nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2023-2-49-57nuc-506Research ArticleСтатьиМОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОРИУМА С КАНДИДАТНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ – ОХЛАДИТЕЛЯМИ В ЛОВУШКЕ РАСПЛАВА ЛЕГКОВОДНОГО РЕАКТОРАMODELING OF THE CORIUM AND METALS – COOLERS INTERACTION IN A CORE CATCHER OF A LIGHT WATER REACTORСкаковМ. К.SkakovM. K.

Мажын Канапинович Скаков

Курчатов

Mazhyn Skakov

Kurchatov

skakov@nnc.kzБаклановВ. В.BaklanovV. V.

Виктор Владимирович Бакланов

Курчатов

Viktor Baklanov

Kurchatov

baklanov@nnc.kzТолеубековК. О.ToleubekovK. O.

Куанышбек Оразбекович Толеубеков

Курчатов, Семей

Kuanyshbek Toleubekov

Kurchatov, Semey

toleubekov@nnc.kzАкаевА. С.AkaevA. S.

Асан Сабырович Акаев

Курчатов

Assan Akaev

Kurchatov

akaev@nnc.kzБекмулдинМ. К.BekmuldinM. K.

Максат Куатбекович Бекмулдин

Курчатов, Семей

Maxat Bekmuldin

Kurchatov, Semey

Bekmuldin@nnc.kzГрадобоевА. В.GradoboevA. V.

Томск

Alexandr Gradoboev - Professor, Division for Experimental Physics, School of Nuclear Science and Engineering, Tomsk Polytechnic University, Dr. Tech. Sc.

Tomsk

 

gradoboev1@mail.ruНациональный ядерный центр Республики КазахстанКазахстанNational nuclear center of the Republic of KazakhstanKazakhstanФилиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РККазахстанBranch “Institute of Atomic Energy” RSE NNC RKKazakhstanФилиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК; Университет имени ШакаримаКазахстанBranch “Institute of Atomic Energy” RSE NNC RK; Shakarim University, SemeyKazakhstanТомский политехнический университетРоссияTomsk Polytechnic UniversityRussian Federation202306072023024957Copyright © Скаков М.К., Бакланов В.В., Толеубеков К.О., Акаев А.С., Бекмулдин М.К., Градобоев А.В., 20232023Скаков М.К., Бакланов В.В., Толеубеков К.О., Акаев А.С., Бекмулдин М.К., Градобоев А.В.Skakov M.K., Baklanov V.V., Toleubekov K.O., Akaev A.S., Bekmuldin M.K., Gradoboev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/506

Одним из обязательных элементов системы безопасности реактора, предотвращающей выход материалов активной зоны реактора при тяжелой аварии, является ловушка расплава, которая представляет собой стальной корпус, заполненный жертвенными материалами (ЖМ), и образующий сосуд, где формируется ванна кориума, поступающая из активной зоны. Охлаждение образующейся в ловушке ванны расплава происходит отводом тепла к охлаждающей воде через оболочку стального корпуса, а также водой, подаваемой непосредственно на поверхность расплава после завершения процесса растворения ЖМ в кориуме (гравитационная инверсия). Задержка подачи воды на расплав связана с особенностями компонентного состава кориума и его взаимодействием с водой (образование взрывоопасного водорода и возможность его детонации, а также угроза парового взрыва). Однако на осуществление гравитационной инверсии затрачивается некоторое количество времени, а подачу воды на расплав желательно начинать сразу в момент выхода кориума в ловушку ввиду опасности выхода системы за допустимые пределы (начало кипения диоксида урана) благодаря остаточным тепловыделениям в кориуме. В связи с этим у авторов возникла идея – использовать легкоплавкий металл для дополнительного охлаждения поверхности кориума с целью организации непрерывного теплосъема и уменьшения температуры кориума в период до окончания процесса гравитационной инверсии. В представленной статье приведены результаты моделирования взаимодействия кориума с кандидатными легкоплавкими металлами – охладителями. Моделирование осуществлялось с помощью программного комплекса ANSYS. В результате проведенной работы определено время, за которое каждый из рассматриваемых металлов – охладителей достигнет точек фазовых переходов плавления и кипения. Анализ результатов позволил сделать соответствующие выводы об возможной практической реализации предложенного способа охлаждения кориума.

