Верификация кода RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 на экспериментах с повторным заливом моделей ТВС. Альтернативный анализ по коду КОРСАР/BR

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Верификация кода RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 на экспериментах с повторным заливом моделей ТВС. Альтернативный анализ по коду КОРСАР/BR

А.С.Гусев, Ю.К.Швецов, A.A.Фальков

ОАО «ОКБМ Африкантов», Нижний Новгород, РФ

Использование современных расчетных кодов на базе двухжидкостной модели теплогидравлики, адекватно описывающих теплогидравлические процессы в контурах реакторных установок, позволяет обеспечить необходимое качество расчетного обоснования безопасности действующих и проектируемых АЭС с водо-водяными реакторами.

В настоящем докладе представлены результаты верификационных расчетов по коду «улучшенной оценки» RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 экспериментов типа LOCA экспериментов типа LOCA с повторным заливом моделей ТВС реакторов ВВЭР и PWR.

Теплогидравлическая часть кода RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 основана на моделях кода RELAP5, который имеет обширное экспериментальное обоснование и является одним из наиболее распространенных кодов улучшенной оценки теpмогидpавлики легководных реакторов.

В анализ включены стандартные задачи повторного залива для реакторов ВВЭР, эксперименты на установке NEPTUN, эксперименты на установке FLECHT-SEASET.

Детально рассмотрены эксперименты FEBA/SEFLEX на установке FEBA без блокировки и с частичной блокировкой проходного сечения ТВС. Альтернативный анализ данных экспериментов был проведен также по коду «улучшенной» оценки КОРСАР/BR (совместная разработка НИТИ им. Александрова и ОКБМ), с использованием специальной модели повторного залива. эксперимент блокировка температура твэл

Описание экспериментов

Матрица верификации кода RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 на экспериментах с повторным заливом моделей ТВС представлена в таблице 1.

Рабочий участок экспериментальных установок по исследованию процессов осушения и повторного залива состоит из входной камеры, сборки имитаторов твэлов и выходной камеры. Конструкции входной камеры, выходной камеры и оборудования экспериментального стенда позволяют поддерживать постоянные параметры теплоносителя на входе и выходе из сборки.

Исследуемые сборки представляли модели ТВС реакторов ВВЭР и PWR разного масштаба (25, 37, 161-стержневые) с электрообогреваемыми имитаторами твэлов (ИТ) и неравномерным профилем энерговыделения типа cos. Основные характеристики моделей ТВС экспериментальных установок и теплофизические параметры указаны в таблице 1.

Общий алгоритм проведения экспериментов с повторным заливом:

а) в исходном состоянии пучок стержней и верхняя камера осушены и заполнены насыщенным паром.

б) осуществляется подъем мощности до заданного уровня и прогрев стержней до стартовой температуры (600-850 °С);

в) при достижении стартовой температуры включается расход охлаждающей воды.

г) мощность имитаторов твэлов снижается по закону, имитирующему остаточные тепловыделения.

д) опыт прекращается при снижении температуры имитаторов до температуры кипения.

Таблица 1. Матрица экспериментов с повторным заливом моделей ТВС, используемых для верификации кода RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4

Эксперименты на установке FEBA

Эксперименты FEBA[1] и SEFLEX[2] были проведены в середине 1980-х гг. на установке FEBA в KfK (Карлсруэ, Германия) для изучения процессов теплопереноса между твэлами и теплоносителем при повторном заливе ТВС применительно к условиям большой течи реакторов PWR, включая влияние блокировки пучка за счет раздутия оболочек твэлов.

Основные параметры рабочего участка установки FEBA представлены в таблице 1 и на рисунке 1.

Основное отличие экспериментов FEBA и SEFLEX заключается в различной конструкции имитаторов твэлов. Имитатор твэла REBEKA (эксперименты SEFLEX) имеет более сложную конструкцию и моделирует газовый зазор (включая зону блокировки с увеличенным газовым зазором) в отличие от имитатора твэла FEBA.

