??????????? PowerPoint - PowerPoint 4

Document Sample
??????????? PowerPoint - PowerPoint 4 Powered By Docstoc
					                        РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
Институт проблем безопасного развития атомной энергетики

                      RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES
                            Nuclear Safety Institute (IBRAE)




                Разработка
         интегрированной системы
            кодов для анализа и
        обоснования безопасности
            быстрых реакторов

                           В.Н. Семенов
                           МИФИ, 31.03.2011


       1
   ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА «ЯДЕРНЫЕ
ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ» НА 2010-2020
                   ГОДЫ»

     Основной целью Программы является
     «создание новой технологической
     платформы ядерной энергетики на базе
     замкнутого ядерного топливного цикла с
     быстрыми ректорами для атомных
     электростанций, обеспечивающей
     потребности страны в энергоресурсах и
     повышение эффективности использования
     природного урана и отработавшего
     ядерного топлива»



2
Реакторы на быстрых нейтронах

 Ключевые характеристики быстрых реакторов
     Большее число избыточных нейтронов и
      возможность расширенного воспроизводства
      топлива
     Вовлечение в топливный цикл U238 –
      замкнутый топливный цикл, снятие ресурсных
      ограничений
     Снижение токсичности и объема изолируемых
      отходов – радиационно-эквивалентное
      захоронение
     Высокая безопасность – концепция
      естественной безопасности

3
   ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА «ЯДЕРНЫЕ
ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ» НА 2010-2020
                   ГОДЫ»


 ФЦП предусматривает разработку трех
  технологий быстрых реакторов :
     реактор со свинцовым теплоносителем
      (БРЕСТ)
      • P=300 Mw, Q ≈ 1, крупномасштабная энергетика,
        внутренняя безопасность
     реактор со свинцово-висмутовым
      теплоносителем СВБР-100
      • P=100 Mw, Q ≈ 1, региональная энергетика
     реактор с натриевым теплоносителем БН-
      1200
      • P=1200 Mw, Q≥1, крупномасштабная энергетика,
        бридинг
4
    Характеристики быстрых реакторов с точки зрения
                     безопасности

    Преимущества
     Нет высокого давления в первом контуре
        Невозможны аварии с потерей теплоносителя
     Нет источников водорода в реакторном блоке
        Нет проблемы водородной безопасности
     Низкий запас реактивности на выгорание
     Нет возможности кризиса теплообмена – для
      тяжелого теплоносителя.
    Недостатки
     Возможность натриевого пожара и взаимодействия
      натрия с водой – для РУ БН
        Водород помещении парогенераторов
     Коррозионная активность тяжелого теплоносителя
5
    Разработка интегрированной системы кодов


    ФЦП предусматривает в качестве
      обеспечивающей подпрограммы
     Разработка интегрированных систем кодов нового
      поколения для анализа и обоснования
      безопасности перспективных атомных
      электростанций
    Система кодов:
     Открыта и доступна для использования всеми
      заинтересованными организациями, в том числе,
      надзорными органами
     Единая система с общей системной оболочкой и
      интерфейсом и тремя опциями, соответствующими
      трем типам РУ, разрабатываемым в рамках ФЦП
      (БН-К, СВБР-100, БРЕСТ)
6
       Необходимость разработки расчетных
                     кодов
• Обеспечение высокого уровня экономической
  эффективности, конкурентоспособности отечественных БР
  за счет оптимизации проектных решений и обоснование
  безопасности отвечающего современному
  международному уровню
• Обеспечение соответствие современным подходам к
  разработке расчетных кодов нового поколения с
  использованием современных компьютерных технологий
  (архитектура, параллельные вычисления,
  суперкомпьютеры)
• Обеспечение независимости от западных разработчиков
  кодов
• Сохранение уникального интеллектуального потенциала и
  накопленной в России базы знаний и экспериментального
  опыта по физике быстрых реакторов

7
       Состояние развития кодов для БР

     Разработаны зарубежные сквозные коды для анализа
      безопасности БР
       SAS4A (США)
       SIMMER (Франция, Япония, Германия)
     Отечественные разработки сосредоточены в
      нескольких организациях
       ФЭИ (TRIGEX, DINROS, TWOCOM, GRIF, GRIF-SM, BOS-TWC,
        COREMELT, INTERACT, ANPEX, BRUT, ACME, KONDOR,
        BOX, LLEAK и др )
       ОКБМ (DIN800, Динамика 3, TANDEM, BURAN )
       НИКИЭТ (DINA, MAUNT-BR, МОНСТР, FACT-BR, DINBREST )
       ОКБ Гидропресс (Реактор-ГП, TRIANA-6, Стат-ПГ)
       ИБРАЭ (JOKER, СОКРАТ, SFPR, RELEASE и др.)



8                                                              8
Состояние развития кодов для БР в России

     Отечественные разработки по уровню моделирования
      в целом не уступают, а в чем-то превосходят
      зарубежные аналоги
     Эти разработки выполнены в разное время, разными
      коллективами в разных организациях и не объединены
      в единую интегральную систему кодов для сквозного
      моделирования всех процессов и элементов АЭС
     Отсутствует отчуждаемый от разработчика
      инструментарий, который мог бы независимо
      использоваться разными организациями, в том числе
      надзорными органами, для анализа и обоснования
      безопасности АЭС с быстрыми реакторами



9                                                          9
 Расчетные коды для водо-водяных реакторов.
     Сквозной интегральный код СОКРАТ

