Статья: Верификация моделей осаждения аэрозолей в коде СОКРАТ/В3 на данных эксперимента FALCON

7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

17-20 мая 2011 г.

Верификация моделей осаждения аэрозолей в коде СОКРАТ/В3 на данных эксперимента FALCON

А.Е. Киселев

В.Д. Степнов

Д.Ю. Томащик

С.В. Цаун

ИБРАЭ РАН, Москва, Россия

Основным инструментом для анализа сценариев запроектных аварий с плавлением активной зоны являются интегральные коды улучшенной оценки. В ИБРАЭ РАН на основе кода СОКРАТ/В1 [1] создан расчетный код СОКРАТ/В3 [2, 3], который предназначен для оценки радиационных последствий запроектных аварий с плавлением активной зоны на АЭС с РУ ВВЭР. Интегральное программное средство СОКРАТ/В3 комплексно описывает развитие различных, существенных для поведения продуктов деления (ПД), процессов от исходного события до аварийного выброса радиоактивных веществ в окружающую среду. С помощью кода СОКРАТ/В3 сквозным образом решаются следующие самосогласованные задачи: накопление ПД во время нормальной эксплуатации реактора, выход ПД из топлива под защитную оболочку твэла, разрушение оболочки твэла и выход ПД в первый контур, поведение ПД в первом контуре и выход ПД в защитную оболочку (ЗО), выход паров ПД и конструкционных элементов из ванны расплава в напорной камере реактора, поведение ПД в ЗО и выход их в окружающую среду. Одним из многочисленных явлений, которое моделируется с помощью кода СОКРАТ/В3, является осаждение аэрозолей за счет гравитации, диффузии в ламинарном и турбулентном потоках, турбофореза, термофореза и диффузиофореза. Верификация моделей осаждения проводилась на данных различных экспериментов (например [4]), в том числе и на данных эксперимента FALCON. В данной работе представлено сопоставления экспериментальных данных, полученных в результате двух тестов (FAL-ISP 1 [5] и FAL-ISP 2 [6]) на установке FALCON, с результатами расчета по коду СОКРАТ/В3.

Описание экспериментов FALCON

Эксперимент FAL-ISP 1 проведен 4 июня 1992 году на установке FALCON в Winfrith Technology Centre для исследования переноса и осаждения продуктов деления в первом контуре и контейнменте реакторной установки. Первый из серии тестов FAL-ISP 1 воспроизводил стадию развития тяжёлой аварии с низкой относительной влажностью в контейнменте (50%) и достаточно высокой концентрацией частиц, для исследования столкновений частиц многокомпонентной аэрозоли, включающих различные химические элементы в своём составе. Исследовались также процессы агломерации аэрозолей. Особенностью всей серии экспериментов является точный подсчёт всех имевших место химических реакций, хорошая статистика частиц аэрозоли и высокий уровень измерительной аппаратуры. Эксперимент FAL-ISP 2 проведен 19 августа 1992 году на той же установке. Основное отличие экспериментов ISP1 и ISP2 состоит в том, что в ISP1 несущей средой являлся почти чистый гелий, а в ISP2 водяной пар. Так же в экспериментах различались массы инжектируемых продуктов делении и режимы работы индукционных печей.

На рисунке 1 показана общая схема экспериментальной установки FALCON. Установка состоит из индукционной печи мощностью 40 кВт, в которой размещены образцы топливных и контрольных стержней, помещенных в кварцевый сосуд высотой 260 мм и внутренним диаметром 58 мм. Через отверстие в дне сосуда инжектировался гелий, а через верхнюю крышку смесь водяного пара и раствора борной кислоты. К кварцевому сосуду через отверстие в верхней части боковой стороны была подсоединена горизонтальная кварцевая термоградиентная трубка (участок с внутренним диаметром 35 мм, длиной 10 см и затем участок с внутренним диаметром 25 мм, длиной 38 см). Термоградиентная трубка связана с отверстием в днище сосуда-оболочки (контейнмента) объемом 0,3 м³ через трубку из нержавеющей стали. Выходная улавливающая система представляет собой трубу, которая заполнена стекловолокном. Улавливающая система соединена с выходным отверстием контейнмента для сбора примесей, оставшихся в газе носителе. Верхняя секция кварцевого сосуда и внутренние поверхности термоградиентной трубки покрыты фольгой из нержавеющей стали. На внутреннюю поверхность контейнмента помещены фрагменты из этой же фольги.

