Введение к работе
В настоящее время аспектам безопасности действующих и проектируемых АЭС уделяется большое внимание. Обоснование работоспособности кон-тейнмента (защитной оболочки), представляющей собой последний барьер безопасности АЭС, является составной частью этой проблемы, поскольку от его целостности полностью зависит возможность выброса продуктов деления в окружающую среду в случае разгерметизации первого контура. При этом важным является анализ широкого спектра физических явлений, обеспечивающих корректное взаимосогласованное моделирование термогазодинамических процессов, протекающих в контейнменте при аварии, в особенности - распространение водорода. Такой анализ необходимо выполнять с использованием компьютерных кодов нового поколения с CFD моделями (Computational Fluid Dynamics), обладающими необходимым уровнем детализации расчетных областей и протекающих в них процессов. Результатом работы над таким кодом явилась оригинальная версия кода KUPOL-3D (CFD - модель). В ней были применены новые подходы, как в физической постановке, так и в численном решении задачи.
Актуальность
Аварии с течью теплоносителя 1-го контура на АЭС с ВВЭР сопровождаются целым спектром взаимосвязанных процессов и явлений со сложной пространственной структурой, протекающих в помещениях контейнмента. Расчетное обоснование безопасности АЭС с ВВЭР невозможно без описания процессов тепломассопереноса многокомпонентной газокапельной среды, на течение которой оказывают влияние естественная конвекция, поверхностная и объемная конденсация водяного пара, горение водородосодержащих смесей, функционирование различных систем безопасности. В процессе развития аварии помимо значительного изменения общего уровня давления газа в контейнменте, в его атмосфере появляется существенно более легкий газ - водород, при окислении которого (горение и рекомбинация с помощью каталитических дожигателей) выделяется большое количество тепла, при некоторых условиях возможна детонация смеси. В связи с этим, при обосновании безопасности АЭС более широкое применение получают расчетные коды, физико-математические модели которых основаны на все более полном описании различных процессов, сопровождающих аварии. Одним из путей увеличения точности расчетов является переход от описания процессов и явлений моделями в сосредоточенных параметрах к пространственным моделям или CFD моделям. За рубежом и в России активно ведутся работы по объединению кодов в сосредоточенных параметрах с CFD кодами.
Экспериментальные работы по этой тематике в настоящее время фрагментарны. В полной мере экспериментально исследовать процессы, протекающие в объеме защитной оболочки, не представляется возможным, поэтому тео-
ретический анализ на основе математического моделирования является важнейшим, а в некоторых случаях и единственным средством получения необходимой информации для обоснования безопасности действующих и проектируемых объектов атомной энергетики.
В соответствии с требованиями действующей нормативной документации и рекомендациями МАГАТЭ необходимо разрабатывать теплогидравлические расчетные коды нового поколения. К числу наиболее известных зарубежных расчетных кодов нового поколения можно отнести, например GASFLOW. В Теплофизическом Отделении ГНЦ РФ ФЭИ разработан и прошел две аттестации код КУПОЛ-М в приближении сосредоточенных параметров, который служит для описания процессов тепломассопереноса в защитной оболочке АЭС с ВВЭР и применим для расчета любой ЯЭУ, имеющей контейнмент. Над созданием кода КУПОЛ-М трудился коллектив авторов: А.Д. Ефанов, Ю.С. Юрьев, Шаньгин Н.Н., А.А. Лукьянов, А.А. Зайцев. Однако, для задач, связанных с обоснованием водородной безопасности, где требуется информация о локальных характеристиках процессов, его возможности ограничены. Поэтому разработка и обоснование CFD версии отечественного кода KUPOL-3D в данной диссертационной работе, соответствующего вышеизложенным требованиям, является актуальной задачей. Код KUPOL-3D является эволюционным продуктом, в основу его математических моделей положена идеология, реализованная в коде КУПОЛ-М.
Целью работы является достижение следующих результатов:
Разработка и обоснование оптимальной физико-математической модели сжимаемой среды в трехмерной постановке, предназначенной для описания существенно дозвукового смешанно-конвективного течения однофазной многокомпонентной водородосодержащей среды в контейнменте, которое сопровождается разнообразными процессами тепломассопереноса, при проектных и запро-ектных авариях;
Разработка версии кода KUPOL-3D на основе численного алгоритма решения конечно-разностных уравнений, полученных для математической модели;
Тестирование кода KUPOL-3D на основе аналитических решений модельных задач;
Верификация кода KUPOL-3D на основе экспериментальных данных по теп-логидравлике контейнмента;
Обоснование возможности и целесообразности применимости кода KUPOL-3D для анализа водородной безопасности контейнментов АЭС с ВВЭР и разработки рекомендаций по проектированию системы аварийного удаления водорода при запроектной аварии.