    Задачи:
       Анализ и обоснование
        безопасности АЭС с РУ ВВЭР от
        исходного события до оценки
        риска для населения
       Оптимизация конструкции
    Кооперация:
       ИБРАЭ
       РНЦ «Курчатовский институт»
       ВНИИЭФ
       СПбАЭП, АЭП, ННАЭП
       ЭНИЦ, ФЭИ, ИТ СО РАН
       ОКБ ГП, ОКБМ
       НПО ЛУЧ, НИИАР, ВНИИНМ,
       НИТИ


10
                   Код СОКРАТ – базовые принципы
                                                                                       1250 mm elevation


                                                          2000
                                                          1800
                                                          1600
                                                          1400




                                         Temperature, С
                                                          1200
                                                          1000


    Использование подходов «из первых
                                                          800
                                                          600

     принципов»                                           400
                                                          200
                                                             0
    Современная технология интеграции                           0   2000   4000     6000    8000    10000   12000   14000   16000   18000


     моделей и кодов                                                                            Time, s


                                                                        SF2_2312,5    SF2_2612,5      SF2_31112,5    SF2_3212,5

    Универсальность моделей                                            SF1_2512,5    SF1_31212,5     SF1_31112,5    SF1_3512,5



    Выполнение полного комплекса работ
     «под ключ»:
       разработка физических моделей
       интеграция в программный комплекс
       анализ экспериментов
       верификация
       разработка и отладка моделей АЭС
         и РУ
       подготовка кадров
    Применимость к различным типам АЭС иИспытания на установке
     РУ                                   ПАРАМЕТР (НПО ЛУЧ,
                                           ОКБ ГП, ВНИИНМ,
                                              ИБРАЭ РАН

11
                 Применения расчетного кода СОКРАТ
                                                                                    KTB20_P   8                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             KTB20_P   8

                                                    ÏÃ                              BR -A_S
                                                                                      U
                                                                                                     B/W
                                                                                                  TUR ALL
                                                                                                      7 0                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           ÏÃ                                      BRU-A_S
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          TU B/W
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            R ALL
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               7 0

                                                                                 G UT_BR
                                                                                S _O    U-A                G UT_ B
                                                                                                          S _O TUR                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   S _O
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      G UT_B U
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            R -A                   G UT_TU B
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  S _O    R

                                                                                                           G TE
                                                                                                          S _S AM                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  G TE
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  S _S AM



                                                                                                      3                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       3

                                                                                                          2                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       2

                                                                                                              1 S _TO
                                                                                                                 G P
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    ÊÄ                                                                                                                                1 S _TO
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         G P



                                                                                                                       G
                                                                                                                      S _UP                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    G P
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              S _U
                                                       KTB20_P    8                                                              8   KTB20_P                                                                                                                                                                                                                         KTB20_P      8       8       KTB20_P                                  KTB20_P    8                                                                  8   KTB20_P




    Анализ эффективности работы пассивных
                                                                                                                   G C-U
                                                                                                                  S _D                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     G -U
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          S _DC
                                                                                                                       G
                                                                                                                      S _MFW                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   G
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              S _MFW
                                                                       S _ EP
                                                                        GS                        S _FW
                                                                                                   G                       2                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                S _S P
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             G E                              S _FW
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               G                    2
                                                    KTB20_ÑC_1                                                        S _FW
                                                                                                                       G _IN
                                                                                                                                     KTB20_HC_1                                                                                                                                                                                                                      IPU_PRZ                      KTB20_PRZ                             KTB20_HC_4                                                             G W
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              S _F _IN
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             KTB20_ÑC_4

                                                    KTB20_ÑC_1                                4                   1                  KTB20_HC_1                                                                                                                                                                                                                      IPU_PRZ                      KTB20_PRZ                             KTB20_HC_4                                    4                   1                  KTB20_ÑC_4
                                                                       G IS R
                                                                      S _R E                        G C
                                                                                                   S _D                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    G IS R
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          S _R E                              G DC
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              S_




     систем безопасности ЛАЭС-2 и НВАЭС-2 для
                                                      SG_ÑC-T_1

                                                    SG_ÑC-U-T_1
                                                                                          3                       2
                                                                                                                                     SG_HC-T_1

                                                                                                                                     SG_HC-U-T_1
                                                                                                                                                                                                                   Ðåàêòî ð                                                                                                                                              PRZ_T COOLANT
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                LEVEL
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  PRZ_WALL
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         SG_HC-T_4

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    SG_HC-U-T_4
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  3                       2
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             SG_ÑC-T_4

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             SG_ÑC-U-T_4
                                                                      SG_TUBES-U_1
                                                                       G
                                                                      S _TUBE-U                                        S _W
                                                                                                                        G ALL                                                                                                                                                                                                                                        PRZ_    7            7                                                               SG_TUBES-U_4
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           G
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          S _TUBE-U                                             G ALL
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               S _W
                                                      SG_ÑC-U_1        1        2  3              4           5        6             SG_HC-U_1                                                                                                                                                                                                                       HEATER 6             6                                              SG_HC-U_4         1        2  3                  4           5         6            SG_ÑC-U_4
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             5            5




     выбора их конструктивных параметров
                                                                                                                                                                                                                                                                KTB20_P                          8
                                                                                                              SG_TUBE-U_1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             SG_TUBE-U_4
                                                    SG_ÑC-M-U_1       SG_TUBES-M_1 2                                                 SG_HC-M-U_1                                                                                                                                                                                                                      PRZ_3A 4            4       PRZ_3B                            SG_HC-M-U_4           SG_TUBES-M_4 2                                                     SG_ÑC-M-U_4
                                                                                                                  3                                                                                                                              KTB20_VESSEL                                                                                                                3            3                                                                                                               3
                                                     SG_ÑC-M_1         1S _TUBE-M
                                                                         G
                                                                               2  3               4           5        6             SG_HC-M_1                                                                                                                                                                                                                                                                                          SG_HC-M_4          1S _TUBE2
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             G     -M
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      3                   4           5         6            SG_ÑC-M_4
                                                                                                                                                                                                                                                 KTB20_VESSEL                                                                                                                2            2
                                                    SG_ÑC-L-M_1       SG_TUBES-L_1                            SG_TUBE-M_1            SG_HC-L-M_1                                                                                                     VESSEL_VKS-U                                                                                                            1            1                                         SG_HC-L-M_4           SG_TUBES-L_4                                SG_TUBE-M_4            SG_ÑC-L-M_4




