ПРОЕКТ ERCOSAM/SAMARA

• Использование тонкораспыленной воды для подавления горения и детонации водорода

В обосновании водородной безопасности АЭС важную роль играет оценка пространственного распределения водорода под защитной оболочкой АЭС в аварийных условиях.

Образование водорода в реакторах на тепловых нейтронах с водным теплоносителем в режиме нормальной эксплуатации обусловлено разложением воды или пара под действием облучения в активной зоне реактора. При запроектной аварии с осушением активной зоны возникают условия для выделения водорода в термохимических реакциях пара с цирконием, топливом, конструкционными материалами и топлива с бетоном. Повышенная концентрация водорода внутри защитной оболочки АЭС в аварийных условиях может привести к взрыву с разрушением ЗО и выходом радионуклидов в окружающую среду. Кроме того, большинство турбогенераторов, которые эксплуатируются на АЭС, имеют водородное охлаждение, и при их использовании необходимо предусматривать меры пожарной безопасности машинного зала.

В рамках сотрудничества Росатом — Евратом с 2010 г по 2014 г выполнялись параллельно- согласованные проекты SAMARA и ERСOSAM. Они включали комплексные расчетно-экспериментальные исследования стратификации легкого газа в экспериментах со сценарием, воспроизводящим последовательность событий при тяжелой аварии с потерей теплоносителя на легководном реакторе, и возможности разрушения стратификационного слоя при работе технических средств управления авариями (спринклеров, теплообменников-конденсаторов, пассивных автокаталитических рекомбинаторов). Начальные и граничные условия экспериментов основаны на характеристиках, полученных для тяжелой аварии «малая течь» в типовой защитной оболочке АЭС, с учетом масштабирования при переходе от АЭС к маломасштабным экспериментальным установкам.

В общей сложности проведено 15 экспериментов на установках разного масштаба — TOSQAN (7 м³), СПОТ (59 м³), MISTRA (100 м³) и PANDA (100 м³), а также численный бенчмарк на конфигурации концептуальной установки HYMIX масштаба, близкого к прототипу (3000 м³).

В аналитических исследованиях были задействованы программы вычислительной гидродинамики (CFD-коды) FLUENT, GASFLOW, CFX, OpenFOAM, а также коды в сосредоточенных параметрах GOTHIC, TONUS, COCOSYS, ASTEC, КУПОЛ-М, КУПОЛ-МТ, широко использующиеся в текущей практике обоснования безопасности АЭС. В рамках проектов ИБРАЭ РАН проводил доработку CFD-кодов универсального назначения FLUENT и OpenFOAM и оценку их возможностей для задач расчета распределения водорода в защитной оболочке АЭС.

В параллельном проекте приняли участие специалисты из трех российских (ИБРАЭ РАН, ГНЦ ФЭИ им.А.И. Лейпунского, ОАО «ОКБМ Африкантова»), шести европейских (PSI, FzJ, KIT, NRG, CEA, IRSN), одной канадской (AECL) и одной американской (NRC) научных организаций. ИБРАЭ РАН выполнял роль координатора российского проекта SAMARA.

Основные результаты и их приложения

По итогам выполнения проектов создана база первичных экспериментальных данных по физическим явлениям, происходящим в защитной оболочке легководных реакторов во время постулируемых аварий с разрушением активной зоны, подготовлена CFD-технология для численного анализа теплогидравлики пароводородных смесей в защитной оболочке АЭС с ВВЭР при тяжелой аварии.

Результаты экспериментальной программы ERСOSAM/SAMARA широко используются специалистами ИБРАЭ для создания и проверки новых расчетных методик и кодов для обоснования водородной взрывобезопасности АЭС, позволяющих прецизионно моделировать спектр явлений различной физической природы, протекающих в широком диапазоне временных и пространственных масштабов (естественная и вынужденная конвекция, диффузионное и турбулентное перемешивание среды, конденсация пара, радиационный теплообмен и другие).

Наиболее интересные результаты получены с использованием подхода, основанного на методике КАБАРЕ. Методика КАБАРЕ относится к вихреразрешающим методам с неявным моделированием подсеточных масштабов турбулентности. Данный метод позволяет проводить расчеты на сетках с неполным разрешением масштабов турбулентности без введения дополнительных настроечных параметров. Единственным источником неопределенностей является только сеточная модель, критерий выбора которой основан на анализе сходимости решения.

Ниже приведены примеры расчета эксперимента PE4 на установке PANDA (проект ERСOSAM/SAMARA) по методике КАБАРЕ. На первом рисунке представлено распределение температуры на фазе вдува пара (t=500 сек), имитирующей поступление теплоносителя из реакторного устройства в защитную оболочку, и сравнение с показаниями термопар, расположенных на разной высоте по оси струи. На втором рисунке приведен график зависимости давления в установке от времени. Совпадение давления с экспериментальными данными позволяет говорить о высокой точности моделирования пристеночной конденсации пара.

Изоповерхность поля температуры (слева), сравнение расчета по схеме КАБАРЕ с экспериментальными данными (справа)

Давление в установке в зависимости от времени, сравнение расчета по схеме КАБАРЕ с экспериментальными данными PE4 (ERCOSAM-SAMARA)

© ИБРАЭ РАН