Osnovni podatki projekta

• Z2-4437 Interakcija taline s hladilom v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline
• Z2-4437 Fuel-coolant interactions in combined stratified and melt jet configurations

Logotipi financerjev

Vsebinski opis projekta

Parna eksplozija je možna posledica interakcije taline s hladilom. Do pojava lahko pride med težko nesrečo v jedrski elektrarni, če staljena reaktorska sredica pride v stik s hladilom.

Naša nedavna raziskava je razkrila pomembno negotovost glede ocene moči parnih eksplozij. Pretekle raziskave so bile posvečene bodisi konfiguraciji curka taline, kjer se curek talilne izlije v bazen hladila, ali razslojenim razmeram, kjer se plast taline razprostira pod plastjo hladila. Vendar pa je lahko tudi kombinacija obeh konfiguracij realističen pogoj. Kombinacijo razslojenih razmer in curka talilne bomo proučevali v okviru predlaganega projekta, ki ima sledeča cilja:

1) Prvi cilj predlaganega projekta je združiti modeliranje mešanja taline in hladila v obeh konfiguracijah, kar v veliki meri določa količino taline, ki lahko sodeluje pri parni eksploziji. Najprej bomo analizirali eksperimente s parnimi eksplozijami v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline z namenom izboljšanja razumevanje interakcije taline s hladilom. Računalniški program za interakcije taline s hladilom bo nadgrajen, kar bo omogočilo simulacijo takih interakcij v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline. Pristop k modeliranju bo preverjen na razpoložljivih eksperimentalnih rezultatih s simulacijami tako mešalne faze kot tudi faze parne eksplozije.

2) Drugi cilj je razširiti raziskavo na reaktorske pogoje. Simulacije mešanja in parne eksplozije v reaktorskih pogojih bodo pokazale uporabnost razvitega pristopa k modeliranju in podale oceno pričakovane tlačne obremenitve v reaktorski votlini, kar je zelo pomembno za jedrsko varnost.

 

Sestava projektne skupine

Vodja projekta: Janez Kokalj 

Organizacija prijaviteljica: Institut Jožef Stefan

Faze projekta

• DP1: Kombiniranje mešanja kapljic taline in hladila v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline.

• DP2: Simulacije ITH v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline v reaktorskih razmerah.

Poročilo o projektu

DP1: Kombiniranje mešanja kapljic taline in hladila v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline
Cilj delovnega paketa je bil združiti pristope modeliranja za mešanje kapljic taline in hladila v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline.

1. Pregleda razpoložljive literature in eksperimentov s področja interakcije taline s hladilom (ITH):

Opravljen je bil pregled literature na področju interakcij taline s hladilom. Izkazalo se je, da je nekatere pretekle eksperimente mogoče identificirati kot interakcijo taline s hladilom v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline, npr. če se talino vlije v plitev bazen hladila. Podrobnejši pregled literature in eksperimentov s področja interakcije taline s hladilom, relevantnih za kombinirane razmere, je bil opravljen v [1, 2].

2. Razvoj pristopa k modeliranju za kombiniranje prispevkov mešanja kapljic taline in hladila iz razslojenih razmer in talilnega curka:

Pretekle raziskave so bile posvečene konfiguraciji curka taline, kjer le-ta prodre v globok bazen hladila, ali razslojenim pogojem, kjer se talina razprostira pod hladilom. Vendar pa je lahko prepletena konfiguracija – kombinirane razmere, realen pogoj, kot je razvidno tudi iz nekaterih eksperimentov. Če se talina zlije v bazen hladila, ki ni dovolj globok, da bi zagotovil popoln razpad curka taline, preostali curek taline doseže dno in se razširi. Na podlagi pregleda razpoložljive literature s področja ITH in eksperimentalnih rezultatov smo popisali mešanje taline in hladila v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Ocenjen je bil delni razpada curka taline glede na različne modele in je odvisen od geometrije in lastnosti materiala. Rezultat je delež razpadlega curka taline in količina curka, ki doseže dno in se razprostre. Iz razprostrte taline pa nato nastane mešalna plast.

3. Implementacija razvitega pristopa k modeliranju v program za ITH:

Razviti pristop k modeliranju je vgrajen v našo delovno verzijo programa za računsko dinamiko tekočin MC3D V3.9.0p1 [1, 7]. Program razvija in upravlja IRSN (Francija) predvsem za potrebe simulacije ITH. Vgradnja razvitega modela v program MC3D je bila zahtevna, saj je bilo potrebno upoštevati Eulerjevo naravo programa. Spremembe v programu se nanašajo na modul za mešalno fazo. V skladu z razvitim pristopom smo združili prispevka fragmentacije curka, ki je že v osnovni verziji programa, in fragmentacije plasti taline v razslojenih razmerah. Z implementacijo našega modela v delovno verzijo programa MC3D je program glede na naše poznavanje prvi, ki lahko simulira mešalno fazo ITH v kombiniranih razmerah. S tem je mogoče natančneje simulirati zapletene pojave medsebojnega delovanja taline in hladila, mešanja taline in hladila ter potencialne parne eksplozije.

