Моделирование процессов окисления материалов активной зоны водо-водяных реакторов в условиях тяжёлых аварий на АЭС

• Автор: Шестак, Валерий Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Анализ подходов к моделированию процессов окисления материалов активной зоны водо-водяных реакторов в условиях тяжёлой аварии
1.1 Окисление материалов твэлов в условиях эксплуатации и тяжёлой аварии
1.2. Окисление таблеток карбида бора поглощающих стержней при тяжёлой аварии
1.3 Обзор подходов к моделированию процессов окисления материалов активной зоны
Глава 2. Разработка физических моделей процессов протекающих при окислении материалов АЗ в условиях тяжёлой аварии на АЭС и их численная реализация в рамках компьютерного кода 8УЕСНА/(2иЕНСН
2.1 Общая характеристика кода ЗУЕСНАЛиЕМСН
2.2 Разработка и имплементация в код моделей двумерной теплопроводности в твэле и теплообмена-массопереноса в потоке газовой смеси
2.2.1 Физическая модель двумерной теплопроводности в твэле
2.2.2 Физическая модель теплообмена и массопереноса в газовом канале
2.2.3 Реализация моделей в виде программных модулей и имплементация в код
2.3 Реализация и имплементация в код модели окисления и гидрирования циркониевой оболочки твэла при высоких температурах
2.3.1 Физическая модель окисления и гидрирования циркониевой оболочки твэла
2.3.2 Реализация моделей в виде программных модулей и имплементация в код
2.4 Разработка и имплементация в код модели окисления В4С в потоке водяного пара при высоких температурах
2.4.1 Физическая модель окисления В4С в потоке водяного пара при высоких температурах
2.4.2 Реализация модели в виде программного модуля и имплементация в код
2.5. Реализация и имплементация в код модели одновременного перемещения и окисления жидкой и-2г-0 блокады
2.5.1 Анализ экспериментальных данных по окислению и перемещению расплавленных материалов активной зоны
2.5.2 Физическая модель окисления и перемещения жидкой и-2г-О блокады
2.5.3 Реализация модели в виде программного модуля и имплементация в код
Глава 3 Моделирование высокотемпературного окисления оболочек твэлов и расплавленных материалов АЗ
3.1 Моделирование маломасштабных экспериментов по окислению оболочек твэлов
3.2 Моделирование маломасштабных экспериментов по окислению оболочек твэлов, имитирующих условия запроектной аварии
3.2.1 Методика проведения экспериментов и основные результаты
3.2.2 Результаты моделирования экспериментов
3.4 Моделирование окисления и перемещения расплавленных материалов АЗ
3.4.1 Моделирование окисления жидкой блокады в крупномасштабных экспериментах РНЕВШРР
3.4.2 Методика проведения и основные результаты экспериментов ССЖА-'9/1,У2
3.4.2 Результаты моделирования эксперимента С(ЖА-\Э
Глава 4. Моделирование окисления В.»С паром при высоких температурах
4.1 Результаты верификации модели по данным маломасштабных экспериментов
4.2 Моделирование поведения В4С стрежня в условиях крупномасштабного эксперимента диЕЫСН
Заключение
Список литературы

