SIMCO

Модернизация действующих и разработка новых ЯЭУ, отвечающих повышенным требованиям надежности, безопасности и экономичности, делают необходимым совершенствование методов расчета реакторов, теплообменного оборудования, систем безопасности и локализации аварий. Контейнмент является четвертым, последним барьером безопасности на пути распространения радиоактивных продуктов в окружающую среду. Он проектируется в соответствии с нормативными документам. Тепломассообменные процессы в контейнменте при аварии с течью теплоносителя носят сложный пространственный характер и характеризуются многочисленными теплофизическими, физическими и химическими явлениями, которые определяют эффективность и надежность работы систем безопасности. В связи с этим исследования процессов в контейнменте становятся неотъемлемой частью проектных работ. Кроме того, для АЭС нового поколения особое внимание уделяется водородной пожаро-взрывобезопасности. Актуальность проблемы эффективного и надежного обеспечения водородной взрывобезопасности возросла после аварии на АЭС «Фукусима-Дайичи» (Япония) 11 марта 2011г.

Расчетный код SIMCO моделирует теплогидравлические и физико-химических процессы в контейнментах (защитных оболочках) объектов атомной энергетики.

Назначение кода SIMCO

Код SIMCO предназначен для расчета теплогидравлические и физико-химических параметров среды в объеме защитных оболочек (ЗО) для АЭС при различных сценариях аварийных процессов.

Объем моделирования

Моделирование проводится с использованием произвольной топологии контрольных объемов внутри ЗО.

Код обеспечивает расчет следующих основных величин:

1. изменение во времени температуры и давления газа в помещениях ЗО;
2. нестационарное распределение температуры в стенах и оборудовании;
3. изменение во времени плотности азота, кислорода, пара, водорода, гелия, двуокиси углерода, моноокиси углерода, произвольного инертного компонента и мелкодисперсной влаги в помещениях ЗО;
4. интенсивность конденсации пара и температура образующегося конденсата в каждом помещении ЗО;
5. температура сливающейся в приямок воды;
6. расходы газовой смеси в проходках между помещениями.

При расчете учитываются эффекты нестационарного тепло- и массопереноса газовой смеси, объемной и поверхностной конденсации пара, естественной конвекции газовой смеси. Моделируется функционирование спринклерной системы, пассивных каталитических рекомбинаторов водорода, насосов и вентиляционных систем.

Ограничения на применение:

1. Применение кода SIMCO ограничено областью термодинамических параметров атмосферы в объеме ЗО при авариях с течью теплоносителя на АЭС.
2. Код требует задания следующих граничных условий:
• расход и энтальпия (температура) пароводяной смеси, поступающей под защитную оболочку из течи;
• расходы и температура парогазовых компонентов, поступающих в помещения ЗО;
• расход вытяжной вентиляции;
• расход и энтальпия воды, подаваемой в спринклерное устройство.
3. Допустимые значения параметров газовой смеси:
• давление от 0,07 до 1,5 МПа;
• температура от 275 до 1200 К.

Методика расчета

Математическая модель тепломассопереноса в помещениях ЗО представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений сохранения импульса, энергии и компонентов газовой смеси, записанных для каждого выделенного контрольного объема.

Численное решение полученной системы уравнений проводится на базе модифицированной полунеявной процедуры SIMPLER.

Непосредственно конечно-разностная система алгебраических уравнений, в общем случае имеющая разреженную матрицу коэффициентов, решается методом Гаусса или методом нижней релаксации.

Тестирование кода SIMCO

Аналитический тест «газодинамическая пружина»

Численное моделирование теста проводилась по двухбоксовой нодализационной схеме (рисунок 1) с линеаризованной моделью для уравнения движения в изотермическом приближении. Внешняя среда моделируется большим боксом, объем которого на несколько порядков превосходит объем открытого сосуда. При равных начальных плотностях газа в боксах необходимый перепад давления создается за счет веса столба газа в большом боксе.

Двухбоксовая нодализационная схема

Вид зависимости абсолютной погрешности решения приведен на рисунке 2. Максимальная относительная погрешность составляет ~0,8 %.

Рисунок 2 - Разность аналитического и численного решений

Качественный тест «естественная циркуляция газа»

Тест иллюстрирует возможность возникновения «паразитной» естественной циркуляции газовой смеси в замкнутом контуре в том случае, если численная модель не учитывает сжимаемость газа за счет собственного веса по высоте расчетного бокса. Важность данного эффекта особенно актуальна при моделировании концентрационной и температурной стратификации легкого компонента (водорода).

Нодализационная схема циркуляционного контура представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Нодализационная схема циркуляционного контура

Контур теплоизолирован, источники тепла и массы отсутствуют, газ однороден.