Продукты деления выходят как из образцов имитаторов топлива, так и из слабо облученного топлива при разогреве до 3000 K в индукционной печи. Свойства паров продуктов деления и аэрозолей исследуются с помощью соответствующей аппаратуры включающей в себя масс-спектрометр, гамма лучевой спектроскоп, анализатор аэрозолей с набором фильтров и образцов из фольги для осаждения взвешенных аэрозолей для последующего поэлементного, химического и морфологического анализа.

Для нагрева кварцевой рабочей трубки используется специально сконструированная печь, имеющая 5 независимых зон нагрева, каждая длиной 60 мм, тем самым имеется возможность обеспечить изменение температуры вдоль трубки. Для нагрева трубки из нержавеющей стали используется ленточное сопротивление так, что температура несущего газа, входящего в контейнмент, может контролироваться. Защитная оболочка нагревается заранее до 50°С перед каждым экспериментом. Для поддержания на нужном уровне температуры в сосуде используется изоляция из стекловолокна.

Температура топлива измеряется с помощью термопар. Они также используются для измерения температуры прокладок из фольги в термоградиентной трубке, поверхности трубки из нержавеющей стали, а также поверхностей и атмосферы под защитной оболочкой. Относительная влажность внутри контейнмента измеряется при помощи двух измерителей влажности, расположенных на дне и у поверхности верхней крышки сосуда.

Рисунок 1. Общая схема установки FALCON

Упрощенная схема модели реактора, показанная на рисунке 2, представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд из керамики с размещенными в нем образцами твэлов. Сосуд (26064 мм) имеет дополнительную теплоизоляцию между образцами твэлов и внутренней цилиндрической поверхностью, выполненную из циркония высокой плотности. Нагрев осуществляется индукционным методом. Максимально возможная температура разогрева образцов -- 3000 К. В нижней части имеется отверстие для подвода газа в сосуд. Подвод газа и пара возможен и в верхнюю часть сосуда. В верхней части основной сосуд имеет боковой горизонтальный «рукав», моделирующий аварийную петлю контура циркуляции реактора. «Рукав» или термоградиентная трубка выполнена из керамики и представляет собой цилиндрическую трубку переменного диаметра: первый ее участок диаметром 35 мм имеет длину 100 мм и второй диаметром 25 мм -- 350 мм. По всей длине термоградиентная трубка бланкирована выемной фольгой из нержавеющей стали. Вдоль наружной поверхности имеется профилированный электрический обогрев термоградиентной трубы, для моделирования необходимых граничных условий. Максимальная температура внутренней поверхности трубки в месте соединения с основным сосудом может достигать 1300 К, а максимальный перепад температуры вдоль трубки -- 1000 К. Далее термоградиентная трубка соединена со стальной трубкой диаметром 25 мм и длиной 800 мм. Стальная трубка входит в емкость, моделирующую контейнмент. Модель контейнмента представляет собой герметичный стальной куб (740750550 мм). Относительная утечка из куба составляет менее 10% объема в сутки при давлении 1,1•10⁵ Па. Стенки куба могут прогреваться до температуры 430 К. Поверхность куба покрыта полистереном и стекловатой для уменьшения потерь тепла от его поверхности. Внутреннее покрытие стен и пола может быть легко удалено для выполнения анализа осаждений продуктов деления в процессе экспериментов. Куб может быть изолирован от основной части модели посредством двух задвижек. В одной из стен куба врезан трубопровод для вывода газовой среды в специальные фильтры.

