СОДЕРЖАНИЕ
Введение......................................................................4
Общая характеристика работы...................................................6
1 Объект и задачи исследования.................................11
1.1 Актуальность перевода отработавшего ядерного топлива на сухое хранение
в России и за рубежом...................................................11
1.2 Отечественный и зарубежный опыт но технологии обращения с ОЯТ РБМК
с использованием контейнеров............................................12
1.3 Технология разделки и загрузки в контейнер ОЯТ РБМК-1000...............20
1.4 Основные выводы и задачи диссертационной работы........................24
2 Математические модели и алгоритм расчета...........................26
2.1 Постановка задачи и обзор расчетных кодов..............................27
2.2 Расчет нестационарных полей температур в твердых телах с применением метода конечных элементов.............................................29
2.2.1 Основные уравнения и граничные условия.............................30
2.2.2 Выбор элемента и определение функций формы.........................30
2.2.3 Методика разбиения расчетной области на зоны и элементы............32
2.2.4 Уравнения метода конечных элементов для двумерных задач теплопроводности.........................................................35
2.2.5 Вычисление вектора нагрузки и матриц на элементе...................37
2.2.6 Конечно-разностное решение дифференциальных уравнений..............42
2.2.7 Формирование и решение системы линейных алгебраических уравнений................................................................42
2.2.8 Оценка погрешности дискретизации...................................45
2.2.9 Затраты оперативной памяти и вычислительная эффективность..........47
2.3 Моделирование лучистого теплопсреноса..................................48
2.3.1 Сравнительный анализ радиационных моделей различных кодов 49
2.3.2 Постановка задачи о радиационном теплообмене.......................51
2.3.3 Алгоритм численной реализации метода Монте-Карло для определения угловых коэффициентов....................................................52
2.3.4 Оценка величины вероятностной ошибки при использовании метода Монге-Карло..............................................................59
2.4 Корреляционные соотношения для моделирования конвективного теплообмена...........................................................60
2.4.1 Вертикальные и горизонтальные поверхности..........................60
2.4.2 Замкнутые объемы...................................................62
2.4.3 Сборки топлива.....................................................63
2.5 Моделирование прогрева воздуха в ампулах...............................64
2.6 Моделирование прогрева воздуха в межампульном пространстве.............65
2.7 Моделирование процессов тепломассообмена при прогреве и кипении воды .66
2.8 Алгоритм расчета процессов теплообмена при загрузке ампул с ОЯТ в чехол МБК............................................................68
2.9 Основные выводы по второй главе........................................72
3 Тестирование и верификация программных модулей.............................73
3.1 Тестирование программного модуля расчета нестационарной теплопроводности.....................................................73
3.1.1 Охлаждение цилиндра конечной длины.................................74
3.1.2 Охлаждение цилиндра с непрерывно действующими источниками тепла 75
3.2 Тестирование программного модуля расчета угловых коэффициентов в системах черных тел..................................................76
3.2.1 Два параллельных круговых цилиндра одинакового диаметра............77
3.2.2 Два параллельных круговых цилиндра различного диаметра.............77
3.2.3 Круг и кольцо или круг, расположенные в параллельных плоскостях 78
3.2.4 Два коаксиальных цилиндра одинаковой высоты........................80
3.3 Сопоставление с данными экспериментальных исследований по прогреву модели имитатора одиночной ампулы с пучком твэлов на воздухе.........81
3.4 Сопоставление с результатами экспериментов и расчетов ЦКТИ по определению температурных режимов в 127-стсржнсвой сборке твэлов 88
3.5 Основные выводы по третьей главе.......................................92
4 Результаты расчетного анализа..............................................94
4.1 Результаты расчетов температурного состояния топлива и воды в ампулах в период загрузки ОЯТ РБМК-1000 в чехол МБК............................94
4.1.1 Исходные данные для расчетов.......................................95
4.1.2 Обоснование используемых в математической модели допущений 97
4.1.3 Результаты расчетов в соответствии с проектной схемой для Ленинградской АЭС........................................................108
4.1.4 Результаты расчетов в соответствии со схемами загрузки ампул в чехол контейнера от периферии к центру и в обратном порядке....................123