При несжимаемом газе внутри бокса давление по его высоте изменяется линейно. Если перепад давления на верхней связи равен нулю, то плотность газа в обеих ветвях на верхней отметке одинакова и равна 0. Давление в левой ветви на отметке 0 равно Р0+400g. Давление в правой ветви на отметке 0 будет больше, т.к. средняя по высоте ветви плотность газа из-за его сжимаемости в расчетных боксах № 4, 3 и 2 больше 0. Т.е. данная нодализационная схема при не учете больцмановского распределения плотности по высоте бокса приводит к возникновению некоторого, отличного от нуля, перепада давления, вызывающего движение газа.

Результаты численного моделирования замкнутого контура по двум математическим моделям (модель несжимаемого газа внутри бокса и модель кода SIMCO с учетом сжимаемости) приведены на рисунках 4 и 5.

Скорость газа «паразитной» циркуляции в контуре без источников достигает величины ~0,7 м/с. Таким образом, некорректность физико-математической модели естественной конвекции газа может привести к существенным ошибкам в расчете циркуляционных контуров в контейнменте, что особенно важно при расчете стратифицированных течений при анализе водородной безопасности.

Верификация кода SIMCO

Верификация кода SIMCO проводилась по экспериментальным данным, полученным на стенде NUPEC (Япония). Интегральный стенд NUPEC представляет собой модель контейнмента АЭС с PWR (линейный масштаб 1:4). Объем модели контейнмента 1300 м3 (высота 17,4 м, внутренний диаметр 10,8 м). Внутреннее пространство защитной оболочки (контейнмента) разделено на 25 помещений, моделирующих внутренние помещения контейнмента-прототипа. Общий вид установки показан на рисунке 6.

Рисунок 6 – Общий вид интегрального стенда NUPEC

На экспериментальном стенде NUPEC был проведен ряд интегральных экспериментов, в том числе с функционированием спринклерной системы в контейнменте. Для верификации кода SIMCO был использован эксперимент М-7-1 (перемешивание и распределение водорода в защитной оболочке, функционирование спринклерной системы). В целях безопасности в качестве имитатора водорода использовался гелий. Целью эксперимента являлось изучение распределения гелия в защитной оболочке при функционировании спринклерной системы. Данный эксперимент был принят в качестве Международной Стандартной Задачи ISP-35.

Основными факторами, влияющими на распределение легкого компонента (гелия) были естественная конвекция и функционирование спринклерной системы.

Общая нодализационная схема, выбранная для расчета данного эксперимента, представлена на рисунке 7. Нодализация подкупольного пространства представлена на рисунке 8. Помещение с течью пара и гелия моделировалось двумя расчетными боксами.

Во время эксперимента подача смеси пара и гелия осуществлялась с линейным изменением расхода компонентов. Расход подаваемой спринклерной воды выдерживался постоянным в течение 30 минут.

Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных зависимостей термодинамических параметров среды в помещениях контейнмента стенда (давление, температура и концентрация гелия как имитатора водорода) приведены на рисунках 9-13.

Рисунок 9 – Динамика давления в эксперименте М-7-1

Максимальные расхождения расчетных и экспериментальных данных для давления и температуры парогазовой смеси наблюдаются на стадии отключения спринклерной системы. (Следует отметить, что аналогичные результаты для этого периода эксперимента получены при расчетах по другим контейнментным кодам, проводившим расчеты в рамках Международной Стандартной Задачи ISP-35. По-видимому, истинный сценарий проведения эксперимента несколько отличался от описываемого на стадии отключения спринклерной системы.)

Максимальная погрешность в определении давления (интегральная характеристика) до начала функционирования спринклерной системы составляет ~ 5 %.

Расчетные данные по концентрации легкого компонента (гелия) хорошо согласуются с экспериментальными данными. Максимальная погрешность не превышает 15 % в боксе истечения. (Необходимо учитывать, что это локальная характеристика. Помещение с течью гелия моделируется двумя расчетными боксами, поэтому на рисунке 12 приведены две расчетные кривые.) В подкупольном пространстве погрешность расчета концентрации гелия не превышает 10 %.

На основании проведенных тестовых и верификационных расчетов можно сделать вывод, что физико-математические модели разработанной версии кода SIMCO достаточно адекватно описывают процессы тепломассопереноса в защитной оболочке.

Код SIMCO может быть использован для анализа совокупности теплофизических и физико-химических процессов в объектах атомной энергетики, имеющих защитную оболочку.

Стоимость работ

Порядок определения стоимости программного обеспечения определяется индивидуально в зависимости от объема информации, которую необходимо обработать.

Функциональные характеристики - Скачать

Демо версия программы

Инструкция по установке - Скачать

Архив с программой - Скачать