The core catcher is one of the mandatory elements of the reactor safety system, which prevents the release of reactor core materials in a severe accident. The core catcher is steel vessel filled with sacrificial materials (SM) and forming a tank where a corium melt coming from the core is formed. The trap is a steel body filled with sacrificial materials (LM) and forming a vessel where a corium bath is formed coming from the core. The melt formed in the core catcher is cooled by heat removal to the cooling water through the shell of the steel vessel, as well as by water supplied directly to the surface of the melt after the dissolution process of the SM in corium (gravitational inversion). The delay in the water supply to the melt is associated with the features of the component structure of corium and its interaction with water (the formation of explosive hydrogen and the possibility of its detonation, as well as the threat of a steam explosion). However, a certain amount of time is spent on the implementation of gravitational inversion, and it is desirable to start the water supply to the melt immediately at the moment when the corium enters the core catcher due to the danger of the system going beyond the permissible limits (the beginning of boiling of uranium dioxide) due to decay heat in the corium. In this regard, the authors have an idea – to use a fusible metal for additional cooling of the surface of the corium in order to organize heat removal and reduce the temperature of the corium in the period before the end of the gravitational inversion process. The article presents the results of modeling the interaction of corium with candidate low-melting metals – coolers. The modeling was conducted using the ANSYS software package. As a result of the conducted work, the time for which each of the considered cooling metals will reach the points of phase transitions of melting and boiling is determined. The analysis of the results allowed us to draw appropriate conclusions about the possible practical implementation of the proposed method of cooling corium.