Введение
Для обеспечения безопасности АЭС важной задачей является прогнозирование поведения активной зоны реактора в условиях предполагаемой тяжёлой аварии (ТА). Одним из основных методов прогнозирования процессов протекающих в активной зоне (АЗ) реактора в аварийном режиме, наряду с экспериментальными методами, является компьютерное моделирование.
Поведение тепловыделяющих элементов (твэлов), составляющих основную часть активной зоны водо-водяного энергетического реактора, является определяющим при развитии аварии на АЭС. При аварии с потерей теплоносителя, вследствие осушения активной зоны реактора и падения давления в первом контуре, происходит разогрев твэлов из-за уменьшения отвода тепла с оболочек твэлов и остаточного тепловыделения в топливе. Интенсивное парообразование при повторном заливе активной зоны реактора водой приводит к экзотермическому окислению защитных оболочек твэлов, дальнейшей эскалации температуры и генерации водорода. В процессе повторного залива происходит интенсивное охлаждение циркониевых оболочек, что может привести к сквозному растрескиванию оболочек, имеющих сниженную пластичность вследствие окисления, или даже к фрагментации твэлов. Увеличение поверхности взаимодействия циркония с паром (внутреннее окисление оболочек и трещин) вследствие разрушения оболочек обусловливает интенсификацию окисления и увеличение выхода водорода.
Образующийся в процессе окислении циркониевых оболочек водород растворяется в окисленных и не окисленных частях оболочек твэлов со значительным экзотермическим эффектом и, в последующем при охлаждении, может образовывать гидриды, приводящие к снижению пластичности и прочности оболочек. Генерация водорода при повторном заливе представляет собой существенную угрозу с точки зрения безопасности, в случае перемешивания водорода с воздухом, водород может образовать взрывоопасную воздушноводородную смесь (как в случае Чернобыльской аварии в СССР 1986 г. на 4-ом блоке ЧАЭС).
В случае продолжающегося роста температуры активной зоны начинается плавление металлических фаз циркониевых оболочек твэлов. Жидкий металл растворяет топливные таблетки и внешний слой оксида. После разрушения внешнего оксидного слоя оболочек и быстрого стекания расплава в виде капель и ручейков в более холодные области активной зоны возможно формирование массивного расплава J-Zi-0, который может частично или полностью блокировать канал охладителя. Сформировавшаяся массивная блокада медленно перемещается вниз, растворяя элементы активной зоны, интенсивно окисляясь и приводя к дальнейшей эскалации температуры и генерации водорода (как при аварии на АЭС "Три-
Майл-Айленд" в США 1979 г., где произошло расплавление примерно половины АЗ водоводяного реактора).
Другим материалом, окисление которого может существенным образом влиять на сценарий протекания тяжёлой аварии с разрушением активной зоны реактора, является карбид бора, который широко используется как поглотитель нейтронов в западных реакторах и российских ВВЭР. В течение предполагаемой тяжелой аварии В4С реагирует с ближайшей к нему стальной оболочкой и формирует эвтектику при температуре 1200°С, намного ниже по сравнению с температурой плавления отдельных компонентов поглощающего стержня. В результате разрушения стальной оболочки материал поглотителя может быть подвержен взаимодействию с паром в активной зоне реактора. Окисление В4С паром является сильно экзотермической реакцией и производит в 6 — 7 раз большее количество водорода по сравнению с окислением такой же массы циркония. Кроме того, в результате этой реакции формируются газообразные вещества, содержащие углерод и бор (в том числе горючие, такие как СН4, СО), которые могут существенно изменить химические взаимодействия продуктов деления ядерного топлива. В частности, могут сильно повлиять на выход йодистых органических соединений.
Вышеописанные процессы окисления материалов АЗ реактора подробно исследовались в маломасштабных экспериментах в изотермических условиях и с переменной температурой, проводимых в различных лабораториях в России и за рубежом. Влияние процессов окисления на разрушение активной зоны реактора в процессе тяжелых аварий исследовалось в экспериментах со сборками имитаторов твэлов на крупномасштабных стендах.
В представляемой работе моделируются следующие процессы, протекающие в активной зоне реактора в условиях ТА: теплопроводность и теплообмен в твэле; окисление циркониевой оболочки твэла; окисление таблеток В4С водяным паром; одновременное окисление и перемещение жидкого J-Zr-0 кориума в форме массивной блокады канала теплоносителя.
Целью представляемой работы является:
• разработка физических моделей окисления материалов АЗ на базе анализа маломасштабных экспериментов и их численная реализация в рамках исследовательского компьютерного кода 8УЕСНА/()иЕМСН (8/С>), разрабатываемого при непосредственном участии автора для описания процессов, протекающих в твэле в условиях ТА на АЭС;
• верификация кода Э/(Э на базе маломасштабных и крупномасштабных экспериментов, имитирующих процессы разрушения твэлов и твэлъных сборок в условиях ТА, для подтверждения адекватности реализованных физических моделей, программных модулей и кода в целом;

„(о Л) ЛО,Щ 2)1
ох “

рЬ) ГигО)
(20)
где п’/ - концентрация кислорода в стехиометрическом оксиде 7.гОг на границе с газовой фазой. Таким образом, уравнение (20) задаёт связь граничных условий окислительной задачи с решением задачи о гидрировании оболочки.
Стыковка модулей окисления и гидрирования оболочки с модулем, описывающим течение газовой смеси в канале, осуществлена явным образом. На первом шаге по времени начальное распределение компонентов газовой смеси в объёме, вычисленное газодинамическим модулем, передаётся в модуль окисления-гидрирования оболочки твэла. В этих модулях вычисляются потоки массы пара и водорода в объём газовой смеси (по результатам вычислений потока кислорода в оболочку) и передаются в газодинамический модуль. После решения уравнений массопереноса и теплообмена в газовой смеси с фиксированными значениями источников массы из-за окисления-гидрирования оболочки рассчитывается новое распределение компонентов газовой смеси по оси твэла в объёме канала, и так далее.
Такие процессы, как окисление оболочки твэла и её механическое поведение в условиях тяжёлой аварии, существенным образом связаны друг с другом. Экспериментальные исследования по воздействию на оболочки внутренним давлением при одновременном окислении показывают упрочняющий эффект окисления на механические свойства оболочки. Окисление может многократно увеличить время до разрушения. Другое следствие окисления - увеличение хрупкости материала оболочки. С другой стороны, деформация оболочки и последующее растрескивание или полное разрушения ХхОг снижает защитные свойства оксидного слоя, следовательно, тем самым облегчается транспорт кислорода к металлическим слоям и интенсифицируется окислительная реакция.
Наружный оксид оболочки считается всегда упругим... хрупким -.материалом, -а металлические слои деформируются как упруго, так и за счёт деформации ползучести. Прочность оксидного слоя уменьшается с возрастанием температуры. Предполагается, что разрушение оксидного слоя происходит, когда максимальное главное растягивающее напряжение в нём достигает предельного значения (обычно это окружные напряжения). Ориентация трещин в оксиде такова, что поверхность трещин перпендикулярна максимальному растягивающему напряжению (если это окружные напряжения, то линии трещин имеют осевое направление). После растрескивания оксида на его внутренней поверхности при продолжающемся окислении нарастает новый слой, обладающий несущей способностью и влияющий на деформационное поведение оболочки. Растрескивание