Научная новизна
Для обоснования водородной безопасности АЭС с ВВЭР нового поколения получена и реализована в коде KUPOL-3D оригинальная версия физико-
математической модели сжимаемой жидкости. Прототипом послужила модель СДТ (существенно дозвуковые течения), разработанная Ю. В. Лапиным и М. X. Стрельцом, которая предназначена для расчета течений в замкнутых объемах с твердыми непроницаемыми стенками. Эта модель была доработана для расчета внутренних течений в объемах при наличии проницаемых стенок с конкретным видом граничных условий. Модель сжимаемой жидкости предназначена для исследования и анализа процессов тепло- и массопереноса в водородосодержа-щих смесях в помещениях контейнмента в трехмерной постановке, с учетом локальной структуры потока и смешанной конвекции, поверхностной конденсации в присутствии неконденсирующихся газов. Разработанная модель сжимаемой среды позволяет адекватно воспроизвести как динамику отдельных локальных параметров (температуры, скорости, концентрации компонентов), так и их взаимосогласованное моделирование. Температура оказывает существенное влияние как на теплоотдачу к вертикальным поверхностям, так и на количество сконденсированного пара, концентрация - на коэффициенты теплоотдачи для адиабатной и охлаждаемой стенок, а их взаимовлияние, в свою очередь, может привести к довольно существенному изменению в характере роста давления под оболочкой при аварии АЭС.
Достоверность полученных результатов в области применимости модели обеспечена анализом полноты системы уравнений, тестированием модели на аналитических решениях и ее верификацией на уникальных экспериментальных данных Международной стандартной задачи ISP-47. Всего было проведено три серии опытов (2002-2003 г.г.) в рамках французской национальной программы по разработке контейнментного кода TONUS. Первая серия экспериментов проведена на маломасштабной установке TOSQAN (Франция, объем 7 м), вторая серия - на установке MISTRA (Франция, объем 100 м ), третья (за-ключительная) - на установке ThAI (Германия, объем 60 м ). Группа разработчиков кода KUPOL-3D приняла участие в проведении первого этапа Международной стандартной задачи № 47 по теплогидравлике контейнмента. Представленные организаторам ISP-47 результаты были учтены в сопоставительном итоговом отчете по расчетам участников.
Практическая значимость результатов работы
Практическая значимость работы заключается в получении результатов, адекватно отражающих пространственные эффекты, имеющие место в объеме контейнмента при аварийных режимах, и уточненной информации о характеристиках локальных процессов, протекающих в атмосфере контейнмента АЭС с проектируемыми реакторами ВВЭР-1000, ВВЭР-1500 и установками подобного класса с защитной оболочкой. Кроме того, код KUPOL-3D выполнен доступным для пользователей в проектных организациях.
Положения, выносимые на защиту
Разработанная оригинальная версия физико-математической модели сжимаемой среды, позволяющая описывать процессы тепло - и массообмена в водо-родосодержащей смеси с учетом влияния смешанной и естественной конвекции. Эта версия также позволяет моделировать с необходимой степенью детализации пространственные эффекты (стратификация, образование и распространение локальных скоплений горючих смесей Нг-НгО-воздух), имеющие место в помещениях контейнмента АЭС.
Методика численного решения системы дифференциальных уравнений, позволяющая выполнять достоверные расчеты нестационарных характеристик течения (давление, концентрация, температура, скорость), пространственного распределения температуры и концентраций компонентов паро-газовой смеси в объеме контейнмента АЭС.
Версия кода KUPOL-3D и результаты расчетов, моделирующие распределение водорода и зоны возможного скопления горючих смесей Нг-НгО-воздух. Эта информация способствует эффективности принимаемых мер безопасности АЭС при возможных проектных и запроектных авариях.
Апробация работы
Основные подходы, использованные при разработке кода KUPOL-3D, как в физической постановке, так и в численном решении, а также результаты прикладных и тестовых расчетов докладывались на семинарах и конференциях: «Теплофизика-2001» (Обнинск, 2001г.) [5], Третий Международный Конгресс «Энергетика - 3000» (Обнинск, 2002 г.) [6], «Разработка многомерных теплогид-равлических кодов» (Обнинск, 2003 г.), «Оценка экспериментальных данных и верификация кодов» (Сосновый Бор, 2004 г.), 4-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, 2005 г.) [7], «Водородный форум» (Москва, 2006 г.). Код KUPOL-3D был использован участниками Международной Стандартной Задачи по теплогидравли-ке контейнмента ISP-47.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Материал изложен на 143 страницах, содержит 87 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 48 наименований.
