Моделирование внекорпусной стадии тяжёлой аварии кодом СОКРАТ/HEFEST: взаимодействие тепловыделяющего расплава с бетоном Моисеенко Е. В., Филиппов А. С. ИБРАЭ РАН V школа-семинар СОКРАТ октября 2011 года, Тверская обл., дер. Волга

Где это может произойти? Пока есть АЭС без УЛР, есть опасность выхода расплава в бетонную шахту Потеря контроля над охлаждением бассейна выдержки или перегрузочного бассейна может привести к плавлению топлива В УЛР может происходить взаимодействие расплава с бетоном (EPR, АЭС-2006)

Какие явления с этим связаны? Плавление бетона и выход расплава в окружающую среду Выход горючих газов (H 2, CO) в ЗО и детонация Разогрев атмосферы в ЗО и термическое повреждение конструкций Выход радиоактивных ПД из расплава с последующим проникновением в окружающую среду

Какие есть расчётные средства? « Many western codes, including SCDAP/RELAP5, MELCOR, CONTAIN, ICARE2, ATHLET-CD, are available in Russia for the analysis of severe accidents in VVERs». Зарубежные автономные коды (CORCON) Разработки ИБРАЭ (CONV2D, HEFEST-EVA) Safety research needs for Russian- designed reactors. OECD, 1998

Основные процессы Остаточное объёмное тепловыделение Разложение бетона шахты Плавление бетона и перемешивание с кориумом Химические реакции в расплаве Конвективный теплообмен в расплаве Унос тепла с верхней границы расплава Выход неконденсируемых газов Выход аэрозолей H 2 O CO 2 Хим. реакции H 2 CO Mo Ru Sb Te SrO CsI …

Основные процессы – разложение бетона Температурный диапазон Химические реакцииХарактерные затраты энергии, кДж/моль К Са(ОН) 2 = СаО + Н 2 О Mg(ОН) 2 = MgО + Н 2 О 99,5 74, К СаСО 3 = СаО + CO 2 MgСО 3 = MgО + CO 2 165,5 86,7 H 2 O CO 2

Основные процессы – химические реакции в расплаве H 2 O CO 2 Реакции на фронте плавления Перенос материалов в ванну расплава Реакции в объёме расплава Н 2 CО Выход газов SiO 2 Zr Zr Fe Cr Si Ni Fe 3 O 4

Основные процессы – химические реакции в расплаве Реализованные для УЛР (водяной пар, гематит) Окисление циркония: Zr + 2H 2 O = ZrO 2 + 2H 2 Fe 2 O Zr = 2Fe + 1.5ZrO 2 Окисление хрома и никеля: Сr + 1.5H 2 O = 0.5Сr 2 O H 2 Ni + H 2 O = NiO + H 2 Fe 2 O 3 + 2Cr = 2Fe + Cr 2 O 3 Fe 2 O 3 + Ni = 2FeO + NiO Восстановление гематита: Fe 2 O 3 = 2FeO + 0.5O 2 Окисление свободного железа: Fe + 0.5O 2 = FeO Fe + H 2 O = FeO + H 2 Добавленные для бетона (углекислый газ, кремний) Окисление циркония: Zr + 2CO 2 = ZrO 2 + 2CO Zr +SiO 2 = ZrO 2 + Si Окисление хрома, никеля и кремния: Сr + 1.5CO 2 = 0.5Сr 2 O CO Ni + CO 2 = NiO + CO Si + 2 H 2 O = SiO H 2 Si + 2 CO 2 = SiO CO Окисление свободного железа: Fe + CO2 = FeO + CO Fe + H 2 O = FeO + H 2

Основные процессы – выход аэрозолей Вынос паров в пузырьках с последующей конденсацией Образование брызг при лопании пузырьков Fe Н 2 СО Cs 2 O CaO Ru Н 2 Fe СО Ru Fe CaO Ru Fe CaO Ru

Основные процессы – выход аэрозолей В расплаве: Топливо, цирконий, компоненты стали (и их оксиды) и бетона: Fe, Cr, Ni, FeO, Cr 2 O 3, NiO, UO 2, Zr, Zr 2 O 3, SiO 2, CaO, Na 2 O, K 2 O, Al 2 O 3, Si Продукты деления: Cs, I, Mo, Ru, Ba, Sr, La, Ce, Eu, Nd, Nb, Sb, Te Покидают расплав: Fe, Cr, Ni, Mo, Ru, Sb, Te, CaO, Al 2 O 3, SiO 2, CaO, Na 2 O, K 2 O, UO 2, ZrO 2, Cs 2 O, BaO, SrO, La 2 O 3, CeO 2, NbO, CsI

Основные процессы – конвекция в расплаве Модель эффективной теплопроводности: R,Z (T)= R,Z Н (T) R,Z (T,l)= R,Z Н (T) Н (T) – теплопроводность без учёта конвекции R,Z – конвективный множитель, зависит от числа Нуссельта

Работа с модулем HEFEST Включение моделей: chem concrete В бетоне должны быть материалы: H2Oevap – соответствует испаряемой воде в составе бетона; H2Ochem – соответствует химически связанной воде в составе бетона; CO2 – соответствует химически связанной двуокиси углерода в составе бетона. Результаты химических реакций пишутся в файл p0chem Начальные массы ПД задаются командой fprmass n m 1 m 2... m n n – количество элементов ПД в расплаве (n

Результат расчёта Масса, кг ZrO Zr2450 UO Стал ь КомпонентыМассовые доли SiO MgO0.010 CaO0.589 Fe 2 O Al 2 O H2OH2O0.075 CO Кориум Бетон Глубина проплавления Выход Н 2 и СО Выход ПД

Возможное развитие Доработка модели выхода ПД Изменение плотности материалов при плавлении Расширение валидационной базы

Спасибо!