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       VESSEL_WALL
                                                      SG_ÑC-L_1        1    2      1
                                                                                   3              4           5 4 6                  SG_HC-L_1                                                                                                                                                                                                                                                                                           SG_HC-L_4         1    2      1
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       3                  4           5 4   6                SG_ÑC-L_4
                                                                        G    E
                                                                       S _TUB -L                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             G
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            S _TUBE-L
                                                                                          S _B
                                                                                           G OTTOM                                                                                                                                                                                                                                                                        PRZ_1                                                                                                    G TTO
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  S _BO M
                                                                                                               SG_TUBE-L_1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            SG_TUBE-L_4
                                                        SG_IN_1                                                                      SG_IN_1                                                                                                         VESSEL_                                         VESSEL_VKS
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           SG_IN_4                                                                           SG_IN_4
                                                                                                                                                                                                                                                     VKS-M-U                                         -U-OUTLET




    Анализ аварийных последовательностей для
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   SURGE_LINE2                                SURGE_WALL
                                                                  1                                                                  HOT4_1                                                                  VESSEL_VKS-M
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           HOT4_4                                                                        1
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     VESSEL                                   4      3        2    1
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     _OUTLET




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 -M-
                                                                                                                                                                                            VESSEL_                                                                                                                                                            VESSEL_




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       VESSEL_VKS
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            SURGE_LINE1




                                                                                                                                                                                                                                                                                          OUD
                                                                                                              HOT_WALL_1                                                            HOT1_1 OUTLET                                                                                                                                                              OUTLET HOT1_4                                                                                HOT_WALL_4




                                                                                                                                                                                                                                                                    BZT_TUBES
                                                                                                                                         HOT3_1        HOT2_1                                                                                                                                                                                                                                                              HOT2_4        HOT3_4




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       OUTLET
                                                                                                                                                                                                                                                                                   BZT_SHR
                                                                  2                                                                                                 3             2       1                                                                                                                                                                            1              2                       3                                                                                                          2




     обоснования безопасности АЭС-2006 и для
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     VESSEL
                                                                                                                                                                                                            VESSEL_VKS-L-M                                                                                                                           _BYPASS

                                                                                                                               COLD4_1                              COLD5_1         COLD6_1                                                                                                                                                                              COLD6_4                     COLD5_4                                      COLD4_4




                                                                                                                                                                                                                                                                                                             BARREL
                                                                                                                  PUMP_1        1        2         3            4             1     2                                                                                                                                                                                    2       1                                 4       3        2             1           PUMP_4
                                                                      COLD1_1                                                                                                                                                                                                                                                                        VESSEL                                                                                                                                                   COLD1_4
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     _INLET
                                                                                                                           2                                                                  VESSEL_                                                                                                                                                          VESSEL_                                                                                           2
                                                                                                                               COLD_WALL_1                                                                                                                                                                                                                                                                                                 COLD_WALL_4




     получения исходных данных для
                                                                                                                                                                                              INLET                                                                                                                                                            INLET
                                                                                                          COLD3_1                                                                                           VESSEL_VKS-L
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      1
                                                                  3                                                        1                                                                            13                                                      13                               13                   2                              VESSEL                                                                                                      1                                                       3
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     _DOWN1
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     COLD3_4




                                                                                                                                                                                                                                       CONTROL_ROD
                                                                                                                                                                                                        12                                                      12                               12                   3




                                                                                                                                                                                                                                                                                   CORE_BAFFLE
                                                                                                                                                                                                                          CORE_FA103




                                                                                                                                                                                                                                                                         RE_FA42
                                                                                                                                                                                                              CORE_FA18
                                                                                                                                                                                                        11                                                      11                               11                   4
                                                                                                  COLD2_1                                                                                               10                                                      10                               10                   5
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          COLD2_4




     проектирования устройства локализации




                                                                                                                                                                                                                                                                       CO
                                                                       1            2             3                                                                                                     9                                                       9                                    9                6                                                                                                                                                 3                 2               1
                                                                                                                                                                                                        8                                                       8                                    8                7
                                                                                                                                                                                                        7                                                       7                                    7                8
                                                                                                                                                                                                        6                                                       6                                    6                9
                                                                                                                                                                                                        5                                                       5                                    5                10




                                                                                                                                                                                                                                                                                                       RE_BYPASS
                                                                                                                                                                                                        4                                                       4                                    4                11
                                                                                                                                                                                                        3                                                       3                                    3                12




                                                                                                                                                                                                                                                     CORE_121



                                                                                                                                                                                                                                                                                   CORE_42
     расплава (УЛР) и системы обеспечения
                                                                                                                                                                                                        2                                                       2                                    2                13




                                                                                                                                                                                                                                                                                                     CO
                                                                                                                                                                                                        1                                                       1                                    1                14


                                                                                                                                                                                                            VESSEL_NKS                                                                                                1                              VESSEL
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     _DOWN2




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          Модель ВВЭР
                                                                                                                                                                                                            VESSEL_LP-NKS                                                                                             2




     водородной безопасности в ЗО
                                                                                                                                                                                                            VESSEL_LP




    Оценка выходов массы, энергии и водорода для
     определяющего сценария тяжелой аварии РУ В-
     213 при обоснования водородной безопасности
     3 и 4 блок Кольской АЭС
    Расчеты по выбору оборудования при
     проектировании стендов в поддержку
     обоснования пассивных систем безопасности
     ЛАЭС-2
    Для подготовки ТОБов для АЭС в Китае, Индии,
     ЛАЭС-2, НВАЭС-2 , РУ малой энергетики КЛТ-
     40С
                                                                                                                                                                                                                                                                                                 АЭС с РУ КЛТ-40С


    12
     Перечень критических явлений, важных для
        безопасности для разных типов РБН

       Естественная циркуляция и теплоотдача при ЕЦ во всех
        контурах.
       Кипение теплоносителя и двухфазный теплообмен. Кризис
        теплоотдачи (для РУ БН)
       Плавление оболочек твэлов и топлива, перемещение
        расплавленных материалов АЗ, фрагментация топлива (для
        РУ БН)
       Взаимодействие топлива с теплоносителем при повреждении
        твэлов
       Поведение паровых и газовых (Ar+H2) пузырей в тяжелом
        теплоносителе (для РУ СВБР, БРЕСТ)
       Эрозия, коррозия, массоперенос, физико-химические
        взаимодействие теплоносителя с оболочками и
        конструктивными элементами (для РУ СВБР, БРЕСТ)
       Перенос продуктов деления и коррозии с контурах и газовой
        системе.

13
     Перечень исходных событий для анализа
         запроектных аварий для РУ БН

      Потеря системного электроснабжения с отказом аварийной
       защиты реактора
      Полная потеря системного и надежного электроснабжения
       (АЗ срабатывает, САРХ ВТО не функционирует)
      Разгерметизация полным сечением натриевых
       трубопроводов II контура
      Взаимодействие натрия с водой в боксе парогенератора
      Полная потеря системного и автономного электроснабжения
       с отказом аварийной защиты реактора (объединенная авария
       1 и 2)
      Разгерметизация основного и страховочного корпусов
       реактора и пожар в шахте реактора
      Попадание в натрий I контура значительных количеств
       водорода или углеродосодержащих веществ (из
       маслосистемы ГЦН I контура, внутрикорпусной защиты ...)
      Пожар с поражением систем контроля и энергоснабжения

14
     Перечень исходных событий для анализа
       запроектных аварий для РУ СВБР-100
      Полная потеря системного и надежного
       электроснабжения на 48 часов
      Потеря системного электроснабжения с отказом
       аварийной защиты реактора на 48 часов
      Множественные разрывы теплообменных
       трубок в модуле парогенератора
      Множественные разрывы теплообменных
       трубок с разгерметизацией газовой системы
       1 контура.
      Частичная блокировка проходного сечения в
       активной зоне.
      Блокировка проходного сечения каналов
       охлаждения внутрикрпусной радиационной
       защиты.
15
       Состав интегралного кода для сквознных
          расчетов динамических режимов

Нейтронно-физический модуль.
Теплогидравлический модуль.
Термомеханический модуль.
Модуль поведения продуктов деления в топливе.
Модуль взаимодействия теплоносителя с топливом и материалами АЗ.
Модуль миграции ПД в первом контуре, газовой подушке и системе
вентиляции.
Модуль описания поведения натрия при проливах из натриевых контуров, в
частности генерации и эволюции натриевых аэрозолей в помещениях и в
атмосфере.
Модуль расчёта взаимодействия натрия с водой и паром в парогенераторах.
Модуль по расчету прочности конструкций.
Модуль оценки радиационной обстановки за пределами станции (включая
физику натриевых аэрозолей).
Модуль поведения параметров турбоустановки и другого оборудования
водяного контура.
Модуль управления.


 16
         Соисполнители программы по кодам

     Исполнители:
      ИБРАЭ РАН
      ГНЦ ФЭИ им. А.И.Лейпунского
      ОАО ОКБ «Гидропресс»
      ОАО НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля
      ОАО «ОКБМ Африкантов»
      Национальный исследовательский ядерный
       университет «МИФИ»
      Институт прикладной математики РАН
      МГУ им. М.В.Ломоносова



17
             Разрабатываемые компоненты
            интегрированной системы кодов

     Тяжелоаварийный код COREMELT-ГЕФЕСТ
     многожидкостная многокомпонентная теплогидравлика
     (ФЭИ) + нестационарная диффузионная пространственная
     кинетика(ИБРАЭ).
     Новое качество – применение пространственной кинетики
     при описании перемещения материалов а.з.
     Интегральный сквозной код СОКРАТ-БН (2-фазная
     теплогидравлика + точечная кинетика + термомеханика
     +оборудование станции (ИБРАЭ))
     Новое качество покассетный совместный расчет
     теплогидравлики и нейтроники а.з.
     MFPR – топливный код для БР . Новое качество –
     механистический подход к описанию миграции ПД.

18
                                   Структура единичного канала в коде
                                              COREMELT-K
               1-                                                    Структурные элементы:
                                       Qpf
                                                        f       Qwf    p, w - целые элементы конструкции активной
               M             M
               F             F
                                       Qpg
                                                                       зоны (топливные сердечники, оболочки твэлов,
                                                    V
                                                    C           Qwg    чехлы ТВС),
               1-                                                    wd1– затвердевшая сталь на чехле ТВС,
               p
                                   d11
                                                                 M
                                                                       wd2 – затвердевшее топливо на чехле ТВС,
                                                                 F
                                                                       d11 и d22 – затвердевшая сталь и топливо на
                            Qpd1              Qid1g
                                                                 w     поверхности оболочек целых твэлов.
                                         M
                     Qpd1                F

                                       d1
                                                                       Компоненты:
     M
     F
                                                                       f – жидкий натрий,
                                   
         1-
                                                                       g – пар натрия,
                                   g
                                                                       d1 – расплавленная сталь или частички стали,
     V
                                                                       d2 – расплавленное топливо или частички
     C
                                                        wd1
                                                                Qwd1
                                                                       топлива.
                             M
                             F                       wd2
                     Qpd2                                       Qwd2   Фазовые переходы:
                                   d2
                                              Qid2g                     M/F -плавление-затвердевание;
                            Qpd2   Qid2d1
                                                  Qid2f                 V/C -парообразование-конденсация.
                                   d22
                                                            f           – относительная площадь проходного сечения
                                   d11 Qid11f
                                                                       движущихся компонент;
                                        i=1                             (1-) – относительная площадь структуры
19
Интегральный расчетный код для обоснования
      безопасности РУ БН: СОКРАТ-БН

  Теплогидравлика жидкого натрия
        Системная теплогидравлика к канальном приближении
        Двухфазное течение теплоносителя с учетом кипения
        Теплообмен в активной зоне в двухфазной области
        Теплообмен между натриевыми и водяными контурами

  Нейтронная физика
      Нейтронная кинетика в точечном приближении
      Нестационарная диффузионная пространственная кинетика
       (ГЕФЕСТ)


  Топливо и твэльная термомеханика
      Код «СВЕЧА», модули MFPR и SFPR.


20
     Расчетный модуль описания поведения ПД в
                  топливе MFPR


      Топливный модуль MFPR включает 4 крупных блока
       моделей:
         Транспорт газовых ПД и пузырей
         Транспорт химически активных ПД
            • Окисление/испарение топлива в атмосфере
              пар/водород/воздух
         Транспорт радиоактивных ПД (> 240 нуклидов)
         Эволюция дефектной микроструктуры
       что позволяет самосогласованно и механистически
       описывать поведение топлива в различных режимах
       облучения



21
                            Тестирование связного кода
                                   СОКРАТ-БН
                     2500

                                                                Высотные
                     2000
                                                                профили
                                                                температуры
                                                                натрия,
                                                                внутренней
     Темература, С




                     1500                теплоноситель          поверхности
                                         оболочка внутр
                                         топливо внеш           оболочки,
                                         топливо внутр          внешней
                                                                поверхности
                     1000
                                                                топливной
                                                                таблетки,
                                                                центра
                      500                                       топливной
                                                                таблетки.
                                                                Расчет по коду
                                                                СОКРАТ
                        0
                            0.4    0.8                    1.2
                                   Высота, м

22
Расчет начальной стадии аварии ULOF БН-600 по
           коду COREMELT-ГЕФЕСТ

                                       Расход на входе в аз


                       0.90




                       0.70
     Расход, отн.ед.




                       0.50                                              1
                                                                         2
                                                                         3
                                                                         4
                       0.30




                       0.10



                               0   5     10               15   20   25
                       -0.10
                                              Время,сек




23
Расчет начальной стадии аварии ULOF БН-600 по
           коду COREMELT-ГЕФЕСТ

                                            Вертикальный профиль мощности в центре
                       9,00E+08

                       8,00E+08

                       7,00E+08
     Мощность, вт/м3




                       6,00E+08

                       5,00E+08

                       4,00E+08                                                                     10сек
                                                                                                    20сек

                       3,00E+08

                       2,00E+08

                       1,00E+08

                       0,00E+00
                              0,00   0,20      0,40   0,60     0,80     1,00   1,20   1,40   1,60
                                                             Высота,м


24
Расчет начальной стадии аварии ULOF БН-600 по
           коду COREMELT-ГЕФЕСТ

                         1 500,00




                         1 300,00                                                                     1
                                                                                                      2
                                                                                                      3
     Температура , °С




                         1 100,00                                                                     4
                                                                                                      5
                                                                                                      6
                          900,00                                                                      7
                                                                                                      8
                                                                                                      9
                          700,00                                                                      10
                                                                                                      11
                                                                                                      12
                          500,00                                                                      13
                                                                                                      14


                          300,00
                                0,00   0,20   0,40   0,60   0,80   1,00   1,20   1,40   1,60   1,80

                                                             Высота,м


                        Высотное распределение средней температуры стали оболочек в разных
                        гидравлических каналах в момент времени 20 сек.
25
     Тестирование работы модернизированного
                топливного кода




      Сравнение расчетных радиальных распределений температуры топливного
      сердечника после выхода на режим для трех координат АЗ
26
     Тестирование работы модернизированного
                топливного кода




 Расчетная эволюция (SFPR)     Расчетная поврежденность
 средних по толщине оболочки   оболочек, обусловленная
 напряжений                    пребыванием под нагрузкой при
                               высокой температуре



27
      Фрагменты матриц верификации кода Сократ
в части теплогидравлических процессов при запроектных
               авариях на АЭС ВВЭР-1000

              Для больших течей                      Для малых течей




 Экспериментальная база РНЦ КИ, ЭНИЦ, НИТИ, ЦКТИ, НПО «Луч», НИИАР
     и др., а также научных центров Франции, Германии, США и др.


28
           Верификация теплогидравлических кодов
                   (CОКРАТ, COREMELT)


     Эксперимент с
     подогревом и кипением
     натриевого потока
     (H. M. Kottowski et al
     1984, ISPRA).



                Схема

     эксперимента
                 ISPRA


29
     Верификация новой версии СОКРАТ-БН:
      ISPRA эксперимент с кипением натрия




30
     Верификация новой версии СОКРАТ-БН:
      ISPRA эксперимент с кипением натрия




31
          Верификация новой версии СОКРАТ-БН:
     Эксперимент Takahashi K., Fujii-E Y., Suita T, Япония




                         Перепады давления при кипении:
                         p3 -между входом в экспериментальный участок и
                         серединой первого канала,
                         p2-между входом и серединой второго канала,
                         p1-между входом и входом в третий канал
                         Cлева – расчет СОГРАТ, справа - эксперимент



32
                        Кросс-верификация теплогидравлических кодов
                                    (эксперимент ISPRA)
                                                         Температуры обогреваемого участка

                        1,20E+03



                        1,15E+03



                        1,10E+03



                        1,05E+03
        Температура,К




                                                                                                       Na Расчет CORMELT
                                                                                                       Na Расчет Сократ
                        1,00E+03
                                                                                                       Стенка Расчет CORMELT
                                                                                                       Стенка Расчет Сократ

                        9,50E+02



                        9,00E+02



                        8,50E+02



                        8,00E+02
                                   0   0,1   0,2   0,3    0,4     0,5      0,6   0,7   0,8   0,9   1
                                                                Высота,м




     Высотные распределения температуры натрия и стенки трубы по
33                  кодам СОКРАТ-БН и COREMELT
      Верификация новой версии СОКРАТ-БН:
     Эксперимент Зейгарника с кипением натрия




                Перепад давления вдоль канала

34
        Верификация кода COREMELT. Эксперимент по
           разрушению сборки на реакторе TREAT




Схема
эксперимента
льной петли.
Схема
расчетной
области




35
     Верификация кода COREMELT. Эксперимент по
        разрушению сборки на реакторе TREAT

     Экспериментальные данные: мощность, входная и
     выходная скорости и температура




36
        Верификация кода COREMELT. Эксперимент по
           разрушению сборки на реакторе TREAT




Расчет:
давление в
накопитель
ном баке




37
     Верификация кода COREMELT. Эксперимент по
        разрушению сборки на реакторе TREAT




Расчет:
Расход
теплоноси
теля на
входе в
сборку




38
       Верификация кода COREMELT. Эксперимент по
          разрушению сборки на реакторе TREAT




Расчет:
Расход
теплоноси
теля на
выходе из
сборки




39
          Верификация кода COREMELT. Эксперимент по
             разрушению сборки на реакторе TREAT




Расчет:
Температура
чехла ТВС на
верхнем
уровне
обогреваемог
о участка




40
                       Верификация кода COREMELT. Эксперимент по
                          разрушению сборки на реакторе TREAT

        Поля концентраций компонент внутри экспериментальной сборки в
                           разные моменты времени




топливо
Сталь оболочки ТВЭЛа
Корка стали на оболочке
Корка топлива на оболочке
Расплавленное топливо
Расплавленная сталь оболочки
Пар натрия
Жидкий натрий
Корка топлива на чехле
Корка стали на чехле
Разрушенный чехол сборки




41
ВЕРИФИКАЦИЯ КОДА SFPR: Теплопроводность облученного
        UO2 топлива реакторов ВВЭР (НИИАР)
                                                                                                            Ar
                                 Эксперимент:
                       • Однородный разогрев образцов до
                              тестовой температуры;
                         • Импульсный разогрев оболочки                                                                  3       4   2
                               электрическим током;
                     • Измерение температурного отклика на
                       внутренней поверхности UO2 таблетки

                     314                                                                          612
                               ýêñï åðèì åí ò                                                               ýêñï åðèì åí ò
                               ðàñ÷åò                                                             610       ðàñ÷åò
                     312

                                                                                                  608




                                                                              Òåì ï åðàòóðà, °Ñ
 Òåì ï åðàòóðà, °Ñ




                     310
                                                                                                  606
                     308
                                                                                                  604

                     306
                                                                                                  602

                     304                                                                          600


                     302                                                                          598
                           0   2                4      6        8   10   12                             2     4              6          8        10   12   14
                                                    Âðåì ÿ, ñ                                                                        Âðåì ÿ, ñ


                           Сравнение расчетной и измеряемой температуры в центре топливной
                                          таблетки с выгоранием 60 Мвт*сут/кг
42
                                 ВЕРИФИКАЦИЯ КОДА SFPR:Выход ГПД из топлива в
                                 реакторных экспериментах SILOE (CEA & EdF, France)

                                                                                                          CONTACT1 test
                                  0.1
                                                                                                    PWR pellet diameter: 8.19 mm;
                                                                                                       Pellet density: 95% TD;
Î òí î ñèòåëüí û é âû õî ä Õå




                                                                                                       Grain diameter: 10 μm;
                                                                                                     System pressure: 13 MPa;
                                 0.01                                                                 Linear power: 40 kW/m;
                                                                                                     Fission rate: 2.41019 m-3s-1
                                                                          Ýêñï åðèì åí ò
                                                                          Ðàñ÷¸ ò


                                0.001
                                        0   2   4      6     8      10      12   14        16
                                                     î
                                                 Âû ã ðàí èå (Ì Âò ñóò./êã)


Выход Хе из таблетки UO2 топлива
рассчитанный для условий эксперимента
«CONTACT 1» в зависимости от выгорания
при постоянной температуре (в центре
таблетки – 1747К, на наружной поверхности
таблетки – 875К)                                                                                Данные Westinghouse (для сравнения)
43
                                  Моделирование аварийных режимов. Анализ нарушений
                                              нормальной эксплуатации


                                                                                                                              Относительное изменение
                                  Непредусмотренное извлечение                                                               аксиального распределения
                                   стержня РС из активной зоны                                                               энерговыделений в ТВС при
                                                                                                                                    подъёме РС
                                                                                                            16
                                1.5
Power, flow rate, rel. units




                                                          Мощност
     Относительн
     ые единицы




                                                                                Расхо
                                                             ь                    д
                                                                                                            12
                                1.0

                                                                                                                8
                                0.5

                                                                                                                4
                                0.0
                                   0                 10                    20           30
                                       - reactor power                            Врем
                                       - sodium flow rate in the reactor           я, с
                                                                                                                0
                                                                                                                         0      4    8   12   16   20    24

                               0.01                                                          0.003                                           Аксиальная
                                                                                                                                координата(сечение ТВС)
                                                                                                     withdrawal, dk/k
                                                                                                     ity insert caused
activity, dk/k




                               0.00                                                          0.002


                                                                                                                                                   44
Моделирование аварийных режимов. Анализ нарушений нормальной
                        эксплуатации
        Несанкционированное извлечение РС из активной зоны
       Изменение параметров ТВС                                     Изменение параметров
          2.0    ЗМО                                                  2.0 ТВС ЗБО




                                                                    Высота, м
        Высота, м

                      1.5                                                         1.5
          Height, m




                                                                      Height, m
                      1.0                                                         1.0



                      0.5                                                         0.5



                      0.0                                                         0.0
                             0    50     100      150   200   250                          0       50          100       150
                                   Tangential stress, MPa                                       Tangential stress, MPa
                       Тангенциальные напряжения, МПа                              Тангенциальные напряжения, МПа
                       2.0                                                           2.0




                                                                       Высота, м
             Высота, м




                       1.5                                                           1.5




                                                                         Height, m
               Height, m




                       1.0                                                           1.0



                       0.5                                                           0.5



                       0.0                                                           0.0
                             0     4       8       12    16    20                          0        4            8        12
                             Коэффициент теплопередачи
                                    Heat transfer coefficient                             Коэффициент теплопередачи
                                                                                                Heat transfer coefficient
                                                                                                                       2.
                                  of fuel-cladding, kW/m2.K
                            топливо-оболочка твэл, кВт/м2К
                                                                                              of fuel-cladding, твэл, кВт/м2К
                                                                                         топливо-оболочка kW/m K
                             Время: 0 sec -
                              Time:                                                       Time:
                                                                                        Время: 0 sec -
                                       16 sec -                                                   16 sec -
                                       17 sec -                                                   17 sec -
                                       30 sec -                                                   30 sec -
                                                                                                                                45
    Моделирование аварийных режимов. К анализу
                проектной аварии




j
    i
         а                   б                в               г
                а) уровень верхней части головок ТВС (H=0)
        б) уровень расположения термопар терморешетки (H=100мм)
                            в) сечение H=300мм
                            г) сечение H=500мм
          Установившиеся поля приращений температуры натрия в
        горизонтальных сечениях верхней камеры при блокаде части
            проходного сечения ТВС с координатами (ib=60, jb=10)
                                                             46
Моделирование аварийных режимов. К анализу
            проектной аварии
                            и




           =2с                         =4с




             =8с                          =20с
  Поле концентраций источников наиболее долгоживущей
    группы 6 (1/λm,=74.85сек) в горизонтальном сечении
                     k=21, (ib=45, jb=9)               47
Моделирование тяжелой аварии ULOF на реакторе БН-600
                  (код COREMELT)




Карта расчетной
области,
моделирующей
первый контур
БН-600




48
            Моделирование аварии ULOF на реакторе БН-
                      600 (код COREMELT)




Временной ход
реактивности




 49
            Моделирование аварии ULOF на реакторе БН-
                      600 (код COREMELT)




Временной ход
относительной
мощности




 50
                Моделирование аварии ULOF на реакторе БН-
                          600 (код COREMELT)



    Конечная
   структура
 активной зоны


 топливо
  расплавленное топливо
  корка топлива на чехле
  корка топлива на твэлах
  корка стали на твэлах
 Расплавленная сталь
  стальная корка на чехле
 корка на целых твэлах
  жидкий натрий
  пар натрия




51
     Основные тенденции в развитии расчетных
          кодов: коды нового поколения


       Связанные самосогласованные физические модели
        (мультифизичность)
       Современная архитектура расчетных кодов
       3D расчеты: CFD методы для течений, прецизионные
        нейтронные расчеты, термомеханика – минимум
        эмпиризма
       Параллельные вычисления, суперкомпьютеры
        (ВНИИЭФ, МГУ, ANL)
       Визуализация системы ввода вывода информации,
        результатов расчета




52
            Разработка CFD кодов в ИБРАЭ

      Коммерческие CFD коды (FLUENT, STAR-CD)
      Собственные разработки:
       - CONV-3D
       - КАБАРЕ

         оба кода - прецизионные, с очень малой численной
         диффузией, приспособленные для моделирования
         турбулентности
         разные модели турбулентности (RANS, LES, DNS)
        Верифицированы в широком диапазоне параметров
        Приспособлены для параллельных вычислений
      -независимость от иностранных разработчиков
       -отсутствие лицензионных ограничений
       -свобода использования любых физических моделей

53
           Multi-scale resolution in CFD modeling


Hierarchy of multi-scale modeling includes:
    DNS (Direct Numerical Simulation)        Multi-Resolution Thermal Hydraulic
     1000 -100 millions elements
                                              Simulation Hierarchy (ANL approach)
    LES (Large Eddy Simulation)
     ~100-50 millions elements                                                Subchannel Models
    RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes)
     20,000 millions elements                                           Boundary             Modeling




                                              Increasing Resolution
                                                                                            Parameters