Рисунок 2. Упрощенная схема экспериментальной установки FALCON, используемая для расчетов

Образцы топлива представляют собой отдельные таблетки UO₂, размещенные в трубке из циркалоя-2 в среде гелия под давлением 1 атм. Трубки заварены с обоих концов. Таблетки UO₂ изготовлены из обедненного порошка UO₂ с количеством продуктов деления, характерным для топлива с высоким выгоранием. Вес одной таблетки -- 18,16 г. Максимальное количество образцов, используемых в тесте - семь.

Образец контрольных стержней представляет собой стальную трубку диаметром 8,75 мм с запаянными в ней 1,3 г поглощающего материала (80% Ag, 15% In, 5% Cd).

FALCON является многоцелевой универсальной установкой, способной обеспечить исследование, как индивидуальных явлений, так и интегральных эффектов с целью развития и верификации компьютерных кодов, используемых для анализа тяжелых аварий.

Разогрев топливных образцов и образцов поглотителя происходил в паро-гелиевой среде. Состав несущей среды и количество стержней в экспериментах FAL-ISP1 и FAL-ISP2 показаны в таблице 1. Пар с раствором борной кислоты подавался в верхнюю часть основного керамического сосуда, над топливными образцами. Гелий подавался через нижний торец основного сосуда с расходом 4,0 литр/мин при температуре 20С. Стержень, моделирующий поглотитель, располагался в центре пучка шести имитаторов твэла. Подогрев осуществлялся индукционной печью. Состав продуктов деления, материалов топлива и поглотителя представлены в таблице 2.

Таблица 1. Состав несущей среды и количество стержней в экспериментах.

Таблица 2. Состав продуктов деления, материалов топлива и поглотителя

Порядок выполнения экспериментов

Контейнмент прогревался в течение нескольких часов до температуры приблизительно 90°С с помощью потока горячего воздуха. Эксперимент начинался когда температура атмосферы достигала 50°С. Такой режим был необходим для того, чтобы вдоль термоградиентных трубок за период их охлаждения установились требуемые профили температуры. Образцы топливных стержней и контрольных стержней нагревались в потоке несущего газа в течение 20 минут после того, как начинался выход аэрозолей. В экспериментах, проводимых с отдельными образцами топливного и контрольного стержней, для нагрева образцов использовался циркониевый подложкодержатель. В экспериментах, проводимых с пучками образцов топливного и контрольного стержней, нагрев образцов осуществлялся путем нагрева циркалоевой оболочки в индукционной печи. Теплогидравлические показатели записывались в течение 5 часов после того, как начинается выход аэрозолей внутрь контейнмента, при этом периодически происходит отбор проб аэрозолей для их анализа.

На протяжении всего потока несущего газа в установке были размещены съемные подложки из нержавеющей стали для анализа осаждения аэрозолей. Для обеспечения измерения массовой концентрации аэрозолей, взвешенных в атмосфере контейнмента, а также морфологического анализа аэрозолей, использовались образцы микропористого фильтра. Для обеспечения измерения размеров аэрозолей использовались импакторный пробоотборник и LAS-X аэрозольный спектрометр.

Результаты этих экспериментов были использованы в качестве основы при построении физической модели, в которой описывается скорость выхода аэрозолей, их распределение по размерам, а также при выполнении расчетных исследований по переносу и поведению продуктов деления.

Распределение температуры по длине термоградиентной и стальной трубок в начальный момент показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Начальное распределение температуры по длине термоградиентной и стальной трубок

Основные события в экспериментах представлены в таблице 3. Начало эксперимента соответствует включению индукционного обогрева топливных образцов и началу подачи гелия или смеси водяного пара и борной кислоты. Через 40 минут активная фаза эксперимента прекратилась, но измерения продолжались до 325 минуты для эксперимента Fal-ISP1 и до 340 минуты для эксперимента Fal-ISP2.

Таблица 3. Основные события в экспериментах