№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 629.039.58,532.54
РАЗРАБОТКА И ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ КОНДЕНСАЦИИ ДЛЯ CFD РАСЧЕТОВ ЗАДАЧ ВОДОРОДНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АЭС
© 2014 г. ГРИГОРЬЕВ С.Ю.12, ФИЛИППОВ А.С.12, ЩУКИН А.А. 1
1Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН (ИБРАЭ РАН), г. Москва 2Московский физико-технический институт E-mail: phil@ibrae.ac.ru
Рассмотрен подход к моделированию конденсации в задаче расчета состояния атмосферы под защитной оболочкой (ЗО) ядерного реактора в условиях тяжелой аварии с разрушением активной зоны. Происходящие при аварии процессы под ЗО характеризуются выходом большого количества пара из первого контура реактора и ростом давления, а при разрушении активной зоны — выходом значительного количества водорода. Общий рост давления под ЗО, возможность стратификации водорода и превышение его локальной концентрацией порога воспламенения создают угрозу целостности защитной оболочки. Существенную роль здесь играет конденсация пара, которая, понижая общее давление, локально может способствовать повышению концентрации водорода. В работе кратко описаны общие подходы к моделированию процессов под ЗО, основанные на вычислительной гидродинамике (CFD), выработанные практикой применения CFD к подобным задачам, и модель конденсации пара из смеси газов, разработанная авторами. Рассмотрены результаты проверки модели на нескольких экспериментах: TOSQAN ISP-47, выполненный на установке TOSQAN в международном проекте ISP-47, и эксперименты MERCO-0, MER-CO-2, выполненные на установке MISTRA в международном проекте ERCOSAM— SAMARA. Эксперименты проводились в несколько стационарных и нестационарных стадий, в их процессе в сосуде давления возникала смесь пара и неконденсируемых газов, из которой на стенки установки конденсировался пар. Проверка на влияние сеточного разбиения была выполнена при моделировании экспериментов TOSQAN ISP-47, зависимость результата от сеточного разбиения найдена незначительной. В расчетах получено хорошее совпадение результатов расчетов с экспериментальными. Некоторые систематические отклонения по давлению могут быть отнесены к неточностям моделирования турбулентного тепломассообмена, отражающимся также в коэффициентах модели конденсации.
Ключевые слова: защитная оболочка реактора, водородная безопасность, конденсация, CFD, установка TOSQAN, установка MISTRA, ISP-47, проект ER-COSAM-SAMARA.
DEVELOPMENT AND VALIDATION OF CONDENSATION MODEL FOR CFD INVESTIGATIONS OF NPP CONTAINMENT SAFETY DURING A SEVERE ACCIDENT
Grigoryev S.Yu.12, Filippov A.S.12, Shyukin A.A.1
1Nuclear Safety Institute of Russian Academy of Sciences (IBRAE), Moscow, Russia 2Moscow Institute of Physics and Technology, Moscow, Russia
E-mail: phil@ibrae.ac.ru
In the paper the approach is considered to modeling of steam condensation in NPP containment in the conditions of loss-of-coolant severe accident. During such an accident, large amounts of steam release from the break and large amounts of hydrogen would be generated due to core degradation and released into the containment as well. The integrity of the containment could be threatened due to pressurization and presumable hydrogen combustion. The important role in the containment pressurization and possible formation of stratified hydrogen layers and local "pockets" with a higher concentration is played by steam condensation on the walls of facilities and in the bulk containment of atmosphere. CFD codes are very promising as predictive codes for determination of the risk associated with the presence of hydrogen in NPP containments. The approaches to simulation of containment thermal hydraulics are briefly characterized, which were developed in author's practice of application of CFD code FLUENT to these problems. The model of condensation developed for use in CFD calculations is then described. It is based on the turbulent wall functions close to that in standard k— s turbulence model. The results of model validation on several tests are presented, namely: TOSQAN ISP-47 test performed on TOSQAN facility (IRSN, France) in ISP-47 project, and MERCO-O, MERCO-2 tests carried out on MISTRA facility (CEA, France) in ERCOSAM-SAMARA projects. These experiments had several stages, transient and steady. During the test sequences the mixture of steam and noncondensable gases arose and wall condensation occurred that was modeled in CFD simulations. The check for grid dependence was performed in simulation of TOSQAN ISP-47 test using the two spatial discretization schemes, with a nominal and half cell sizes. As a whole, the good agreement was obtained of simulation results with the experimental. Some obtained systematic deflections may be likely related to some discrepancies in modeling of turbulent heat and mass transfer and wall functions used in the condensation model.
Key words: NPP containment, NPP safety, condensation, CFD, TOSQAN facility, MISTRA facility, ISP-47, ERCOSAM—SAMARA projects.