4.2 Расчетный анализ температурного состояния твэлов и корпуса контейнера в период выдержки МБК с ОЯТ в герметичном состоянии в помещении транспортного коридора....................................................126
4.3 Основные выводы по четвертой главе....................................130
Заключение..................................................................132
Список литературы...........................................................134
Приложение А Минимизация функционала для двумерного уравнения
нестационарной теплопроводности.........................................140
Приложение В КЛ(С)и схема хранения..........................................143
Приложение С Материалы конструкционных элементов ЭУ «Овал»..................144
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в России проблема хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) является весьма актуальной. Основное количество отработавшего топлива, требующего утилизации, составляет ОЯТ РБМК, переработка которого признана нецелесообразной из-за низкого остаточного содержания делящихся нуклидов [1]. ОЯТ РБМК хранится в приреакторных бассейнах выдержки (БВ) и отделыюстоящих промежуточных хранилищах, расположенных на территории атомных электростанций. Суммарные емкости этих хранилищ не рассчитаны на длительное хранение всего ОЯТ за срок службы энергоблоков. Одним из способов решения этой проблемы являлась технология уплотненного хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) в бассейнах выдержки [2], позволяющая практически в два раза увеличить количество пеналов с ОЯТ по сравнению с первоначальным проектом. Но и увеличения суммарной вместимости бассейнов для многих введенных в строй АЭС с реакторами РБМК достаточно лишь до 2005 - 2008 года [3], к тому же и срок пребывания ОЯТ под водой к этому времени уже будет близок к предельно-допустимому (~ 30 лет). Также необходимо отметить, что реализация уплотненного хранения ОЯТ обостряет вопросы обеспечения безопасности существующих хранилищ в регионах расположения атомных станций.
В качестве варианта следующего этапа промежуточного хранения (~ 40-50 лет) ОЯТ РБМК Правительством РФ было признано целесообразным использовать транспортно-упаковочные комплекты ТУК-104 и ТУК-109, разработанные на основе металлобетонного контейнера (МБК) КБСМ (г. С.-Петербург) совместно с рядом предприятий Минатома и Минобороны России, и других отраслей промышленности, отвечающих как нормам безопасного хранения и транспортирования ОЯТ в РФ, так и требованиям МАГАТЭ [4,5,6]. Одновременно с созданием контейнеров проводились работы по разработке отечественной технологии подготовки ОЯТ РБМК к сухому контейнерному хранению, учитывающей конструкционные особенности транспортно-упаковочных комплектов и данного вида топлива, а также условия обращения с ним.
Наиболее тяжелое состояние с ОЯТ сложилось на Ленинградской АЭС, поскольку эта станция является первой из введенных в строй АЭС данного типа и запасы скопившегося на ней отработавшего топлива особенно велики. Именно на этой станции впервые будет реализовываться перевод ОЯТ РБМК-1000 на сухое контейнерное хранение с использованием ТУК-104 и ТУК-109. В дальнейшем, разработанная и опробованная технология будет распространена и на другие АЭС с реакторами такого же типа - Курскую и Смоленскую.
Существенные отличия в конструкции транспортно-упаковочных комплектов и технологических операциях по переводу ОЯТ на сухое хранение не позволили
напрямую воспользоваться накопленным мировым опытом [7, 8] для отечественной технологической схемы. Поэтому перед создателями МБК и эксплуатирующими организациями возникла необходимость экспериментального и расчетнотеоретического обоснования оптимальных параметров технологических режимов по подготовке ОЯТ РБМК-1000 к сухому длительному хранению.
Одним из основных технологических этапов при переводе ОЯТ РБМК с «мокрого» на «сухое» хранение является разделка и загрузка отработавшего топлива в контейнер. Эти технологические операции предполагается производить на воздухе в специальных помещениях, примыкающих к хранилищам ОЯТ атомных станций и имеющих несколько барьеров герметичности по отношению к окружающей среде. Согласно разработанной технологической схеме, каждая ОТВС после досгавки ее из «мокрого» хранилища делится на две части и загружается в специальные ампулы, которые в течение достаточно продолжительного времени последовательно размещаются в чехле МБК. Далее этот чехол с ампулами помешается в контейнер, после чего контейнер герметизируется, выдерживается в таком состоянии в течении 24 ч (этап предварительной выдержки) и доставляется в помещения для осуществления дальнейших технологических операций по вакуумному осушению. Проекты таких помещений и технологические цепочки для каждой из АЭС с реакторами РБМК разрабатываются ВНИПИЭТ, ЦКБМ, КБСМ и др. предприятиями с учетом особенностей существующих хранилищ, привязки к местности и т.п.
