Федеральное агентство по атомной энергииФедеральное агентство по атомной энергииГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени А.И.имени А.И. ЛейпунскогоЛейпунского

«Анализ пространственных «Анализ пространственных эффектов при эффектов при

распространении водорода в распространении водорода в объеме контейнмента»объеме контейнмента»

А.Д. Ефанов, А.Д. Ефанов, Н.М. Витушкина,Н.М. Витушкина, А.А. Лукьянов, А.А. ЗайцевА.А. Лукьянов, А.А. Зайцев

5-й международная научно-техническая конференция5-й международная научно-техническая конференция«Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР«Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР

Принципиальная схема АЭС с ВВЭР-1000

Область применения - обоснование водородной безопасности в замкнутом объеме защитной оболочки при аварии с течью теплоносителя 1-го контура на АЭС с ВВЭР

Процессы: конвективное течение парогазовых смесей с тепловыделением в объеме; поверхностная и объемная конденсация водяного пара; распространение пара и водородосодержащих смесей.

Характер процессов:нестационарный;дозвуковойОсобенности:-все процессы протекают при практически постоянном давлении в пределах данного объема в фиксированный момент времени; -имеют место большие изменения плотности вследствие концентрационного расслоения и тепловыделения за счет химических реакций, а также перемещения жидкости, связанные с расширением.

Среда:однофазная;многокомпонентная

Требования к коду:необходимая степень детализации расчетных областей и протекающих процессов.

Для аварии с течью теплоносителя 1-го контура на АЭС с ВВЭР

Основные уравнения модели сжимаемого газа

• уравнение состояния газа

• уравнение сохранения импульса

• уравнение неразрывности

RT

P )()(

*

m

mc

1

)() (

gPuuu

mQudiv ) (

Основные уравнения модели сжимаемого газа

• уравнение энергии для газовой смеси mmP constC

m

m

mpV

mmm

mpP

P QCTQd

dPcDCTTdivuTC

TC

*

mmmmm cDdivQuc

c

•уравнение переноса газовых компонентов для

массовых концентраций

Модель поверхностной конденсации

Массовый поток пара ff

fv

wv Trj

rf f

fT- теплота парообразования;

- теплопроводность и толщина пленки конденсата;

- перепад температур на пленке конденсата.

Распределение парциального давления пара

(**) )()()( v0

0vv

vvboundboundbound

bound

boundbound TT

T

PPTT

TT

PPPTP

Плотность пара в пограничном слое

*** )(

)(vv

v RT

TTTP

PT

boundbound

Изменение плотности парав пограничном слое при конденсации перегретого парав объеме 1 – распределение (***)2 – линия насыщения

(*)

Метод решенияМетод решения

Приводя уравнение неразрывности к виду:

Sourceudiv

где Source - выражение, определяемое через диффузионные члены уравнения переноса,

можно использовать алгоритмы решения, разработанные для моделей течения несжимаемой среды

n

mnnnmnn guuPuu

*11111

nmnmnmn SourceudivPP 1111

Для решения уравнений переноса импульса и неразрывности используется следующая итерационная процедура (явная схема), здесь m- номер итерации:

где: > 0 - итерационный параметр, - шаг по времени, n- номер временного слоя

Верификация модели сжимаемого газа Международная стандартная задача ISP-47

Установка THAI, объем 60м3

Контейнмент установки THAI

Трехмерная нодализация установки THAI (22х66х10=14500)(22х66х10=14500)

Верификация модели сжимаемого газа Международная стандартная задача ISP-47

Результаты расчетов, установка ThAI

Расчетное поле концентрации гелия к моменту окончания напуска He (2600 с);в нижней части установки - от 0 до 2%, в верхней части - от 25 до 30%,

