Секция 1: Технологические и экономические аспекты обращения с ОЯТ, проблемы замкнутого ядерного топливного цикла
Калинкин В.И., Шафрова Н.П., Крицкий В.Г., Волухова Т.Г. ОАО "Головной институт "ВНИПИЭТ", СПб, Россия
Зубков А.А., Кректунов О.П., Кассиров С.В. ИЦЯК, СПб, Россия
Накопление отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) реакторов ВВЭР-1000 и РБМК-1000 на
текущий момент существенно опережает возможности радиохимической переработки, поэтому
необходимым условием работы АЭС является длительное контролируемое хранение ОЯТ.
Проект камерного “сухого” хранилища отработавшего ядерного топлива (ХОТ-2) был разработан
коллективом ОАО “Головной институт “ВНИПИЭТ”[1].
В настоящее время на Горно-химическом комбинате в Железногорске (ГХК) заканчивается
строительство пускового комплекса “сухого” хранилища (ХОТ-2) на 8129 т для ОЯТ РБМК-1000.
Согласно проекту, “сухое” долговременное хранилище ХОТ-2 – сооружение камерного типа,
образованное монолитными железобетонными стенами, нижним и верхним перекрытиями и
разделенное поперечными железобетонными перегородками на несколько камер (см.рис.1).
Рисунок 1 – Фрагмент модуля хранилища ХОТ-2
Модуль хранения состоит из независимых друг от друга камер. В камере с шагом 1 м
(квадратное разбиение) расположены гнезда, которые представляют собой стальные трубы 720×8
мм. В этих гнездах в два яруса размещаются герметичные пеналы 630×7 мм. В одном пенале
размещается 30 ампул с ПТ РБМК-1000. Для раздачи холодного воздуха в нижнем перекрытии
камеры предусмотрены отверстия диаметром 309 мм.
Основной задачей обращения с ОЯТ является безопасное хранение за счет контроля процессов
выхода радиоактивности и деградации элементов ОТВС и хранилища. Скорость деградации
элементов ОТВС и хранилища определяется температурой топлива и химической агрессивностью
среды хранения. Мощность тепловыделения отработавшего ядерного топлива снижается
со временем. Температура топлива при хранении регулируется системой отвода тепла, химическая
агрессивность среды хранения – подбором соответствующего газа.
Ко всем методам сухого хранения ОЯТ предъявляются следующие основные требования:
• обеспечение сохранности ОЯТ в течение не менее 50 лет;
• обеспечение температурного режима на оболочке твэл при хранении в среде инертного газа
не более 300 ºС для топлива РБМК-1000 и 350 ºС для топлива ВВЭР-1000;
• обеспечение долговечности строительных конструкций хранилища в течение не менее 100 лет;
• обеспечение пассивного способа отвода тепла от хранимого топлива;
• устойчивость хранилища к внешним воздействиям (падению самолета, воздушной ударной
волне, летящим предметам, землетрясению, урагану, смерчу);
• обеспечение возможности удобной и быстрой идентификации источника появления радиоактивных
загрязнений.
58 V МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ФОРУМ 27 сентября –1 октября 2010
СЕКЦИЯ I
Установлено, что при хранении в среде азота температура оболочек твэлов из сплава Zr+1%Nb
не должна превышать 300 ºС для топлива РБМК-1000. Кроме того, температура ограждающих
конструкций (бетона) не должна превышать 100 ºС.
При камерном способе хранения температура ОЯТ определяется следующими основными
факторами:
• хорошо организованным контуром естественной циркуляции;
• термическим сопротивлением на границе между наружной поверхностью гнезда хранения
(трубы) и охлаждающим воздухом, где передача тепла осуществляется за счет конвективного
теплообмена и определяется коэффициентом теплоотдачи;
• термическим сопротивлением внутри гнезда хранения, в котором передача тепла осуществляется
за счет конвективного, кондуктивного и лучистого теплообмена.
Поэтому основной задачей при создании хранилища является создание эффективного контура
естественной циркуляции воздуха (см.рис.2).
Для решения этой научной задачи проведен большой объем экспериментальных и расчетных
исследований. Сконструированы специальные тепловые стенды, позволяющие имитировать
тепловые процессы, движение воздуха в контуре естественной циркуляции и на основе результатов
исследований верифицировать компьютерные коды Fluent и CONRAD в части расчетов
распределения температур в элементах хранилища.
Определение температурного состояния ОЯТ и хранилища представлено тремя взаимосвязанными
расчетами:
• расчет контура естественной циркуляции воздуха в камере хранения;
• численное моделирование течения и теплообмена при смешанной конвекции в ячейке хранилища;
• расчеты температурных режимов при хранении.
Рисунок 2 – Схема контура естественной циркуляции воздуха в камере ХОТ-2
Обоснование температурного режима элементов ХОТ-2 теоретически возможно 2-мя
способами:
1. Провести численный 3D расчет всего хранилища.
2. Провести физическое моделирование на модели 1:1 (в настоящее время фактически
невозможно).
Расчет течения и теплообмена в трехмерной постановке может быть проведен на основе
конечно – объемного метода решения уравнений Навье-Стокса с использованием различных
моделей турбулентности, применимых к задачам подобного рода.
1. Ветрозащитная панель на входе в камеру
хранения
2. Жалюзийная решетка на входе в
впускную шахту
3. Поворот потока в опускную шахту
4. Опускная шахта
5. Поворот потока в подкамерное
пространство
6. Вход в подкамерное пространство
7. Продольная перфорированная стена
8. Подкамерное пространство
9. Продольная перфорированная стена
10. Вход потока в камеру через закладные
трубы
11. Вертикальный пучок труб
12. Поперечный пучок труб
13. Выход из камерного пространства через
перфорированную стену
14. Поворот потока в вытяжной шахте
15. Вытяжная шахта
16. Жалюзийная решетка на выходе из
вытяжной шахты
17. Ветрозащитная панель на выходе из
камеры хранения
18. Машина перегрузочная
19. Гнездо хранения
20. пенал
V INTERNATIONAL NUCLEAR FORUM September 27 – October 1, 2010 59
СЕКЦИЯ I
На сегодняшний момент выбрать в качестве инженерного метода численный 3D расчет как
основной метод для проведения вариантных расчетов всего ХОТ-2 (включая и тепло ограждающих
конструкций) трудно из – за огромных затрат машинной памяти и времени. Поэтому реальной
альтернативой для инженерных целей нами выбран расчет по математической модели пористого
тела. Чтобы воспользоваться этой методикой, требуется знание коэффициентов анизотропии
(трение и теплоотдача). Так как прямым экспериментальным путем на модели ХОТ-2 масштаба
1:1 получить их в настоящее время невозможно, то был выбран следующий путь:
А. Решение 3D уравнений Навье-Стокса для 1-ой ячейки с помощью программы “FLUENT”.
Б. Верификация математической модели турбулентности экспериментом на тепловых стендах
(модели1 и 2).
В. Расчет по верифицированной математической модели турбулентности коэффициентов
анизотропии.
Г. Расчет температур элементов хранилища по математической модели пористого тела.
Расчет обосновывается проведением экспериментов на моделях 1 (масштаб 1:10) и 2
(масштаб 1:2).
В ОАО “Головной институт “ВНИПИЭТ” оборудовано помещение и установлены тепловые
стенды для исследования тепловых процессов при хранении. Фотография помещения приведена
на рисунке 3. Помещение снабжено промышленной приточной установкой с системой автоматического
управления АПК-Инновент-5 4ИК-12Э. Установка позволяет поддерживать постоянную
заданную температуру воздуха в стендовом помещении в процессе проведения экспериментов.
Рисунок 3 – Общий вид стендового помещения после монтажа тепловых стендов
1 – модель 1; 2 – модель 2; 3 – приточная установка
Наличие двух таких разномасштабных моделей (1:10 и 1:2) вызвано различием задач. Если
малая модель в первую очередь предназначена для визуализации течения и оптимизации всей
конструкции в целом, то большая – для верификации выбранной модели турбулентности.
Модель №1 хранилища (в масштабе 1:10) предназначена:
• для исследования условий работы системы естественной циркуляции камерного “сухого”
хранилища;
• для получения экспериментальных данных, необходимых для верификации расчетных
методик и программ (проверка расчета течения в контуре циркуляции);
• для выявления возможного коллекторного эффекта при распределении потока воздуха
поперек камеры хранения и экспериментальной проверки эффективности возможных методов
выравнивания расхода воздуха по ячейкам;
• для оптимизации количества легких продольных перегородок, устанавливаемых в камерах
с целью исключения “косого” обтекания гнезд, способствующего образованию в камерах
застойных зон, а также определения необходимого проходного сечения пространства между
верхними частями перегородок и перекрытием;
• для оптимизации, с точки зрения организации естественной циркуляции воздуха в камерах
ХОТ, последовательности загрузки гнезд пеналами с ОЯТ;
• для исследования влияния ветровых нагрузок на устойчивость циркуляции воздуха и надежность
теплосъема.
60 V МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ФОРУМ 27 сентября –1 октября 2010
СЕКЦИЯ I
Рисунок 4 – Схема и фото модели №1 в “штатном” режиме испытаний:
1 – модель жалюзийной решетки на входе в спускную шахту, 2 – спускная шахта,
3 – продольная перфорированная стенка N1, 4 – продольная перфорированная стенка N2,
5 – вход потока в камеру через модели закладных труб, 6 – вертикальный пучок труб,
7 – ТЭНы, 8 – заслонка, 9 – нижний подкамерный коллектор 10 – нижняя крышка коллектора,
11 – поперечные перегородки, 12 – выход из камерного пространства через перфорированную стенку,
13 – клеммы электропитания ТЭНов, 14 – концы термопар, заделанных в стенки труб
В модели №1 воспроизводятся все основные элементы воздушного тракта. Внутреннее
устройство гнезд не моделируется. Модели гнезд представляют собой стальные трубы с размещенными
внутри них электрическими нагревателями типа ТЭНП 95,5 -16/1,0-S-220. Модель
воспроизводит часть хранилища, содержащую половину камеры пролетом 6 метров (11 рядов
гнезд по 5 гнезд в каждом) и предназначена для проверки 3-х мерного движения воздуха.
Экспериментально исследовались картины течения, как при равномерном, так и неравномерном
тепловыделении на гнездах при полной и частичной загрузке отсека.
Следует заметить, что электрическая схема электропитания модели №1 построена таким
образом, что позволяет моделировать указанные выше режимы.
На модели №1 проводятся измерения:
• Количество тепла, выделившееся в каждом ряду гнезд.
• Расходы воздуха в 13 входных отверстиях модели камеры центрального ряда осуществляется
однониточными интегрирующими термоанемометрами.
• Распределение температуры вдоль стенок труб, имитирующих гнезда хранения.
• Температура воздуха на входе в модель и на выходе из нее.
• Средние температуры воздуха в нескольких сечениях в верхних частях каналов между
гнездами.
• Средние температуры воздуха на входе в имитаторы вытяжных шахт.
• Средние температуры воздуха на выходе из имитаторов вытяжных шахт.
Столь подробное термометрирование моделей производится, в первую очередь, для того,
чтобы получить максимально полную информацию для проведения верификации расчетных
методик, предназначенных для определения тепловых и аэродинамических характеристик
хранилища.
При исследованиях на модели №1 оказалось достаточно удачным применение метода
визуализации для исследования свободно-конвективных течений. Так как свободно-конвективное
течение в межтрубном пространстве пучка труб крайне неустойчиво и чувствительно даже
V INTERNATIONAL NUCLEAR FORUM September 27 – October 1, 2010 61
СЕКЦИЯ I
к малым возмущениям, то измерение скорости в межтрубном пространстве традиционными
методами (как-то: термоанемометр и др.) представляет определенные трудности. В рамках данной
работы была применена следующая методика исследования: к воздушному потоку во входном
патрубке модели с некоторой периодичностью подмешивался мелкодисперсный (порядка
1 мкм) дым от фумигатора. Подмешанный дым распределялся по исследуемому пространству не
равномерно, а в виде характерных сгустков концентрации частиц; т.о., на невозмущенное поле
скоростей накладывалось неравномерное концентрационное поле. Движение же потока можно
было бы оценить, следя за перемещением границ задымленных участков. В качестве маркеров
использовались не отдельные частицы, а их “туманности”. Освещение проводилось лазером в
непрерывном свете т.н. “лазерного ножа” (толщина 3-5 мм), а съемку производили в непрерывном
режиме.
Визуально наблюдались вихри с характерным масштабом порядка диаметра труб (70 мм).
Для количественного определения скорости область модели разбивалась на участки, и каждый
снимался на видео, а скорость определялась по корреляции яркостей в двух соседних точках.
Было установлено, что помимо вертикальной составляющей скорости в верхней трети модели №1
имеется наличие горизонтальной составляющей, что обусловливает необходимость проведения
3D расчета.
Рисунок 5 – Схема съемки движения воздуха в межтрубном пространстве
Рисунок 6 – Раскадровка течения в щели между двумя трубами во времени (1 сек)
Программа дальнейших исследований на модели №1 предусматривает исследование движения
воздуха и теплообмена:
• вызванных только свободной конвекцией. Верхняя и нижняя крышки модели хранилища
сняты, тяговые трубы отключены. Все модели гнезд оказываются в одинаковых условиях (по
крайней мере, трубы со 2-го по 4-ряды пучка). Эти эксперименты являются базовыми для
выбора модели турбулентности при минимуме вычислительных ресурсов.
62 V МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ФОРУМ 27 сентября –1 октября 2010
СЕКЦИЯ I
• вызванных не только свободной конвекцией, но и вынужденной конвекцией, инициируемой
штатной тяговой трубой (верхняя и нижняя крышки модели хранилища установлены). В этих
экспериментах на течение воздуха оказывает влияние не только свободная и вынужденная
конвекция, но и аэродинамика течения в верхнем и нижнем коллекторах модели (их
аэродинамические сопротивления). Эти эксперименты, не смотря на то, что режим течения
ближе к ламинарному и не соответствует натурному (развитому турбулентному), позволят
получить качественно подобную натурному хранилищу картину течения.
Модель гнезда хранения (ячейки хранилища) выполненной в масштабе 1:2 (модель №2)
представлена на рис.7. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными позволит
верифицировать выбранную расчетную модель и результаты расчетов по выбранной модели,
так как в большинстве случаев достаточно хорошо разработаны модели турбулентности для
вынужденного течения.
Рисунок 7 – Схема модели № 2 с тяговой трубой:
1 – стойка, 2 – вход потока в камеру через модели закладных труб,
3 – модель нижнего пенала, 4 – вытеснители,
5 – модель верхнего пенала, 6 – гнездо
На модели №2 измеряются:
1. Расходы воздуха в закладных трубах между нижним коллектором и камерой.
2. Температуры на стенках ампул, на пеналах, на гнездах и на стенках вытеснителей.
3. Температура воздуха на входе и выходе.
4. Электрическая мощность на пеналах и вытеснителях.
Для того чтобы минимизировать потери тепла модели №1 и №2 были покрыты снаружи
тепловой изоляцией «Изовер» толщиной 100 мм (коэффициент теплопроводности 0,04 Вт/(м·К).
На рис.8 и 9 показана внутренняя структура модели №2, соответствующая гнезду хранения
ОЯТ с двумя пеналами, четырьмя отверстиями для подвода воздуха и “окружением” обогреваемыми
фрагментами соседних гнезд (т.н. “вытеснители”).
V INTERNATIONAL NUCLEAR FORUM September 27 – October 1, 2010 63
СЕКЦИЯ I
Рисунок 8 – Поперечное сечение ячейки модели хранилища
На рис. 7 в центре представлено гнездо с пеналами, установленными в 2 яруса, в каждом
из которых по 30 моделей ампул, снабженных тэнами имитирующими тепловыделение пучков
твэлов.
Рисунок 9 – Схема размещения ампул в пенале.
Ампулы оснащенные термопарами окрашены синим цветом
Модель № 2 ячейки хранения выполнена в масштабе 1:2, что позволяет определить влияние
масштабного эффекта на тепловые и аэродинамические процессы в хранилище. Размер модели
достаточен для того, чтобы обеспечить развитие течения, формирование пограничных слоев
и турбулентных структур, в максимальной степени приближенных к натурным. Так, если
в натурных условиях число Релея находится на уровне Ra≈1,5·1012, то в модели №2 –
Ra≈2·1011, т.е. соответствует турбулентному режиму свободноконвективного течения воздуха.
Проведенные на модели №2 эксперименты позволили провести верификацию разработанной
в ОАО “Головной институт “ВНИПИЭТ” программы CONRAD, предназначенной для расчетов
температурных режимов вертикальных цилиндрических многостержневых систем, заключенных
в обечайку. Эта программа использовалась для расчета температур оболочек твэлов в гнездах
хранения. Схема гнезда с пеналами и ампулами с ПТ приведена на рис.9. На рис.10 показана
корреляция между температурой на поверхности ампул и расчетом по верифицированной
программе CONRAD при W=1,2 кВт/гнездо.
64 V МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ФОРУМ 27 сентября –1 октября 2010
СЕКЦИЯ I
Рисунок 10 – Корреляция между температурой на поверхности ампул и расчетом по
верифицированной программе CONRAD при W=1,2 кВт/гнездо
В отличие от модели №1, где наблюдалось осредненное трехмерное течение, в модели №2
наблюдается осредненное направленное движение вверх. Для получения данных по анизотропии
коэффициентов сопротивления и теплоотдачи модель №2 будет трансформирована, а именно: по
ходу воздуха в верхней части камеры будет добавлено еще три ряда труб с соответствующими
обогреваемыми вытеснителями).
Расчетная область для модели 2 ограничивается четвертью одной ячейки (см. рис.7); с учетом
теплообмена внутри пенала (см. рис.8 и рис.9) на это требуется около 10-20 ГБ памяти (ОЗУ), что
приводит к необходимости использовать кластер сервер Sun Fire X4440 с поддержкой 4-х шести
ядерных процессоров АМD Opteron, с общим объемом оперативной памяти 64 Гб и объемом
внутренней системы хранения данных 584 Gb. Для расчетов используется кластер, установленный
в камеральном помещении теплового стенда.
Достоверность и точность полученных результатов подтверждается тем, что соотношение
критериев подобия Nu и Re на использованном нами стенде соответствует зависимости,
полученной в модели камеры охлаждения ОЯТ японскими исследователями [2].
Программа дальнейших исследований на модели № 2 предусматривает исследование движения
воздуха и теплообмена:
• вызванного только свободной конвекцией. Верхняя крышка модели снята. Учитывая, что
в этих экспериментах режим течения турбулентный и близок к натурному, можно подобрать
адекватную модель турбулентности.
• вызванного совместным воздействием свободной и вынужденной конвекции (смешанной).
В этих экспериментах, режим течения турбулентный и близок к натурному. Это, вероятно,
позволит для рассматриваемых режимов проверить правильность подобранной на предыдущем
этапе модели турбулентности.
Результаты расчета значений максимальных температур при полной загрузке камеры
хранения, использованные при проектировании ХОТ-2 приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты расчета значений максимальных температур
элементов хранилища при полной загрузке камеры
Метод РБМК-1000. Естественная конвекция
Среда охлаждения Наружный воздух
Среда хранения Азот
Тепловыделение в гнезде хранения, кВт 3,4
Температура наружного воздуха, oC +38
Температура воздуха на выходе из камеры, оС +94
Температура на поверхности гнезда, оС +145
Максимальная температура оболочек твэлов, оС +248
Ветровое давление, кПа 0,38
V INTERNATIONAL NUCLEAR FORUM September 27 – October 1, 2010 65
СЕКЦИЯ I
При расчете температуры максимально разогретого твэла в пучке твэлов (ПТ) РБМК-1000,
расположенном в ампуле с максимальной температурой, рассмотрен радиационный теплоперенос
в пространстве между твэлами, ограниченном внутренней поверхностью ампулы.
Результаты расчета температурного режима ПТ РБМК-1000 в пеналах, установленных
в гнезда хранилища камерного типа в варианте равномерной загрузки гнезд в камере “сухого”
хранилища в два яруса пеналами с максимально возможными мощностями остаточного
тепловыделения, показали, что максимальные температуры оболочек твэлов ниже, чем заданы
исходными требованиями.
По результатам экспериментальных и расчетных исследований определены: величина загрузки
ОЯТ в “гнездо”, обеспечивающая допустимое тепловыделение; количество и расположение
вертикальных труб (“гнезд”), обеспечивающих естественную конвекцию воздуха внутри камеры;
геометрические параметры воздуховодов, обеспечивающие необходимый поток охлаждающего
воздуха, геометрические параметры камер.
ЛИ ТЕРА ТУРА
1. Калинкин В.И. Обоснование метода сухого хранения отработавшего ядерного топлива АЭС
с реакторами РБМК-1000 и ВВЭР-1000. Автореф. дис. канд. техн. наук. СПб.: 2007.
2. Wataru M., Saegusa T., Koga T. et all Heat removal tests on dry storage facilities for nuclear spent fuels //
Storage of spent fuel from power reactors. Proceedings of a symposium held in Vienna, 9-13 November,
1998. IAEATECDOC – 1089, July, 1999. Р.417-418.