Загрузка отработавшего топлива РБМК в контейнер будет осуществляться в сухих боксах на территории Ленинградской АЭС впервые в отечественной практике. Использование новых технологий потребовало обоснования условий безопасности и сохранения целостности оболочек твэлов при переходных режимах обращения с ОЯТ РБМК-1000.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации.
Предлагаемая работа посвящена моделированию процессов теплообмена и анализу температурного состояния твэлов на этапах загрузки ОЯТ в чехол и предварительной выдержки герметичного контейнера с ОЯТ. К настоящему моменту именно для этих технологических этапов по обращению с ОЯТ РБМК не существует ни экспериментального, ни расчетного анализа температурных режимов твэлов. Информация но изменению температурного состояния твэлов на переходных этапах необходима для обоснования условий безопасности и сохранения целостности их оболочек, а также влияния на последующие операции но обращению с этим видом топлива при переводе с «мокрого» на «сухое» хранение. Необходимо также отметить, что основные этапы, разработанной отечественной технологии существенно отличаются от соответствующих операций по обращению с ОЯТ за рубежом, где, в частности, загрузка топлива большинства энергетических реакторов в контейнеры производится под водой. В этом случае температура твэлов на всем протяжении этапа загрузки практически не изменяется и определяется из условий пребывания топлива в бассейне загрузки.
Нели диссертационной работы:
1. Разработка алгоритма и создание программных средств для анализа процессов сложного теплообмена в топологически меняющейся во времени системе тел применительно к технологическому этапу загрузки отработавшего ядерного топлива в контейнер.
2. Проведение численного анализа процессов теплообмена и получение температурных режимов твэлов с целыо обоснования непревышения максимально допустимых температур на этапе загрузки и обеспечения равномерного прогрева корпуса контейнера в период предварительной выдержки применительно к технологическому регламенту, разработанному для Ленинградской АЭС.
Методология и методы проведенного исследования.
Наиболее быстрым и экономически эффективным на начальной стадии исследований является расчетное моделирование, поскольку в более короткий период и с меньшими затратами позволяет выбрать или обосновать оптимальные параметры технологических режимов, нс прибегая к длительным и дорогостоящим экспериментальным исследованиям. Для достижения целей диссертационной работы автором были выбраны и разработаны методики моделирования, реализованные в виде алгоритмов для описания процессов тепломассообмена в сложной тсплопсрсдающей системе тел с изменяющейся во времени топологией, соответствующей произвольной последовательности размещения ампул с ОЯТ в
чехле контейнера. Перечислим более подробно используемые автором методы для моделирования процессов теплообмена:
- Поля температур в рассматриваемых телах находились из решения нестационарных уравнений теплопроводности с граничными условиями по лучистому и конвективному теплообмену с использованием метода конечных элементов, позволяющего достаточно легко моделировать расчетные области с меняющимися физическими свойствами и учитывать смешанные граничные условия. Для дискретизации расчетной области использовались квадратичные лагранжевы четырехугольные элементы. Уравнения метода конечных элементов для задач теплопроводности выводились на основе вариационных принципов. Для аппроксимации производной но времени использовался конечно-разностный алгоритм, соответствующий схеме Кранка-Николсона. Все вычислительные алгоритмы, связанные с матричными операциями, для программного модуля расчета полей температур были выполнены автором диссертации в технике разреженных матриц.
- Для решения задачи о теплообмене излучением применялся зональный метод, обладающий высокой вычислительной эффективностью при исследовании сложного комбинированного теплообмена в системах тел произвольной конфигурации. Для нахождения угловых коэффициентов излучения (необходимых величин при решении задач лучистого теплообмена) в различных системах тел, в том числе и с изменяющейся во времени топологией, использовался мегод Монте-Карло, основанный на серии статистических испытаний, как наиболее эффективный дтя геомегричсски сложных систем тел произвольной конфигурации.