легководный реакторкориумтяжелая аварияловушка расплавамоделированиеANSYSнестационарный расчетобразование водородапаровой взрывlight-water reactorcoriumsevere accidentcore catchermodelingANSYSunsteady calculationhydrogen formationsteam explosionThis research has been funded by the Science Committee of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan (Grant No. AP14870512)ReferencesКухтевич И.В., Безлепкин В.В., Хабенский В.Б., Грановский В.С., Асмолов В.Г., Бешта С.В., Сидоров А.С., Беркович В.М., Стрижев В.Ф., Хуа Минь Чан, Рогов М.Ф., Новак В.П. Концепция локализации расплава кориума на внекорпусной стадии запроектной аварии АЭС с ВВЭР-1000 // Отраслевая конференция «Вопросы безопасности АЭС с ВВЭР». СПб., 2000.Kukhtevich I.V., Bezlepkin V.V., Khabenskiy V.B., Granovskiy V.S., Asmolov V.G., Beshta S.V., Sidorov A.S., Berkovich V.M., Strizhev V.F., Khua Min' Chan, Rogov M.F., Novak V.P. Kontseptsiya lokalizatsii rasplava koriuma na vnekorpusnoy stadii zaproektnoy avarii AES s VVER-1000 // Otraslevaya konferentsiya «Voprosy bezopasnosti AES s VVER». SPb., 2000.Молчанов И. А., Шумилин М. П. Удержание расплава активной зоны внутри контаймента при тяжелых авариях ядерных энергоблоков // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2011. – № 2(8). – С. 65–67.Molchanov I. A., Shumilin M. P. Uderzhanie rasplava aktivnoy zony vnutri kontaymenta pri tyazhelykh avariyakh yadernykh energoblokov // VostochnoEvropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy. – 2011. – No. 2(8). – P. 65–67.Сидоров А.С., Рогов М.Ф., Новак В.П., Кухтевич И.В., Безлепкин В.В., Хабенский В.Б., Грановский В.С., Бешта С.В., Асмолов В.Г. Устройство локализации расплава Тяньваньской АЭС. Конструкция и функционирование // Отраслевая конференция «Вопросы безопасности АЭС с ВВЭР». СПб., 2000.Sidorov A.S., Rogov M.F., Novak V.P., Kukhtevich I.V., Bezlepkin V.V., Khabenskiy V.B., Granovskiy V.S., Beshta S.V., Asmolov V.G. Ustroystvo lokalizatsii rasplava Tyan'van'skoy AES. Konstruktsiya i funktsionirovanie // Otraslevaya konferentsiya «Voprosy bezopasnosti AES s VVER». SPb., 2000.Столяревский А.Я. Проблема удержания расплава топлива в защитной оболочке АЭС с ВВЭР // Альтернативная энергетика и экология. № 6 (146). 2014, с. 25–35.Stolyarevskiy A.Ya. Problema uderzhaniya rasplava topliva v zashchitnoy obolochke AES s VVER // Al'ternativnaya energetika i ekologiya. – 2014. No. 6 (146). – P. 25–35.Сидоров А.С., Носенко Г.Е., Грановский В.С. и др., Система защиты защитной оболочки реакторной установки водо-водяного типа, Пат. РФ № 2165108, 04.10.2001, бюл. № 32.Sidorov A.S., Nosenko G.E., Granovskiy V.S. i dr., Sistema zashchity zashchitnoy obolochki reaktornoy ustanovki vodo-vodyanogo tipa, Pat. RF No. 2165108, 04.10.2001, byul. No. 32.Melt-Structure-Water Interactions During Severe Accident in LWRs. B.R. Sehgal et al, NPSD, Royal Institute of Technology, Annual Report, Sweden, Nov. 2000.Melt-Structure-Water Interactions During Severe Accident in LWRs. B.R. Sehgal et al, NPSD, Royal Institute of Technology, Annual Report, Sweden, Nov. 2000.Гусаров В.В., Альмяшев В.И., Бешта С.В., Хабенский В.Б., Удалов Ю.П., Грановский В.С. Жертвенные материалы системы безопасности атомных электростанций – новый класс функциональных материалов // Теплоэнергетика. 2001. №9, сентябрь. C. 22–24.Gusarov V.V., Al'myashev V.I., Beshta S.V., Khabenskiy V.B., Udalov Yu.P., Granovskiy V.S. Zhertvennye materialy sistemy bezopasnosti atomnykh elektrostantsiy – novyy klass funktsional'nykh materialov // Teploenergetika. – 2001. – No. 9, sentyabr'. – P. 22–24.Асмолов В.Г. и др. Выбор буферного материала ловушки для удержания расплава активной зоны ВВЭР1000 // Атомная энергия. 2002. Т. 92. Вып. 1. С. 7–18Asmolov V.G. i dr. Vybor bufernogo materiala lovushki dlya uderzhaniya rasplava aktivnoy zony VVER-1000 // Atomnaya energiya. – 2002. – T. 92. – Issue 1. – P. 7–18Морозов А. В., Ремизов О. В. Тяжелые аварии на АЭС с ВВЭР. – 2012. – 136 c.Morozov A. V., Remizov O. V. Tyazhelye avarii na AES s VVER. – 2012. – 136 p.Столяревский А.Я., Атомные станции: теперь с «ловушкой», – «Энергия», 2002, № 4, c. 9–17Stolyarevskiy A.Ya., Atomnye stantsii: teper' s «lovushkoy», – «Energiya», 2002. – No. 4, – P. 9–17Skakov М., Toleubekov K., Baklanov V., Gradoboev А., Akayev A., & Bekmuldin M. The method of corium cooling in a core catcher of a light-water nuclear reactor. Eurasian Physical Technical Journal, 19(3(41), 2022, 69– 77. https://doi.org/10.31489/2022No3/69-77Skakov M., Toleubekov K., Baklanov V., Gradoboev A., Akayev A., & Bekmuldin M. The method of corium cooling in a core catcher of a light-water nuclear reactor. Eurasian Physical Technical Journal, 19(3(41), 2022, 69– 77. https://doi.org/10.31489/2022No3/69-77.ANSYS Fluent Tutorial Guide, 2016.ANSYS Fluent Tutorial Guide, 2016.Сидоров А.С. Локализация и охлаждение кориума в запроектной аварии водо-водяного энергетического реактора при разрушении активной зоны // дисс. на соискание уч. ст. к.т.н., Москва, 2004 г.Sidorov A.S. Lokalizatsiya i ohlajdenie koriuma v zaproektnoi avarii vodo-vodyanogo energeticheskogo reaktora pri razruşenii aktivnoi zony // dissertatsiya na soiskanie uchenoi stepeni kandidata tehnicheskih nauk, Moscow, 2004 g.Чиркин В.С., «Теплофизические свойства материалов ядерной техники», М.: АТОМИЗДАТ. – 1968.Chirkin V.S., «Teplofizicheskie svoystva materialov yadernoy tekhniki», Moscow: ATOMIZDAT. – 1968.Bechta, S.V., Granovsky, V.S., Khabensky, et al. VVER steel corrosion during in-vessel retention of corium melt // European Review Meeting on Severe Accident Research (ERMSAR Meeting), 23–25 September, 2008b, Nessebar, Bulgaria.Bechta, S.V., Granovsky, V.S., Khabensky, et al. VVER steel corrosion during in-vessel retention of corium melt. European Review Meeting on Severe Accident Research (ERMSAR Meeting), 23–25 September, 2008b, Nessebar, Bulgaria.В. Г. Асмолов, В. Н. Загрязкин, Е. В. Астахова, и др. Плотность UO2–ZrO2-расплавов // ТВТ, 2003, том 41, выпуск 5, 714–719.V. G. Asmolov, V. N. Zagryazkin, E. V. Astakhova, i dr. Plotnost' UO2–ZrO2-rasplavov, TVT, 2003. – Tom 41. – Issue 5. – P. 714–719.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.