научная статья по теме ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСАЖДЕНИЯ ИЗОТОПОВ ЦЕЗИЯ В НАТРИЕВЫХ КОНТУРАХ С ПОМОЩЬЮ КОДА СОКРАТ-БН Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСАЖДЕНИЯ ИЗОТОПОВ ЦЕЗИЯ В НАТРИЕВЫХ КОНТУРАХ С ПОМОЩЬЮ КОДА СОКРАТ-БН»

№ 4

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

УДК 621.039

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСАЖДЕНИЯ ИЗОТОПОВ ЦЕЗИЯ В НАТРИЕВЫХ КОНТУРАХ С ПОМОЩЬЮ КОДА СОКРАТ-БН

© 2015 г. А. С. КОРСУН2, В. Н. СЕМЕНОВ1, М. Ф. ФИЛИППОВ12, С. В. ЦАУН1

1Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН), Москва 2Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования « "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"», Москва E-mail: philippov@ibrae.ac.ru

Одна из задач, решаемых при обосновании радиационной безопасности реакторных установок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, — оценка активности радионуклидов, накопленных в технологических средах первого контура реакторной установки. Значимыми для радиационной безопасности радионуклидов являются изотопы цезия. В работе представлена разработанная и интегрированная в код СОКРАТ-БН/В2 модель осаждения и повторного смыва изотопов цезия в натриевом теплоносителе. В основе разработанной модели лежит модель адсорбции Ленгмюра. Учитывается влияние скорости и температуры теплоносителя на скорость осаждения цезия. Проведенные с помощью кода СОКРАТ-БН/В2 тестовые расчеты показывают удовлетворительное согласие с результатами петлевых экспериментов (отклонение расчетных и экспериментальных данных составило 30-80%).

Ключевые слова: продукты деления, быстрые натриевые реакторы, массопере-нос, цезий.

NUMERICAL MODELING OF CESIUM ISOTOPES DEPOSITION IN THE SODIUM LOOPS USING THE CODE SOCRAT-BN

A. S. KORSUN2, V. N. SEMENOV1, M. F. PHILIPPOV12, S. V. TSAUN1

1Nuclear Safety Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow 2National Research Nuclear University MEPhI, Moscow E-mail: philippov@ibrae.ac.ru

The assessment of the activity of radionuclides accumulated in constructional elements of the primary circuit of the reactor plant is the one of the important problems to be solved in the justification of the radiation safety of LMFBR. Isotopes of cesium radionuclides are one of the most important in terms of radiation safety. The developed and integrated into the code SOCRATES-BN/B2 model of deposition and re-flushing isotopes of cesium in sodium coolant is presented in the article. The developed model is based on the model of Langmuir adsorption (formation of the adsorption sites). The influence of speed and cool-

ant temperature, on the rate of cesium deposition are considered. Conducted by code SO-CRATES-BN/B2 test calculations show good agreement with the results of the loop experiments (deviation of the calculated and experimental data was 30—80%).

Key words: fission products, LMFBR, mass transfer, cesium.

ВВЕДЕНИЕ

В атомной энергетике успешно развивается направление, связанное с созданием реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. С 1980 г. на третьем энергоблоке Белоярской атомной электростанции (АЭС) работает реакторная установка (РУ) БН-600 [1]. 27 июня 2014 г. на Белоярской АЭС осуществлен выход на минимальный контролируемый уровень мощности реактора четвертого блока — быстрого реактора БН-800 с натриевым теплоносителем [2]. В настоящее время разрабатывается проект реакторной установки БН-1200 [1] для пятого энергоблока Белоярской АЭС.

Одной из задач, решаемых в рамках обоснования безопасности строящихся и проектируемых РУ для АЭС, является обоснование радиационной безопасности РУ при нормальной эксплуатации и при авариях. Для решения задачи необходимо, в частности, оценить количество радионуклидов, накопленных в технологических средах и вышедших за пределы первого контура РУ и в режиме нормальной эксплуатации РУ, и в результате аварий.

На основании обобщения результатов реакторных экспериментальных исследований [3] и обзоров результатов петлевых экспериментов [4, 5] можно сделать вывод, что одними из основных изотопов, выходящих в теплоноситель, являются изотопы цезия 134Cs и 137Cs с периодами полураспада 2.0651 и 30.21 года соответственно. Следует отметить, что цезий относится к классу летучих элементов, а его радиоактивные изотопы, согласно норм радиационной безопасности [6], — одни из основных дозообразую-щих. Экспериментальное исследование поведения изотопов цезия на крупномасштабных установках чрезвычайно дорого, а иногда и невозможно (как в случае оценки радиационных последствий запроектных аварий), поэтому необходимо развивать рас-четно-теоретические методы исследования поведения и переноса изотопов цезия в контурах РУ БН.

Задачу разработки методов, удовлетворяющих современным требованиям к точности и области применения, нельзя считать решенной. Разработанные модели [7], предназначенные для описания конвективного переноса, осаждения и повторного смыва радионуклидов в натриевых контурах, имеют существенный недостаток — они включают эмпирические зависимости (зависимость коэффициента распределения цезия между теплоносителем и поверхностью от температуры), используемые для расчета скорости повторного смыва. Следует отметить, что экспериментальные данные обнаруживают большой разброс [8], поэтому затруднительно выбрать какую-либо из известных корреляций для реакторных расчетов. Кроме того, в существующих моделях не учитывается влияние скорости сорбции на кинетику процесса осаждения цезия.