- Для описания процессов конвективного теплообмена с водой и воздухом, а также при кипении воды, которое предполагалось возможным в случае высоких остаточных тепловыделений загружаемого ОЯТ, были отобраны эмпирические корреляционные соотношения, применимость которых в диапазоне изменения исследуемых параметров была подтверждена в ходе тестирования и верификации программных средств, разработанных на основе предложенной методики моделирования.
Научная новизна полученных результатов:
1. Для моделирования процессов тепломассообмена в период загрузки отработавшего ядерного топлива в контейнер на основе предложенной в диссертационной работе методики моделирования разработан алгоритм, основными достижениями которого являются:
- учет основных механизмов теплообмена в сложной тсплопередающей системе
- использование метода Монте-Карло для расчета угловых коэффициентов лучистого теплообмена в топологически меняющейся во времени системе тел, соответствующей произвольной последовательности размещения ампул с ОЯТ в чехле контейнера;
- возможность варьирования последовательностью, количеством и временными интервалами размещения ампул в чехле контейнера;
- возможность учета различных остаточных тепловыделений отработавших тепловыделяющих сборок, загружаемых в контейнер.
На основе разработанного алгоритма применительно к технологическим этапам загрузки ампул с ОЯТ в контейнер и предварительной выдержки герметичного контейнера для численного анализа процессов тепломассообмена и расчета температурных режимов твэлов созданы программные средства, допускающие варьирование определяющими физическими и технологическими параметрами на уровне входных данных.
Проведены расчеты, воспроизводящие протекание процессов тепломассообмена для технологического регламента Ленинградской АЭС в ходе которых обосновано непревышение максимально допустимых температур твэлов и обеспечение равномерного прогрева корпуса контейнера на этапах предварительной выдержки контейнеров, загружаемых ОЯТ РБМК-1000 10-ти и 30-лстней выдержки.
Практическая ценность диссертационной работы:
Результаты расчетов температурных режимов твэлов в период загрузки, были использованы ВНИИНМ им. А.А.Бочвара для обоснования условий обращения с ОЯТ РБМК-1000 при переходных режимах обращения в рамках выполнения работ по заказу Департамента атомной науки и техники Минатома России.
Поля температур твэлов и других конструкционных элементов, а также воды в ампулах, рассчитываемые с помощью разработанных автором программных средств, использовались в качестве исходных данных для уточнения расчетов по изменению параметров следующего технологического этапа - вакуумного осушения внутренней полости контейнера с ОЯТ РБМК-1000 в рамках выполнения работ по заказу Ленинградской АЭС и ВНИИНМ им. А.А.Бочвара. Разработанные программные средства мо1ут использоваться для проведения расчетного анализа температурного состояния твэлов и обоснования эффективности технологического этапа загрузки ампул с ОЯТ для других АЭС, эксплуатирующих энергоблоки с реакторами РБМК - Смоленской и Курской, с учетом привязки к их технологическим цепочкам.
Разработанные программные средства могут быть адаптированы к расчету' температурного состояния твэлов других реакторов, как промышленных, так и
исследовательских, загружаемых в контейнер с различным остаточным тепловыделением и с сильной неравномерностью по высоте.
Основные положения, выносимые на защиту:
- разработанные методики и вычислительные алгоритмы, а также созданные па их основе программные средства для моделирования процессов сложного тепломассообмена в топологически изменяющейся во времени системе тел применительно к технологическому этапу загрузки отработавшего ядериого топлива в контейнер;
- результаты тестирования и верификации разработанных программных средств;
- результаты численного анализа процессов теплообмена для этапов загрузки ампул с пучками твэлов в чехол и предварительной выдержки контейнера при воспроизведении технологического регламента для Ленинградской АЭС в широком диапазоне варьирования основных физических и технологических параметров.
Апробация результатов диссертации.
Материалы диссертации были доложены и обсуждены: на XI семинаре по проблемам физики реакторов - Москва, 2000; на международных конференциях "Радиационная безопасность" - Санкт-Петербург, 2000 и 2002; на Техническом ссминарс/совсщании МАГАТЭ «Dry Spent Fuel Technology», Санкт-Петербург, 2002; на 4-м семинаре/совещании Ливсрморской Национальной Лаборатории (США) по российско-американским контрактам по утилизации оружейного плутония -Санкт-Петербург, 2003; а также на отраслевых совещаниях по данной тематике.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Работа представлена на 145 стр., в том числе основного текста 133 стр., библиографии 6 стр. (91 наименование) и приложений 6 стр. Работа содержит 79 рисунков и 11 таблиц.
В первой главе диссертационной работы представлены объект и предмет исследования. Показана актуальность проблемы перевода отработавшего топлива на сухое хранение, как в России, так и за рубежом. Проведен сравнительный обзор основных этапов зарубежной и отечественной технологии по переводу отработавшего топлива РБМК на сухое контейнерное хранение. Среди зарубежных технологий наибольшее внимание отведено опыту подготовки ОЯТ РБМК-1500 Игналииской станции к контейнерному хранению по технологии немецкой компании GNB, использующей контейнеры собственной разработки CASTOR0 RBMK и CONSTOR® RBMK. По контейнерному хранению РБМК в России приводится описание основных этапов перевода этого вида топлива на сухое хранение но технологии, впервые
разработанной для Ленинградской АЭС, с использованием транспортноупаковочных комплектов ТУК-104 и ТУК-109. Подробно рассмотрен регламент транспортно-технологических операций по разделке ОТВС РБМК-1000 и их зафузке в контейнер для Ленинградской АЭС. В заключение этой главы сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе диссертационной работы дается обзор отечественных и зарубежных кодов для моделирования процессов теплообмена в многостсржпевых системах, в том числе и контейнерах с ОЯТ; содержится описание методов моделирования, и алгоритма расчета, разработанного автором, для описания процессов теплообмена в сложной теплопередающей системе тел с изменяющейся во времени топологией при воспроизведении регламента зафузки ампул с ОЯТ РБМК-1000 в контейнер для Ленинфадской АЭС.
В третьей главе диссертационной работы представлены результаты верификации разработанных профаммных средств путем сопоставления с задачами, имеющими аналитическое решение, и результатами экспериментов по разофеву имитатора одиночной ампулы с пучком твэлов, проведенных в НИТИ, и исследованию температурного состояния 127-ми стержневой сборки, проведенных в ЦКТИ.
В заключительной, четвертой главе, содержатся исходные данные и результаты расчетов температурного состояния твэлов при численном воспроизведении регламента транспортно-технологических операций по зафузке ОЯТ РБМК для Ленишрадской АЭС с использованием транспортно-упаковочных комплектов ТУК-104 и ТУК-109; приводится обоснование корректности допущений, используемых при моделировании; рассматривается влияние нештатных схем последовательного размещения ампул с ОЯТ в чехле контейнера и наличия или отсутствия воды в ампулах на температурное состояние твэлов; приводится анализ изменения температурного состояния твэлов и корпуса контейнера в период выдержки последнего полностью зафуженного отработавшим топливом в герметичном состоянии в помещении транспортного коридора. По результатам расчетных исследований проводится обоснование непревышения максимально допустимых температур твэлов (300 °С) и эффективности штатной технологической схемы последовательного размещения ампул с пучками твэлов ОЯТ РБМК-1000 в чехле контейнера для Ленинфадской АЭС.
1 ОБЪЕКТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В этой главе диссертационной работы представлены объект и предмет исследования и сформулированы задачи диссертационной работы.
В разделе 1.1 показана актуальность проблемы перевода отработавшего топлива на сухое хранение, как в России, так и за рубежом и перечислены возможные варианты сухого хранения отработавшего топлива.