4. Verifikacija in validacija implementiranega pristopa s simulacijami integralnih eksperimentov:

Razpad curka in parne eksplozije v razmerah curka taline v bazenu vode je verificiran in validiran že v osnovni verziji programa ter tudi preko večih raziskovalnih projektov. Nastanek mešalne plasti in parne eksplozije v razslojenih razmerah pa so bile precej manj obravnavane. Poleg verifikacije in validacije delovne verzije programa MC3D za ITH v razslojenih razmerah smo opravili tudi parametrične in občutljivostne analize [5, 6, 8, 9, 10]. Opazen je bil vpliv večje hitrosti fragmentacije in posledično bogatejše mešanice kapljic taline in vode na krajše trajanje parne eksplozije. Prav tako so bile parne eksplozije krajše v primeru manjših kapljic taline zaradi hitrejše fine fragmentacije. Hitrost izmeta kapljic taline je vplivala kvalitativno na mešalno plast, ne pa na moč parne eksplozije. Največji vpliv na moč parne eksplozije je imela površina taline in posledično velikost mešalne plasti ter masa kapljic taline, ki je lahko sodelovala v parni eksploziji.

Nato smo opravili verifikacijo in validacijo implementiranega pristopa za modeliranje kombiniranih razmer s simulacijami integralnih eksperimentov [1, 7]. Pristop k modeliranju in nadgrajena delovna verzija programa sta bila preverjena na integralnem eksperimentu PULiMS E6.

DP2: Simulacije ITH v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline v reaktorskih razmerah.

Glavni cilj drugega delovnega paketa je bil uporabiti razvit pristop k modeliranju in simulirati mešanje kapljic taline in hladila v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline v reaktorskih razmerah.

1. Simulacije ITH v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline v reaktorskih razmerah:

Za oceno pričakovanih tlačnih obremenitev so bile izvedene različne simulacije parnih eksplozij v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline v tipični geometriji tlačnovodnega reaktorja [7, 11, 12]. Najprej je bila simulirana mešalna faza in nato sledeča eksplozijska faza, pri kateri se rezultati mešane faze uporabijo kot začetni pogoji, doda pa se sprožilec eksplozije.

Rezultati simulacije v kombiniranih razmerah so pokazali dobro ujemanje s teoretično napovedjo glede razpada curka v odvisnosti od dimenzije curka taline in globine bazena. Simulacije so nam dale tudi podrobnejši vpogled v nastalo mešanico curka taline, kapljic taline, vode in pare, od česar je močno odvisna potencialna parne eksplozija.

Izvedena je bila občutljivostna analiza, pri kateri smo spreminjali vrednosti parametrov razvitega pristopa k modeliranju z vplivom na razmerje mešanja taline in hladila zaradi obeh prispevkov, višino mešane plasti ter velikosti kapljic taline [11, 12]. Pokazala je, da ima največji vpliv hitrost fragmentacije curka taline, predvsem na skupno maso kapljic taline v mešanici z vodi.

Izvedena je bila parametrična analiza, pri kateri smo spreminjali pogoje pri parni eksploziji (temperatura taline, premer curka taline, podhlajenost vode, globina vode, čas sprožitve eksplozije) [7, 11, 12]. Pričakovano je pokazala, da z globino vode in velikostjo curka taline narašča mešanje obeh tekočin in posledično moč parne eksplozije. Opazna sta tudi dva nasprotujoča si vpliva temperature vode na parne eksplozije. Zaradi večjega uparjanja med mešalno fazo nastane manj bogata mešanica kapljic taline in vode, obenem pa pride tekom parne eksplozije do hitrejšega uparjanja in do, glede na maso kapljic taline, relativno močnejše parne eksplozije.

Rezultati izračunov so pokazali, da je eden najpomembnejših parametrov pri parni eksploziji količina kapljic taline v mešanici z vodo. Časovna odvisnost se tako izkaže za zelo pomembno. Tekom mešalne faze interakcije taline s hladilom masa kapljic taline v mešanici z vodo močno niha, kar močno vpliva na moč parne eksplozije zaradi količine taline, ki lahko sodeluje pri parni eksploziji. Občutljivostna in parametrična analiza sta bili zato opravljeni tudi pri optimalnem času proženja eksplozije.

2. Ocena tlačnih obremenitev na okolico:

Parcialne analize ITH v razslojenih razmerah v reaktorski geometriji so pokazale tveganje za relativno močne parne eksplozije. Rezultati z lokalnim tlakom več kot 60 MPa in tlačnim impulzom preko 50 kPa∙s so primerljivi parnim eksplozijam v klasični geometriji curka taline. V primerjavi z eksperimenti na srednjih velikostnih skalah PULiMS in SES so bile sile in impulzi v simulacijah v reaktorski geometriji več kot 100-krat večje [8].

Analiza tlakov in tlačnih impulzov je bila razširjena na kombiniranih razmerah [7, 12]. Tlak in impulz sta največja na dnu reaktorske votline ter padata z višino, do gladine vode. Največji dosežen tlak je bil 125 MPa, medtem ko so tipične vrednosti do nekaj deset MPa. Opaziti je, da tlak narašča s premerom curka taline. Največji tlačni impulz je bil okoli 180 kPa∙s, medtem ko so tipične vrednosti okoli 100 kPa∙s. Če je tlak odvisen predvsem od premera curka, pa je impulz odvisen tudi od globine vode. Iz rezultatov preteklih analiz v različnih reaktorskih razmerah (samo curek taline ali samo razslojene razmere), lahko ocenimo, da so rezultati tlačnih obremenitev za kombinirane razmere vsaj tolikšni, kot za simulacije, kjer se je upoštevalo le razpad curka taline, ter okrog trikrat večji kot samo za razslojene razmere.

Bibliografske reference