В рамках развития тяжелоаварийного кода СОКРАТ-БН [9, 10] разработана кинетическая модель осаждения и повторного смыва изотопов цезия в натриевом теплоносителе, для этого проведен анализ опубликованных экспериментальных данных по физико-химической форме присутствия цезия в натриевом теплоносителе и механизму осаждения в жидком натрии. По результатам анализа была выбрана модель переноса и поведения цезия в общем виде, рассчитаны параметры данной модели. Разработанная модель учитывает влияние температуры и скорости теплоносителя, концентрации осажденного цезия и состояния поверхности стенки на процесс осаждения цезия. Тестирование модели подтвердило удовлетворительную точность расчета.

ПОВЕДЕНИЕ ЦЕЗИЯ В НАТРИЕВОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕ

Цезий обладает высокой растворимостью в натриевом теплоносителе [5]. Результаты экспериментальных исследований физико-химических форм присутствия цезия в жидком теплоносителе и парах натрия [5, 11] демонстрируют, что в условиях натриевых контуров цезий присутствует в натрии и его парах в виде элементарного цезия и слабо реагирует с неметаллическими примесями натрия и другими ПД.

Основным процессом, оказывающим влияние на концентрацию цезия в натриевом теплоносителе, является осаждение на стенки конструкционных элементов контура. В связи с высокой растворимостью цезия в натрии возможными механизмами осаждения на стальные стенки следует рассматривать физическую и химическую адсорбцию. Для физической адсорбции характерно уменьшение интенсивности осаждения при повышении температуры, она всегда обратима, для этого вида адсорбции характерны низкие по сравнению с химической адсорбцией энергии связи (теплота адсорбции) [12]. Из анализа экспериментальных данных [13—16] видно, что осаждение цезия на металлические поверхности в жидком натрии увеличивается при понижении температуры натрия и этот процесс осаждения имеет обратимый характер (отсутствует гистерезис). Это доказывает, что основным механизмом осаждения цезия в жидком натрии является физическая сорбция.

Адсорбция цезия может протекать на поверхностях, на которых присутствуют окислы натрия и сложные окислы, устойчивые в натрии, на поверхностяхобразованных нерастворимыми окислами микрочастиц [17], и непосредственно на стальных стенках конструкционных элементов. Для очистки натрия от кислорода в РУ БН используется так называемая холодная ловушка. При НЭ работа холодной ловушки обеспечивает концентрацию кислорода в натрии не выше, чем 10 млн-1 [5]. При этом кристаллизации окислов в натриевом теплоносителе не происходит, что позволяет не учитывать адсорбцию на окислах при расчете накопления цезия в отложениях на стенках первого контура.

МОДЕЛЬ ПЕРЕНОСА И ПОВЕДЕНИЯ ЦЕЗИЯ В НАТРИЕВОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕ

Уравнения, описывающие перенос, осаждение и повторный смыв цезия в натриевом теплоносителе, являются частным случаем закона сохранения массы. В трехмерном случае поведение объемной концентрации цезия (С) в натриевом теплоносителе описывается уравнением:

^д— + и/7 С/ = Б/7 2С/ + Ос, (1)

где С/ — объемная концентрация цезия во взвешенном состоянии, атом/м3; и/ — скорость теплоносителя, м/с; Л/ — коэффициент диффузии цезия в натрии, м2/с; ОС —

интенсивность источника цезия в теплоносителе первого контура, атом/(с • м3).

/

Пусть С5 — объемная концентрация цезия во взвешенном состоянии в натриевом теплоносителе у стенки, тогда уравнение, описывающее изменение концентрации цезия в осажденном состоянии (Ср), можно записать в виде:

дС = , Ср,Г) - / (Ср,Г), (2)

где Ср — поверхностная концентрация цезия на стенке, атом/м2; Т — температура натриевого теплоносителя, К; Д — поток, описывающий убыль цезия из раствора за счет

осаждения на стенку, атом/(с • м2); / — поток, описывающий появление цезия в растворе за счет смыва со стенки, атом/(с • м2). Граничное условие для (1) следующее:

-Бг = Д(С/, Ср,Т) - /т (Ср,Т), (3)

дп

д

где--нормальная производная к поверхности.

дп

В одномерном случае математическая модель (1)—(3) имеет вид:

С = тт - С/) + Ос;

дх а.

'дС/ + и

дт

дСР

_Р = /

дт

, Ср,Т) - МСр,Т) - ОР; (4)

Ря(С/ - С{) = лС, Ср, Т) - МСр, Т),

где й& — гидравлический диаметр канала; — скорость массопереноса через пограничный слой. Система уравнений (4) является одномерной математической моделью переноса и осаждения цезия в натриевых контурах, записанной в общем виде. Она должна быть дополнена начальными и граничными условиями. При применении (4) для расчета накопления цезия в контуре РУ за время НЭ начальными условиями являются нулевые концентрации цезия во взвешенном и в осажденном состояниях:

И; = о) = о (5)

[Ср(1 = 0) = 0.

При расчете аварийного процесса в качестве начальных условий могут быть заданы распределения концентраций цез

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком