливом, с учетом их конструктивных особенностей.
На защиту выносятся:
-
Комплексная математическая модель процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения, учитывающая особенности их конструкции и специфику физических процессов при данной технологической операции, и реализующие ее программные комплексы.
-
Анализ основных закономерностей процессов тепломассообмена в указанных типах контейнерах в условиях вакуумного осушения.
-
Анализ влияния физических эффектов и особенностей конструкции данных упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса вакуумной сушки.
-
Расчетное обоснование критериев реализуемости и рабочих режимов вакуумного осушения в проектном диапазоне условий и параметров.
Апробация работы.
Материалы диссертации были доложены и обсуждены: на XI семинаре по проблемам физики реакторов — Москва, 2000; на международных конференциях «Радиационная безопасность» — Санкт-Петербург, 2000, 2001 и 2002; на ХШ-ой школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» — Санкт-Петербург, 2001; на Международном семинаре «Экологические проблемы утилизации АПЛ» — Северодвинск, 2001; на Техническом семинаре/совещании МАГАТЭ «Dry Spent Fuel Technology», Санкт-Петербург, 2002; на 4-м семинаре/совещании Ливерморской Национальной Лаборатории (США) по российско-американским контрактам по утилизации оружейного плутония — Санкт-Петербург, 2003; а также на отраслевых семинарах и совещаниях по данной тематике.
Публикации.
Всего по теме диссертации опубликовано 17 работ. Основное содержание диссертации отражено в работах /1 - 10/.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Работа содержит 175 стр., в том числе основного текста 163 стр., библиографии 9 стр. (117 наименований) и приложений 3 стр. В диссертации приводятся 76 рисунков и 12 таблиц.