В разделе 1.2 дается сравнительный обзор основных этапов зарубежной и отечественной технологии по переводу отработавшего топлива РБМК на сухое контейнерное хранение. Среди зарубежных технологий наибольшее внимание отведено опыту подготовки ОЯТ РБМК-1500 Игналинской станции к контейнерному хранению по технологии немецкой компании GNB, использующей контейнеры собственной разработки CASTOR® RBMK и CONSTOR® RBMK. По контейнерному хранению РБМК в России приводится описание основных этапов перевода этого вида топлива на сухое хранение по технологии, впервые разработанной для Ленинградской АЭС, с использованием транспортно-упаковочных комплектов ТУК-104 и ТУК-109, на базе металлобетонного контейнера.
В разделе 1.3 дастся подробное описание технологического процесса за1рузки ОЯТ РБМК-1000 в контейнер для Ленинградской АЭС.
В заключительном разделе сформулированы задачи диссертационной работы.
1.1 Актуальность перевода отработавшего ядерного топлива на сухое хранение в России и за рубежом
На начальном этапе развития атомной энергетики страны, осуществлявшие замкнутый топливный цикл, обычно хранили отработавшее ядерное топливо в приреакторных бассейнах, в которых сборки размещались под водой на стеллажах или в контейнерах, а после их перевозки - в бассейнах-хранилищах завода по переработке отработавшего топлива.
Однако нехватка мощностей для храпения на перерабатывающих предприятиях или непосредственно на территориях атомных станций изменила картину. В то же время не вес страны остановили свой выбор на замкнутом топливном цикле, а вместо этого предпочли хранить отработавшее топливо до принятия решения об его окончательной судьбе. В результате многие зарубежные ядерно-энергстические компании приступили к расширению своих бассейнов-хранилищ для отработавшего топлива, и хранилища бассейнового типа были построены как на реакторных площадках, так и за их пределами. С тех пор площадок для окончательного удаления отработавшего топлива не строили, а потребности в долгосрочном захоронении возросли.
В России одним из решений этой проблемы для отработавшего топлива РБМК являлась технология уплотненного хранения, позволяющая в два раза увеличить количество пеналов с ОТВС по сравнению с проектом. Впервые эта технология была реализована на Ленинградской АЭС [2], поскольку она является первой из введенных в строй АЭС данного типа, и запасы скопившегося на ней отработавшего ядерного топлива особенно велики.
Безопасность и надежность на всех этапах обращения с отработавшим топливом после этапа эксплуатации в активной зоне обеспечивается сохранностью материала оболочек твэлов. Продолжающееся в процессе мокрого хранения ОТВС в пеналах протекание коррозионных процессов и деградация материала оболочек твэлов, в конечном итоге, могут привести к разгерметизации топливных элементов в процессе промежуточного хранения или на последующих этапах обращения с ОЯТ и выходу радионуклидов в производственные помещения и окружающую среду [22]. К тому же и предельно допустимые сроки пребывания отработавшего топлива под водой не должны превышать 30-ти лет [3].
Альтернативой мокрой технологии хранения является технология сухого хранения отработавшего топлива, предварительно выдержанного в воде для уменьшения радиоактивности и снижения тепловыделения. В этом случае улучшаются условия содержания топлива, поскольку вода является более агрессивной средой хранения по сравнению с воздухом и инертными газами. Это обеспечивает целостность твэлов в течение более длительного времени. К тому же упрощается обслуживание хранилищ, особенно при охлаждении ОЯТ путем естественной конвекции [5].
За последние годы, как в России, так и за рубежом были проведены предварительные проработки нескольких вариантов технологий сухого хранения: хранилища скважинного и камерного типов, хранилища типа железобетонного массива, а также хранилища с использованием контейнеров, бункеров и стальных камер, которые обычно располагаются вне реакторной площадки [5,9].
К настоящему времени в России принято решение о сооружении централизованного сухого хранилища камерного типа на ГХК и об организации накопительных площадок контейнерного типа на территории АЭС, призванных обеспечить перевод ОЯТ на сухое хранение еще до начала ввода в эксплуатацию централизованного хранилища [39].
1.2 Отечественный и зарубежный опыт по технологии обращения с ОЯТ РБМК с использованием контейнеров
Наибольший интерес с практической точки зрения применительно к теме диссертационной работы представляет зарубежный опыт обращения с ОЯТ РБМК.
- Киев+380960830922