Введение. При запроектной аварии водо-водяного реактора, связанной с течью из первого контура, в пространство под защитной оболочкой (ЗО) из образовавшегося отверстия выходит в большом количестве пар, а в случае выкипания теплоносителя и оголения ТВЭЛов в активной зоне реактора пар реагирует с циркониевыми оболочками твэлов и высвобождает водород, который выходит вместе с паром. Возможное количество выходящего пара и водорода достаточно для того, чтобы давление в гермо-объеме под ЗО превысило порог ее разрушения. Водород, имея малую плотность, может скапливаться в верхней части помещений (стратификация) в концентрациях, превышающих порог воспламенения воздушно-водородной смеси (4% и более), что также создает угрозу целостности оболочки.
Рост давления и образование водородо-воздушной смеси с локально высокой концентрацией должен сдерживаться системами безопасности (спринклеры, конденсаторы-теплообменники (КТО), пассивные автокаталитические рекомбинаторы (ПАР)). Анализ результатов работы и оптимизация размещения этих систем путем натурных испытаний в реальных объемах практически неосуществимы, и основную роль в этом играют расчеты и модельные эксперименты. Проблематика, связанная с оценками выхода и перераспределения пара и водорода под ЗО легководного реактора (без рас-
смотрения горения и детонации) далее кратко будет именоваться как водородная безопасность (ВБ).
Приоритетные направления исследований в области ВБ изложены, например, в [1]. Одна из основных целей проведения экспериментов в этой области состоит в проверке средств расчетного анализа. Примером может служить международный расчетно-экспериментальный проект ERCOSAM—SAMARA [2], посвященный анализу работы систем безопасности в условиях, прототипных по отношению к реальным (с учетом масштаба используемых экспериментальных установок). В этом проекте, как и в аналогичных, все этапы проведения экспериментов (подготовка, проведение, анализ) сопровождались расчетной поддержкой с использованием разного рода программных средств.
Численное решение задач ВБ сопряжено с трудностями, имеющими три общие причины: 1) многообразие физических явлений, существенных для происходящего; 2) сложное пространственное строение моделируемых подобластей, имеющих большие размеры, большое количество внутренних границ и деталей при нерегулярной структуре; 3) большая длительность процессов при непрерывном изменении состояния атмосферы под ЗО. Проблемы, связанные с физикой, требуют построения и внедрения в гидродинамический расчет соответствующих моделей явлений, проблемы пространственного построения требуют достаточно громоздких сеточных моделей, проблема большой длительности требует эффективных численных методов, позволяющих получать приемлемую точность при больших шагах по времени.
В настоящей работе основное внимание уделено первой группе проблем. Рассмотрены эксперименты, моделирующие процессы при действии пассивной системы отвода тепла от атмосферы ЗО и конденсации пара, обеспечиваемые циркуляцией холодной воды в контуре охлаждения (конденсатор-теплообменник). Физические явления, рассматриваемые при анализе ВБ в такой системе — общие для всех задач моделирования состояния гермообъема при тяжелой аварии на АЭС:
— конвективная диффузия в неоднородной по составу и температуре смеси газов при формировании стратификации водорода в процессе выхода смеси газов из первого контура и при разрушении стратификации конвективными потоками различного происхождения;
— конденсация пара из смеси газов — в объеме, на стенках, на внутренних перегородках и др., до включения и при включении систем безопасности.
Перспективными расчетными средствами решения задач водородной безопасности считаются методы многомерной вычислительной гидродинамики (CFD), основанные на корректной пространственной аппроксимации решаемых уравнений на моделируемых подобластях [3—6]. Вследствие большого количества помещений под ЗО и большой длительности процесса CFD пока может использоваться только для моделирования ограниченного числа помещений всего гермообъема ЗО, а для всей конструкции — при больших упрощениях. Возможности распараллеливания расчета позволяют рассчитывать на переход к более подробным пространственным моделям, но перед этим следует обеспечить корректное моделирование физики явлений.
В настоящей работе кратко охарактеризованы работы по адаптации к задачам ВБ кода FLUENT [7] и по разработке модели конденсации пара из газовой смеси. Описана верификация модели на экспериментах по конвективному движению газовых смесей и конденсации, проведенных на установках различной степени сложности.
Общие подходы к CFD моделированию процессов под ЗО
Физические процессы под ЗО при тяжелой аварии определяют требования к расчетным CFD кодам и направления их доработки, адаптации верификации. Базовые расчетные возможности, имеющиеся в коде FLUENT, в целом составляют достаточную основу для дальнейшей специализации в задачах комплексного моделирования атмосферы под ЗО при ТА, а именно: набор моделей турбулентности, модель смеси га-
зов, достаточно быстрые неявные
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.