CC BY
27
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
624.039:551.34:51.37
ПРИМЕНЕНИЕ ВСТРОЕННЫХ СИСТЕМ ЗАМОРАЖИВАНИЯ
ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДЗЕМНОЙ АТОМНОЙ
СТАНЦИИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ (НА БАЗЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ)
Н.Н. Мельников, П.В. Амосов, Н.В. Новожилова, С.Г. Климин
ФБГУН Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Представлены результаты прогноза пространственного распределения температурных полей вокруг модулей подземной атомной станции малой мощности, размещенной в многолетнемерзлых породах. Рассмотрены два варианта встроенных систем замораживания, при определенных параметрах которых прогнозируется возвращение на практически естественное состояние вмещающего массива.
Ключевые слова:
встроенные системы замораживания, подземная атомная станция малой мощности, естественное состояние массива, численный метод.
Введение
В 2014 г. специалисты Горного института КНЦ РАН завершили исследования по обоснованию потенциального использования атомной станции малой мощности (АСММ) модульного типа для энергоснабжения горнопромышленных предприятий в труднодоступных районах Восточной Сибири (научные руководители: академик РАН Н.Н. Мельников и проф., д.т.н. В.П. Конухин).
При исследовании тепловой безопасности объекта методами численного моделирования анализировались прогнозные пространственные распределения температуры вокруг подземных модулей АСММ в многолетнемерзлых породах Чукотки [1-5]. В частности, показано [1], что даже в простейшей компоновке (реакторный зал и два модуля с реакторными установками типа КЛТ-40С) в режиме нормальной эксплуатации при определенных значениях теплофизических параметров обделки модулей и температуры во вмещающем массиве будут создаваться крупные зоны оттаивания. Пространственное распределение температурных полей в массиве (см. рис. 1) прекрасно иллюстрирует образование вокруг модулей станции крупных областей, где прогнозируется температура выше температуры фазового перехода «лед - вода». А значит, в силу снижения геомеханической устойчивости массива и стабильности многолетнемерзлых пород будут появляться обоснованные сомнения и вопросы по обеспечению безопасной эксплуатации АСММ.
Подробное описание используемого методического подхода для решения тепловой задачи с учетом фазового перехода «лед-вода», а также обоснование теплофизических параметров модели, начальных и граничных условий можно найти в [1-5].
Параметры модели
В данной работе авторы на базе численного моделирования в двухмерной постановке предлагают использовать для решения указанной проблемы традиционный способ искусственного замораживания массива посредством встроенных в обделку модулей станции труб охлаждения. В этих трубах необходимо поддерживать температуру хладоносителя ниже температуры фазового перехода «лед - вода». Причем как значение температуры хладоносителя, так и параметры встроенных систем (радиус труб, их количество на единицу длины) должны быть обоснованы под соответствующие условия.
40
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2015(22)
Н.Н. Мельников, П.В. Амосов, Н.В. Новожилова и др.
Рис. 1. Пространственное распределение температуры и ее изолиний во вмещающем массиве без применения искусственного замораживания
Без описания технологии инженерного осуществления процесса замораживания (см. [6]) ниже представлены некоторые результаты численных экспериментов по обеспечению прочности и стабильности вмещающего массива многолетнемерзлых пород и высказаны соображения по значениям параметров систем замораживания.
В центре области 200 • 200 м со свойствами многолетнемерзлых пород (начальная температура -5 °С) размещен объект с внешними размерами 20 • 20 м (толщина обделки составляет 1 м). На внутренней стенке объекта поддерживается температура 20 °С. Через 4 года модельного процесса, имитирующего нормальную эксплуатацию станции, пространственное распределение температуры и ее изолиний в исследуемой области будет таким, как на рис. 2. Видно, что максимальная глубина оттаивания составит около 10 м.
Для того чтобы уменьшить глубину оттаивания в верхней стенке объекта (вдоль оси Х в координатах от 90 до 110 м, координата по оси Y 109.5 м) симметрично разместим 5 или 9 труб охлаждения (радиус 0.05 м) с хладоносителем. Температура хладоносителя в процессе моделирования поддерживается постоянной, но проварьирована по следующим значениям: -3, -13 и -23 °С.
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2015(22)
41
Применение встроенных систем замораживания для обеспечения тепловой безопасности...
а
б
Рис. 2. Пространственное распределение температуры и ее изолиний через 4 года модельного времени: а - вся область; б - фрагмент области
Анализ результатов численных экспериментов
Результаты моделирования пространственного распределения температуры и ее изолиний для обозначенных условий по температуре хладоносителя и количеству труб охлаждения представлены на рис. 3-5, а в табл. 1 приведены значения температуры на 4 года процесса моделирования для вариантов с 5 и 9 трубами в точках контроля с координатами (100, 111 м), расположенных на расстоянии 1 м от рассматриваемой стенки.
Анализ полученных результатов свидетельствует, что эффект использования встроенных систем замораживания срабатывает. Именно со стороны стенки модуля со встроенными трубами охлаждения проявляется уменьшение (в различной степени) размера области оттаивания. Наблюдаем следующую тенденцию снижения максимального размера вдоль оси Y области оттаивания для 5 или 9 труб охлаждения при температуре хладоносителя -3, -13 и -23 °С соответственно: ~8 и ~7 м, ~7 и ~5 м, ~5 и ~1 м. Таким образом, при наличии 9 труб охлаждения радиусом 0.05 м и температуре -23 °С
42
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2015(22)
Н.Н. Мельников, П.В. Амосов, Н.В. Новожилова и др.
практически достигается желаемый результат - массив находится в состоянии, близком к естественному, т.е. обеспечивается стабильность и долговечность пород, а значит, и тепловая безопасность эксплуатации подземной АСММ.
Таблица 1
Значения температуры в точке контроля на 4 года процесса моделирования (радиус труб охлаждения 0.05 м), °С
Количество труб Температура хладоносителя, °С
-3 -13 -23
5 9.70 7.14 4.57
9 7.18 3.11 -0.45
Результаты табл. 1 также свидетельствуют о «правильном» срабатывании предложенной системы замораживания: и увеличение количества труб, и снижение температуры хладоносителя приводят к желаемому результату - состоянию массива, близкому к природному.
а
Time=1460 SuiFace: Tempeiiuie fC] Contour: Tempa atui e pC] Max: 20.0 Max: 5.00
б
Рис. 3. Пространственное распределение температуры и ее изолиний через 4 года моделирования при температуре хладоносителя -3 °С: а - 5 труб; б - 9 труб
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2015(22)
43
Применение встроенных систем замораживания для обеспечения тепловой безопасности...
а
Time=1460 Surface: Temperaure fc] Contcur: Temperature fc] Мак: 20.0 Мак: 5.00
б
Рис. 4. Пространственное распределение температуры и ее изолиний через 4 года моделирования при температуре хладоносителя -13 °С: а - 5 труб; б - 9 труб
Строго говоря, выбор радиуса труб систем замораживания на уровне 0.05 м на данной стадии был достаточно произвольным. Поэтому предпринята попытка спрогнозировать требования по температуре хладоносителя, обеспечивающие тепловую безопасность объекта, когда радиус труб охлаждения равен 0.02 м. Как и следовало ожидать из физики процесса, при меньшем геометрическом размере труб для обеспечения сохранности мерзлого состояния массива, прилегающего к стенке, требуется понизить температуру хладоносителя. В табл. 2 приведены значения температуры в точке контроля (координаты 100, 111 м), расположенной на расстоянии 1 м от рассматриваемой стенки, на 4 года процесса моделирования для вариантов с 5 и 9 трубами.
Таблица 2
Значения температуры в точке контроля на 4 года процесса моделирования (радиус труб охлаждения 0.02 м), °С
Количество труб Температура хладоносителя, °С
-3 -13 -23 -33 -43
5 10.7 8.60 6.62 4.63 2.68
9 8.69 5.45 2.34 -0.39 -3.09
44
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2015(22)
Н.Н. Мельников, П.В. Амосов, Н.В. Новожилова и др.
Результаты табл. 2 также подтверждают вывод, сделанный для труб радиусом 0.05 м: для достижения природного состояния массива необходимо или увеличивать количество труб охлаждения, или снижать температуру хладоносителя.
