Научная статья на тему 'Моделирование динамики температурных полей и образования карбидов в экспериментах c кориумом'

Моделирование динамики температурных полей и образования карбидов в экспериментах c кориумом Текст научной статьи по специальности «Оборудование для работы с радиоактивными веществами»

CC BY
229
41
Поделиться
Ключевые слова
ядерный реактор / активная зона / тяжелая авария / кориум / физическое моделирование / индукционный нагрев / уран / цирконий / карбиды

Аннотация научной статьи по ядерной технике, автор научной работы — Васильев Юрий Степанович, Супрунов Владислав Иванович, Иркимбеков Руслан Александрович, Шаманин Игорь Владимирович, Лызко Виталий Анатольевич

Приведено описание результатов, полученных в приборных и численных экспериментах по определению динамики теплового состояния и образования карбидов при использовании физической модели процесса плавления тепловыделяющего элемента в условиях тяжелой запроектной аварии ядерного реактора. Определены константы уравнений кинетики взаимодействия графита с цирконием и диоксидом урана при температурах до 3200 К. Разработанная методика позволяет моделировать динамику температурных полей, плавления материалов и образования карбидов при индукционном нагреве композиции материалов активной зоны.

Похожие темы научных работ по ядерной технике , автор научной работы — Васильев Юрий Степанович, Супрунов Владислав Иванович, Иркимбеков Руслан Александрович, Шаманин Игорь Владимирович, Лызко Виталий Анатольевич,

The results obtained in instrument and numerical experiments on determining the dynamics of thermal state and carbide formation at use of physical model of fuel element melting process at serious overdesign accident of nuclear reactor have been described. Constants of equations of kinetics of graphite-zircon-uranium dioxide interaction at temperatures to 3200 К were determined. The developed technique allows simulating the dynamics of temperature fields, material melting and carbide formation at induction heating of active zone material composition.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Моделирование динамики температурных полей и образования карбидов в экспериментах c кориумом»

рительной двухэтапной термической обработки порошков при 345...355 °С в течение 16 ч, а затем при 800...830 °С - 5 ч. заметно повышается. При

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белоус В.Н., Носков А.А., Степанов И.А. Водно-химический режим на АЭС с реакторами BWR при дозировании цинка // Атомная техника за рубежом. - 1990. - № 4. - С. 6-9.

2. Pat. № 3022133 US. Methods of Inhibiting the Pitting of Iron and Steel / G. Hatch. 1962.

3. Уманский А.М. Прессование порошковых материалов. - М.: Металлургия, 1981. - 296 с.

термообработке таблеток в диапазоне 800...1300 °С плотность возрастает в 1,2...1,45 раза, а при дальнейшем увеличении температуры - снижается.

4. Казенас Е.К., Цветков Ю.В. Испарение оксидов. - М.: Наука, 1997 - 543 с.

5. Казенас Е.К., Цветков Ю.В. Термодинамика испарения оксидов. - М.: ЛКИ, 2008 - 480 с.

Поступила 05.02.2009 г.

УДК 621.039.586:536.42

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ОБРАЗОВАНИЯ КАРБИДОВ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ C КОРИУМОМ

Ю.С. Васильев*, В.И. Супрунов*, Р.А. Иркимбеков*, И.В. Шаманин, В.А. Лызко

Томский политехнический университет *Институт атомной энергии Национального ядерного центра, г. Курчатов, Республика Казахстан

E-mail: shaman@phtd.tpu.ru

Приведено описание результатов, полученных в приборных и численных экспериментах по определению динамики теплового состояния и образования карбидов при использовании физической модели процесса плавления тепловыделяющего элемента в условиях тяжелой запроектной аварии ядерного реактора. Определены константы уравнений кинетики взаимодействия графита с цирконием и диоксидом урана при температурах до 3200 К. Разработанная методика позволяет моделировать динамику температурных полей, плавления материалов и образования карбидов при индукционном нагреве композиции материалов активной зоны.

Ключевые слова:

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Ядерный реактор, активная зона, тяжелая авария, кориум, физическое моделирование, индукционный нагрев, уран, цирконий, карбиды.

Состояние исследований

При проведении исследований в обоснование безопасности перспективных ядерных реакторов, в частности, при исследовании последствий тяжелых аварий используют модели расплава материалов активной зоны реактора (кориума). В Институте атомной энергии Национального ядерного центра Республики Казахстан (ИАЭ НЯЦ РК) [1] изучаются свойства моделей кориума, механизмы его взаимодействия с теплоносителем, реакторной сталью и бетоном. Проводятся эксперименты в обоснование работоспособности выбранных режимов охлаждения конструкций защитных барьеров при плавлении активной зоны. При подготовке экспериментов и анализе экспериментальных результатов выполняется расчетная поддержка экспериментов [2].

Описание экспериментов

Для получения кориума на экспериментальных установках ИАЭ НЯЦ РК используют электроплавильные печи, в которых компоненты шихты, образующей модель кориума, помещают в графито-

вый тигель, затем плавят посредством индукционного нагрева.

При температуре 1850 °С происходит плавление циркония [3], который в жидком состоянии образует эвтектику с диоксидом урана [4].

Реакция образования карбида урана проходит в два этапа. На первом этапе происходит восстановление урана и образование моноокиси углерода, а на втором - происходит образование карбида урана.

Если перегреть тигель, то при температуре выше

2400...2450 °С протекают химические реакции взаимодействия циркония и диоксида урана с графитом:

гг+С ^ ггС+208,9 кДж и02 +2С ^ и+2СО - 867 кДж и+2С ^ иС2+238 кДж

С учетом того, что продукт первого этапа является реагентом для второй реакции, принято, что данную цепочку реакций между диоксидом урана и графитом можно представить единой реакцией, в которой диоксид урана преобразуется в карбид урана:

и02+4С ^ иС2+2СО - 629 кДж

Известно, что химические реакции между материалами загрузки тигля (циркония и диоксида урана) и графитом протекают с выделением газа в объем индукционной печи и уменьшением толщины боковой стенки и дна тигля. В экспериментах наблюдалось возрастание электрического тока одновременно с падением напряжения. Сделано предположение, что это связано с уменьшением толщины боковой стенки тигля вследствие высокотемпературного химического взаимодействия графита с цирконием и диоксидом урана. Проведена серия расчетов, подтвердившая это предположение, и определена зависимость уменьшения электрического сопротивления индуктора от толщины слоя графита, «унесенного» в кориум (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость относительного сопротивления (Rm) установки от толщины слоя графита (L, м), «унесенного» с поверхности тигля

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Для оценки скорости протекания химической реакции между диоксидом урана и графитом тигля, происходящей с выделением газообразного СО, использованы экспериментальные данные по изменению давления в полости плавильной печи, происходящего вследствие выделения газообразного продукта реакции, а также разогрева объема внутри установки.

Разработана методика, позволяющая оценить скорость реакций взаимодействия циркония и диоксида урана с графитом. Для расчета скорости выделения газа используются данные по изменению:

• времени открытия и закрытия клапана сброса давления;

• давления в полостях установки в ходе эксперимента;

• средней температуры газа в тигле;

• средней температуры газа в теплоизоляции;

• показаний датчиков, регистрирующих температуру газа в полости устройства приема расплава.

Для определения скорости уменьшения толщины стенки тигля используются данные по изменению электрического напряжения и тока в течение эксперимента.

В ходе экспериментов разработана модель процесса индукционного нагрева с учетом:

• изменения геометрии экспериментальной кассеты при плавлении материалов;

• растворения цирконием диоксида урана;

• взаимодействия графита с цирконием;

• взаимодействия графита с диоксидом урана.

Для проведения расчетов разработана параметрическая модель индукционного нагрева тигля, использующая экспериментальные данные, полученные в ранее проведенных экспериментах. Модель включает в себя «электромагнитную» и «теплофизическую» задачи, решаемые последовательно для каждого момента времени.

В «электромагнитной» задаче моделируются распределение магнитного поля в системе, включающей внешний электрический контур, медные крышки установки и индуктора, магнитопровод, теплоизоляцию вокруг тигля, внутрь которого помещается экспериментальная топливная кассета с цирконием и диоксидом урана.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

«Теплофизическая» задача описывает параметры только тех частей установки, температура которых может влиять на значение температуры внутри тигля. Это медные крышки установки, теплоизоляция, сам тигель и экспериментальная кассета в нем.

В «тепло физической» задаче динамика температурного поля определяется с учетом:

• перемещения материалов при плавлении циркония и диоксида урана,

• образования эвтектики между диоксидом урана

и цирконием,

• образования карбидов циркония и урана,

• уменьшения толщины стенок тигля,

• затрат энергии на образование эвтектики и протекание химических реакций.

Результаты экспериментов

В результате численных экспериментов получены данные по площади поверхности контакта расплава с тиглем, температуре этого контакта, а также динамики температурного поля в материалах (таблица).

В численных экспериментах использована двумерная аксиально-симметричная модель. На рисунках, представленных в таблице, ось симметрии модели вертикальна и проходит по их левой границе. Наиболее темным цветом изображен тигель, изолированный от индуктора теплоизоляцией. В верхней части тигля над уровнем расплава кориума находится газовая полость.

В начале процесса плавления циркония, когда температура в тигле и поверхность контакта между ним и таблетками диоксида урана малы, скорость реакции незначительна.

При полном растворении слоя диоксида урана происходит «оседание» кассеты, что приводит к вытеснению образовавшейся эвтектики циркония и диоксида урана. Увеличение поверхности контакта и температуры раствора приводят к резкому

Таблица. Распределение материалов и температуры внутри тигля

7000, с

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

8300, с

Распределение

материалов

Распределение температуры, °С

Распределение

Распределение температуры, °С

3500...

3600

!© @ (3) <Ц

ш

s*?) <N|

росту скорости образования эвтектики (рис. 2). Одновременно с этим начинают протекать реакции взаимодействия графита с цирконием и диоксидом урана, что приводит к уменьшению концентрации циркония в расплаве и толщины тигля в донной части еще в процессе образования эвтектики.

Рис. 2. Изменение массы веществ в расплаве (—6) и температуры расплава (7) во времени

В результате расчета массы расплава и его компонентов определены данные по концентрации веществ в расплаве, которые были использованы для определения констант в уравнениях химической кинетики для реакций взаимодействия материалов кориума с графитом тигля. С учетом того, что зависимость скорости химической реакции от температуры для большинства реакций является экспоненциальной [5], скорость образования карбида циркония определялась из соотношения:

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

- = с, •

температура; Сх, С2 - константы, описывающие кинетику процесса; С2г, СС, С2гС- доли молекул (атомов) компонентов в расплаве, вычисляемые по формуле:

с,=Щ^,

где N - количество молекул (атомов) /-ого вещества в расплаве; N - общее количество молекул в расплаве.

Параметры Сх и С2 определялись эмпирически при сравнении экспериментальных и расчетных данных.

Скорость взаимодействия графита с диоксидом урана в течение эксперимента возрастает. Проведено сравнение значений скорости реакции в эксперименте со значениями скорости, определенными при подстановке значений температуры, поверхности контакта, и концентраций веществ, получаемых в численном эксперименте, в кинетическое соотношение для процесса. Константы Сх и С2 определялись эмпирически (рис. 3).

с

^гС

где V - удельная скорость химической реакции; S -площадь контакта расплава с графитом тигля; Т -

7300 Время, сек.

Рис. 3. Зависимость скорость реакции образования карбида урана в эксперименте и ее «восстановление» по кинетическому соотношению

Реакция взаимодействия циркония с графитом инициируется при достижении температуры

2400...2450 °С и, поскольку является экзотермической, протекает бурно. В течение эксперимента скорость реакции падает вследствие снижения концентрации циркония в растворе (рис. 4).

Время, сек.

Рис. 4. Зависимость скорости реакции образования карбида циркония в эксперименте и ее «восстановление» по кинетическому соотношению

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Значения констант для реакции взаимодействия графита с диоксидом урана составили: С1=9,00105,

С2=3,69-10~3; среднеквадратичное отклонение значений скорости реакции не превышает 33 % при 2400 °С и 42 % при 3600 °С. Значения констант для реакции взаимодействия графита с цирконием: С1=3,62, С2=1,40*10-5; среднеквадратичное отклонение значений скорости реакции не превышает 38 % в интервале температур от 2400 до 3600 °С.

Заключение

Разработанный комплекс методик и параметрических двухмерных моделей позволяет моделировать динамику температурного поля при индукционном нагреве композиции материалов активной зоны в графитовом тигле с учетом изменения формы материалов при оплавлении, а также тепловых процессов при протекании химических реакций.

Определены значения констант скоростей химических реакций взаимодействия циркония и диоксида урана с графитом при температурах до 3600 °С. За счет предварительной подготовки регламента изменения мощности в индукционной печи исключается образование карбидов в графитовом тигле.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Vassiliev Yu.S., Vassiliev V.V. Design studies of interaction processes between melt reactor core material composition, coolant and construction materials // Nuclear science and its application: Proc. of the II Eurasian Conf. - Almaty, 2002 - Алматы: Атамура, 2002. -С. 342.

2. Васильев Ю.С., Вурим А.Д., Гайдайчук В.А. и др. Исследования по проблемам безопасности ядерных энергетических установок на исследовательском реакторе ИГР: Результаты среднемасштабного внутриреакторного эксперимента, проведенного в рамках проекта EAGLE // Вестник НЯЦ РК. - 2006. - Вып. 4 (28). - С. 48-59.

3. Чиркин В.С. Теплофизические свойства веществ. - М.: Ато-миздат, 1968. - 484 с.

4. SCDAP/RELAP5/MOD3.1 Code Manual. Volume IV: MATPRO-A Library of Materials Properties for Light-Water-Reactor Accident Analysis, INEL, Idaho Falls, Idaho, 1993.

5. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. - М.: Высшая школа, 1984. - 463 с.

Поступила 29.12.2008г.