                                                                                                         Increasing Domain Size
                                                                        Conditions
    subchannel models
                                                                      Reynolds Averaged Navier Stokes

                                                                        Boundary             Modeling
                                                                        Conditions          Parameters

    Subchannel (lumped parameters)
                                                                            Large Eddy Simulation
     models)
       Quick computation for engineering                               Boundary             Modeling
        estimations.                                                    Conditions          Parameters

    CFD methods RANS/LES/DNS
                                                                         Direct Numerical Simulation
       Precision calculation


54
                 Валидация кодов в диапазоне параметров
              теплогидравлики в ТВЭС, АЗ, ТВЭЛах, Re=104-105
                                                                  Измеряемые в экспериментах
                                                                  величины:

                                                                          - Средние скорости и
                                                                                  температура
    Конвекция в полости с подвижной верхней крышкой
     NRS program Best Practice Guidelines (BPG) test 3d
     convection in a lid-driven cavity flow                              - Среднеквадратичное
                                                                  отклонение (rms) скоростей и
    Течение с обратным уступом          ERCOFTAC test case                       температуры
     Backward-Facing Step (BFS) flow
          ERCOFTAC Workgroups on multiphase flows:                  - Напряжения Рейнольдса
           experiments and simulation, ETH Zürich, Switzerland,
           2003
                                                                                    - Спектры
    Полностью турбулентное течение в круглой трубе при
     высоких числах Re                                                      Данные величины
     ERCOFTAC-IAHR test case full turbulent flow of water in a              используются для
     round pipe over the Reynolds number range 4900-25000
                                                                      последующей валидации
           ERCOFTAC/IAHR/COST WORKSHOP ON REFINED
            TURBULENCE MODELLING OCTOBER 12-13, 2006,                       разрабатываемого
            TECHNICAL UNIVERSITY OF BERLIN, GERMANY                             программного
                                                                                 обеспечения.
    Спонсируемый OECD эталонный CFD пример: тепловая
     усталость в Т-образном соединении
     OECD/NEA Sponsored CFD Benchmark Exercise: Thermal Fatigue
     in a T-Junction
            Kick-Off Meeting, Paris, FRANCE, 20 May, 2009




55
     Геометрическая модель топливной сборки
               Твэльный пучок   Расчетная ячейка   Расчетная
     ТВЭЛ                                           область




56
     Расчетные результаты (CONV-3D): вертикальная
                       скорость




                                      333,33 мм




57
     Расчетные результаты (CONV-3D)



                           температура твэлов и
                              теплоносителя




58
     Модель топливной сборки РУ СВБР-100




59
        Результат расчета (CONV-3D, LES ):
     поле температур топлива и теплоносителя




60
            Результат расчета (CONV-3D, LES ):
     распределение температуры на поверхности твэла




61
     Предполагаемые работы по применению CFD
      методов для обоснования проектов РУ (1/2)

      Детальный CFD расчет течения натриевого
       теплоносителя на выходе из хвостовиков кассет и в
       объеме над активной зоной реактора БН-600 (БН-800).
        Определение теплового следа, возникающего при
         снижении расхода (например, из-за частичной блокировки
         сечения) и увеличении подогрева в одной из кассет.
         Оценка отклика термопар термометрической решетки на
         появление горячей струи по сигналу средней
         температуры и по флуктуациям температуры на разных
         датчиках.
      Подготовка исходных данных, построение
       расчетных сеток, проведение Интегральных
       расчетов на базе CFD моделирования с
       использованием кодов ИБРАЭ. Оптимизация
       конструкции внутрикорпусных устройств

62
 Предполагаемые работы по применению CFD
  методов для обоснования проектов РУ (2/2)

      Детальный CFD расчет парогенератора РУ
       СВБР-100
        поля скоростей и температур во входных и выходных
         камерах и межтрубном пространстве по 1 контуру –
         на основе CFD
        Двухфазное течение воды-пара в трубках 2 контура –
         на основе канальной теплогидравлики СОКРАТ
      Детальный CFD расчет парогенератора РУ БН-
       1200 с учетом состояния воды в 3 контуре
      Проведение расчетов по обоснованию
       безопасности БН-1200 с анализом тяжелой аварии
       ULOF на основе связного кода COREMRLT-
       ГЕФЕСТ

63
    Анализ последствий запроектной аварии с разрывом
вспомогательного трубопровода 1 контура на АЭС с РУ БН-600




  Расчетные линии
     уровня дозы
      внешнего
    облучения от
   радиоактивного
    облака через5
     часов после
  начала выброса




 64                                                      64
Применение CFD методов моделирования атмосферного
переноса. Представления результатов. Поле концентрации.
                                  Заключение

        Цикл обновления кодов для анализа и обоснования безопасности
         АЭС составляет 10-15 лет. Смена поколений кодов вызвана
         следующими факторами:
          углублением знаний в результате появления новых данных и моделей;
          развитием новых вычислительных алгоритмов, технологий и техники;
          новыми требованиями к разработке проектов и обоснованию их
           безопасности.
        За предыдущие 30 лет сменились два поколения кодов от
         упрощенных инженерных до кодов улучшенной оценки и
         интегральных сквозных кодов. В ближайшие 10 лет предстоит
         революционное обновление кодов с переходом к реалистичному
         моделированию на основе:
            многофазности;
            многомерности;
            самосогласованного описания многообразия физических процессов;
            новых вычислительных алгоритмов и технологий;
            кластерных вычислительных систем и суперкомпьютеров максимальной
             производительности.
        Разрабатываемая в рамках ФЦП ЯЭНП будет системой нового
         поколения.


66

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:13
posted:6/17/2012
language:Russian
pages:66