а) модель установки

-1.5

-1

-0.5

0

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

z

0

2

4

6

8

X Y

Z

He

0.310.280.250.220.190.160.130.10.070.040.01

б) нижний коллектор,h=1,7 м

в) выгородка, h=4,6 м г) h=7,7 м

r

fi

-1.5 -1 -0.5 0

-1

-0.5

0

0.5

1

He

0.310.280.250.220.190.160.130.10.070.040.01

H = 4,6 m

r

fi

-1.5 -1 -0.5 0

-1

-0.5

0

0.5

1

He

0.310.280.250.220.190.160.130.10.070.040.01

H = 7,7 m

r

fi

-1.5 -1 -0.5 0

-1

-0.5

0

0.5

1

He

0.310.280.250.220.190.160.130.10.070.040.01

H = 1,7 m

Верификация модели сжимаемого газа Международная стандартная задача ISP-47

0 1 0 0 0 2 0 0 0Â ð å ì ÿ, ñ

0

0 .1

0 .2

0 .3Ê

îíöå

íòðà

öèÿ

ãåëè

ÿ (î

áúåì

íûå

äîëè

) ê î ä Ê Ó Ï Î Ë -Ìê î ä Ê Ó Ï Î Ë -3 Dýê ñï åð è ì å í ò

0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0Âð å ì ÿ, ñ

0

0 .0 4

0 .0 8

0 .1 2

0 .1 6

Êîí

öåíò

ðàöè

ÿ ãå

ëèÿ

(îáú

åìíû

å äî

ëè) Â û ãî ð î ä ê à , Í = 4 .6 ì

ê î ä Ê Ó Ï Î Ë -Ìê î ä Ê Ó Ï Î Ë -3 Dýê ñï åð è ì å í ò

0 1 0 0 0 2 0 0 0Â ð å ì ÿ, ñ

0

0 .0 0 4

0 .0 0 8

0 .0 1 2

0 .0 1 6

Êîí

öåíò

ðàöè

ÿ ãå

ëèÿ

(îáú

åìíû

å äî

ëè) Í è æ í è é ê î ë ë å ê òî ð , Í = 1 .7 ì

ê î ä Ê Ó Ï Î Ë -Ìê î ä Ê Ó Ï Î Ë -3 Dýê ñï åð è ì å í ò

0 2 4 6 8 1 0Â û ñî òà , ì

0

0 .1

0 .2

0 .3

Êîí

öåíò

ðàöè

ÿ ãå

ëèÿ

(îáú

åìíû

å äî

ëè) ê î ä Ê Ó Ï Î Ë -Ì

ê î ä Ê Ó Ï Î Ë -3 D

а) Эволюция во времени расчетной концентрации гелия в верхней части модели установки THAI

б) Эволюция во времени расчетной концентрации

гелия над кольцевым зазором модели установки THAI

в) Эволюция во времени расчетной концентрации

гелия в нижней части модели установки THAI г) Распределение по высоте расчетной концентрациигелия для r = 1.05 м в модели установки THAI

Моделирование аварии с выбросом водорода в подкупольное пространство

расчетная область(20х34х9=6120)

r-20 -10 0 10 20

fi

0

5

10

15

20

z

0

10

20

30

Y

X

Z

H2

0.140.130.120.110.10.090.080.070.060.050.040.03

TIME = 20s

r-20 -10 0 10 20

fi

0

5

10

15

20

z

0

10

20

30

Y

X

Z

H2

0.140.130.120.110.10.090.080.070.060.050.040.03

TIME =360s

Заполнение водородосодержащей смесью подкупольной области

№ выход конденсация

1 закрыт нет

2 закрыт есть

3 открыт есть

Моделирование аварии с выбросом водорода в подкупольное пространство

0 1000 2000 3000Âðåì ÿ , ñ

200000

300000

400000

500000

600000

700000

Äàâ

ëåí

èå, Ï

à

âàðèàí ò 1âàðèàí ò 2

0 1000 2000 3000Âðåì ÿ , ñ

0.0004

0.0006

0.0008

0.001

0.0012

Óä

åëüí

ûé

ïîòî

ê êî

íäåí

ñàòà

, êã

/(ì

2. ñ)

Âåðòèêàë üí û å ñòåí êèÏ î òî ë î êÏ î ë

0 1000 2000 3000Âðåì ÿ , ñ

0

2

4

6

8

10

Ñë

èâ

êîíä

åíñà

òà, (

êã/ñ

)

Ñ óì ì à ñî âñåõ ï î âåðõí î ñòåéÐàñõî ä í à âõî ä åÑë èâ ñ âåðòèêàë üí û õ ñòåí î êÑë èâ ñ ï î ë àÑë èâ ñ ï î òî ë êà

Эволюция среднего давления 1 вариант – без учета конденсации пара на стенках, 2 вариант – с учетом конденсации.

Эволюция удельного потока конденсата Эволюция слива конденсата

Моделирование аварии с выбросом водорода в подкупольное пространство

0 400 800 1200 1600Âðåì ÿ , ñ

-12

-8

-4

0

4

Îòê

ëîí

åíèå

, %Отклонение доли объема, занимаемого процессом дефлаграции, для разных нодализационных схем (6 120 и 153 000 контрольных объемов)

Динамика движения точки по зонам с разными концентрациями пара, воздуха и водорода

100 80 60 40 20 0п ар , %

0

20

40

60

80

100

во здух , %

0

20

40

60

80

100

водо

род ,

%д ето н ац и яд еф л агр ац и яr= 0 .7 5 м , = 0 o , z= 3 2 .5 м

Выводы• Разработана оригинальная версия модели СДТ, реализованная в

виде кода KUPOL-3D. Она описывает течение сжимаемой среды с учетом переменной плотности, зависящей от общего уровня давления, температуры и компонентного состава среды, инерцию и естественную конвекцию существенно неоднородной смеси, расширение за счет внутреннего тепловыделения и нагрев за счет работы сжатия.

• Верификация пространственной СДТ модели на основе экспериментальной базы Международной стандартной задачи ISP47 (эксперимент THAI) показала удовлетворительное согласование расчетных локальных характеристик с экспериментами.

• Выполненные расчеты показали, что код KUPOL-3D может быть использован при анализе водородной безопасности контейнментов АЭС с ВВЭР для получения численных оценок локальных характеристик тепло- и массообменных процессов, необходимых для разработки рекомендаций по проектированию системы аварийного удаления водорода.