Моделирование взаимодействия тепловыделяющего расплава с бетоном кодом HEFEST-EVA

Моисеенко Е. В.ИБРАЭ РАНМеждународная школа-семинар по ядерным технологиям для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Черемшанские чтения»24 - 27 апреля 2011 года, г. Димитровград

Где это может произойти?

Пока есть АЭС без УЛР, есть опасность выхода расплава в бетонную шахту

Потеря контроля над охлаждением бассейна выдержки или перегрузочного бассейна может привести к плавлению топлива

В УЛР может происходить взаимодействие расплава с бетоном (EPR, АЭС-2006)

Какие явления с этим связаны?

Плавление бетона и выход расплава в окружающую среду

Выход горючих газов (H2, CO) в ЗО и детонация

Разогрев атмосферы в ЗО и термическое повреждение конструкций

Выход радиоактивных ПД из расплава с последующим проникновением в окружающую среду

Какие есть расчётные средства?

«Many western codes, including SCDAP/RELAP5, MELCOR, CONTAIN, ICARE2, ATHLET-CD, are available in Russia for the analysis of severe accidents in VVERs».

Зарубежные автономные коды (CORCON, ASTEC/MEDICIS)

Разработки ИБРАЭ (CONV2D, HEFEST-EVA)

Safety research needs for Russian-designed reactors. OECD, 1998

Зачем же что-то ещё?

Проблемы лицензирования Доступность новых версий Качество моделей Совместимость с

другими расчётными средствами (СОКРАТ,HEFEST-CC)

Основные процессы Остаточное объёмное тепловыделение Разложение бетона шахты Плавление бетона и перемешивание с кориумом Химические реакции в расплаве Конвективный теплообмен в расплаве Унос тепла с верхней границы расплава Выход неконденсируемых газов Выход аэрозолей

H2OCO2

Хим. реакции

H2

CO

Mo Ru Sb Te

SrO CsI …

Основные процессы – разложение бетонаТемпературный

диапазонХимические реакции Характерные

затраты энергии, кДж/моль

700800 К Са(ОН)2 = СаО + Н2ОMg(ОН)2= MgО + Н2О

99,574,1

11001200 К СаСО3 = СаО + CO2

MgСО3 = MgО + CO2

165,586,7

H2OCO2

Основные процессы – химические реакции в расплаве

H2OCO2

Реакции на фронте плавления

Перенос материалов в

ванну расплаваРеакции в объёме

расплава

Н2

CО

Выход газов

SiO2

Zr Zr Fe Cr

Si Ni

Fe3O4

Основные процессы – химические реакции в расплавеХарактерные для бетона и УЛР (водяной пар, гематит)

Окисление циркония:Zr + 2H2O = ZrO2 + 2H2 Fe2O3 + 1.5Zr = 2Fe + 1.5ZrO2

Окисление хрома и никеля:Сr + 1.5H2O = 0.5Сr2O3 + 1.5H2

Ni + H2O = NiO + H2

Fe2O3 + 2Cr = 2Fe + Cr2O3

Fe2O3 + Ni = 2FeO + NiO

Восстановление гематита:Fe2O3 = 2FeO + 0.5O2

Окисление свободного железа:Fe + 0.5O2 = FeOFe + H2O = FeO + H2

Характерны для бетона (углекислый газ, кремний)

Окисление циркония:Zr + 2CO2 = ZrO2 + 2COZr +SiO2 = ZrO2 + Si

Окисление хрома, никеля и кремния:Сr + 1.5CO2 = 0.5Сr2O3 + 1.5CONi + CO2 = NiO + COSi + 2 H2O = SiO2 + 2 H2

Si + 2 CO2 = SiO2 + 2 CO

Окисление свободного железа:Fe + CO2 = FeO + COFe + H2O = FeO + H2

Основные процессы – выход аэрозолей Вынос паров в пузырьках с последующей конденсацией

Образование брызг при лопании пузырьков

FeН2

СОCs2O

CaO

Ru

Н2 FeСО Ru FeCaO

RuFeCaO

Ru

Основные процессы – выход аэрозолейВ расплаве: Топливо, цирконий, компоненты стали (и их оксиды) и бетона: Fe, Cr, Ni, FeO, Cr2O3, NiO, UO2, Zr, Zr2O3, SiO2, CaO, Na2O, K2O, Al2O3, Si Продукты деления:Cs, I, Mo, Ru, Ba, Sr, La, Ce, Eu, Nd, Nb, Sb, Te

Покидают расплав:Fe, Cr, Ni, Mo, Ru, Sb, Te, CaO, Al2O3, SiO2, CaO, Na2O, K2O, UO2, ZrO2, Cs2O, BaO, SrO, La2O3, CeO2, NbO, CsI

Основные процессы – конвекция в расплаве

Модель анизотропной эффективной теплопроводности:R,Z (T)=R,Z Н(T) R,Z (T,l)=R,Z Н(T)

Н(T) – теплопроводность без учёта конвекцииR,Z – конвективный множитель, зависит от числа Нуссельта

Результат расчёта

Масса, кг

ZrO2 7197

Zr 2450

UO2 78 690

Сталь 75 480

Компоненты Массовые доли

SiO2 0.154

MgO 0.010

CaO 0.589

Fe2O3 0.000

Al2O3 0.027

H2O 0.075

CO2 0.145

Кориум

Бетон

Глубина проплавления Выход Н2 и СО

Выход ПД

Дальнейшее развитие

Изменение плотности материалов при плавлении

Расширение валидационной базы

Спасибо!

http://моисеенко.рф/doc/Moiseenko-Cherem.ppt