а
б
Рис. 5. Пространственное распределение температуры и ее изолиний через 4 года моделирования при температуре хладоносителя -23 °С: а - 5 труб; б - 9 труб
В качестве дополнительной информации на рис. 6 представлена динамика распределения температуры в массиве вдоль верхней стенки на расстоянии 1 м от нее при температуре хладоносителя -43 °С. Рис. 6, а соответствует варианту с 5 трубами, а рис. 6, б - с 9 трубами. Рис. 6, а убедительно свидетельствует, что даже при температуре хладоносителя -43 °С наличия 5 труб охлаждения явно недостаточно для поддержания мерзлого состояния граничащего со стенкой объекта массива. Требуется увеличить количество труб до 9, чтобы гарантированно обеспечить температуры массива ниже температуры фазового перехода «лед - вода» и выполнить поставленную задачу по обеспечению прочности и стабильности массива. Анализ поведения кривых на рис. 6 показывает, что имеется значительное различие в скорости разогрева массива (особенно в первые два года процесса моделирования) для варианта
с 5 трубами (на уровне 0.5^1 °С/год) и для варианта с 9 трубами (десятые доли градуса Цельсия в год).
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2015(22)
45
Применение встроенных систем замораживания для обеспечения тепловой безопасности...
а
Рис. 6. Динамика распределения температуры вдоль верхней стенки модуля (на расстоянии 1 м) при температуре хладоносителя -43 °С и радиусе труб 0.02 м: а - 5 труб; б - 9 труб. Цифры в легенде - сутки
46
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2015(22)
Н.Н. Мельников, П.В. Амосов, Н.В. Новожилова и др.
Выводы
Таким образом, в двухмерной постановке методами численного моделирования продемонстрированы принципиальные схемы искусственного замораживания вмещающего массива посредством применения встроенной в обделку модуля системы труб охлаждения. Показано, что при заданных параметрах массива и модуля (размеры, теплофизические характеристики) построенные численные модели позволяют определить количество и размеры труб охлаждения, а также температуру хладоносителя, практически обеспечивающие природные показатели вмещающего массива по температурным распределениям, а значит, по его прочности и стабильности.
В принципе, уже на этой стадии исследований просматриваются контуры моделей в трехмерной постановке, в которых можно учесть движение хладоносителя по трубам и тем самым приблизить используемую модель к реальности, т. е. сделать ее более адекватной.
ЛИТЕРАТУРА
1. Оценка теплового воздействия подземной атомной станции малой мощности на многолетнемерзлые горные породы / Н.Н. Мельников и др. // Арктика: экология и экономика. 2014. № 1(13). С. 30-37. 2. Амосов П.В.Проверка кода для численного моделирования тепловых процессов в пористой среде с учетом фазового перехода «лед -вода» // Вестник МГТУ. 2013. Т. 16, № 4. С. 641-643. 3. Амосов П.В., Новожилова Н.В. Аналитическая оценка теплового воздействия заглубленной атомной станции малой мощности на многолетнемерзлые горные породы // Вестник МГТУ. 2013. Т. 16, № 4. С. 638-640. 4. Новожилова Н.В., Амосов П.В. Исследование теплового состояния многолетнемерзлых горных пород на базе кода PORFLOW // Наука и образование. 2014: матер. Междунар. науч.-техн. конф. (Мурманск, 24-28 марта 2014 г., Мурм. гос. техн. ун-т). Мурманск: МГТУ, 2014. С. 864-867. 5. Амосов П.В., Новожилова Н.В. Влияние пористости многолетнемерзлых горных пород на глубину оттаивания // Вестник Кольского научного центра РАН. 2014. № 2 (17). С. 58-64. 6. Способ искусственного замораживания грунтов // Все лекции: учеб-образоват. портал. URL: http://vse-lekcii.ru/mosty-i-tonneli/stroitelstvo-tonnelej-i-metropolitenov/sposob-iskusstvennogo-zamorazhivaniya-gruntov (дата обращения 22.01.2015).
Сведения об авторах
Мельников Николай Николаевич - д.т.н., академик, профессор, научный руководитель Горного института КНЦ РАН; e-mail: root@goi.kolasc.net.ru
Амосов Павел Васильевич - к.т.н., с.н.с., старший научный сотрудник Горного института КНЦ РАН; e-mail: vosoma@goi.kolasc.net.ru
Новожилова Наталья Викторовна - научный сотрудник Горного института КНЦ РАН; e-mail: nat1966kis@mail.ru
Климин Сергей Гарольдович - ведущий технолог Г орного института КНЦ РАН; e-mail: klimin@goi.kolasc.net.ru
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2015(22)
47