В экспериментах FEBA блокировка имитируется за счет постановки втулки на оболочки имитаторов твэлов, моделирующих раздутую зону. Поперечные разрезы имитаторов твэлов для экспериментов FEBA и SEFLEX представлены на рисунке 2.

Кожух сборки хорошо изолирован - тепловые потери считались незначительными.

Таблица 2. Основные параметры выбранных экспериментов FEBA и SEFLEX.

* - газовый зазор в имитаторе заполнен гелием

Рисунок 1. Поперечный разрез сборки имитаторов твэлов, с указанием расположения термопар, и расположение дистанционирующих решеток по высоте активной части сборки для экспериментов FEBA и SEFLEX .

Рисунок 2. Поперечный разрез имитаторов твэлов FEBA(эксперименты FEBA) и REBEKA (эксперименты SEFLEX), вид блокированной области для экспериментов FEBA с локальной 90% блокировкой проходного сечения пучка.

Описание нодализационных схем

Нодализационные схемы экспериментов FEBA и SEFLEX без блокировки и нодализационная схема эксперимента FEBA с блокировкой показаны на рисунках 3 и 4.

В расчетах по коду RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 использовались верифицированные модели, учитывающие особенности теплообмена в вертикальной сборке стержней. Так, для элемента канал (pipe103 и pipe107) использовался признак bundle, а для тепловых конструкций, моделирующих имитаторы твэлов, использовался соответствующий тип граничного условия “bundle without crossflow” (110) и задавалась 12-символьная карта для расчета корреляций критического теплового потока (1ххх0901 -1ххх0999).

В коде RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 не используется специальная модель повторного залива (reflood), описание теплообмена вблизи фронта смачивания реализуется в рамках общих моделей, за счет увеличения количества аксиальных элементов по длине сборки.

Более детальное разбиение области с блокировкой по коду КОРСАР/BR связано с использованием специальной модели повторного залива. Использование данной модели повторного залива приводит к автоматическому разбиению тепловой конструкции на дополнительные ячейки в районе фронта смачивания, с двумерным расчетом теплопроводности и усилением теплообмена в данной области.

Расчет по коду КОРСАР/BR проводился с включенной моделью повторного залива для всех тепловых конструкций - имитаторов твэлов и кожуха сборки.

Теплообмен излучением между имитаторами твэлов и кожухом сборки в расчетах по кодам RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 и КОРСАР/BR не моделировался.

Рисунок 3. Нодализационные схемы экспериментов FEBA и SEFLEX без блокировки и нодализационная схема эксперимента FEBA с блокировкой по коду КОРСАР/BR.

Рисунок 4. Нодализационные схемы экспериментов FEBA и SEFLEX без блокировки и нодализационная схема эксперимента FEBA с блокировкой по коду RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 .

Результаты расчетов

Результаты расчетов эксперимента FEBA №216 по кодам RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 и КОРСАР/BR представлены на рисунке 5, результаты расчетов эксперимента SEFLEX №03 (моделирование газового зазора в имитаторах) - на рисунках 6.

В ходе расчетов получено хорошее качественное совпадение по температурам оболочек имитаторов твэлов. Максимальная температура оболочек имитаторов твэлов (PCT- peak cladding temperature) на большинстве участков сборки в расчетах выше, чем в эксперименте, причем .

Расчеты по обоим кодам достаточно хорошо описывают распределение теплоносителя в сборке в процессе повторного залива, что видно по интегралу унесенной влаги и перепаду давления в сборке.

Рисунок 1. Эксперимент FEBA № 216. Серия 1 (без блокировки).

Рисунок 6. Эксперимент SEFLEX № 03. Серия 1 (гелий в газовом зазоре).

Результаты расчетов эксперимента FEBA №235 с блокировкой пучка по кодам RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 и КОРСАР/BR представлены на рисунке 7, FEBA №263 - на рисунке 8.

При расчетах по обоим кодам было получено хорошее совпадение с небольшой степенью консервативности по РСТ для участков с максимальным энерговыделением, где были достигнуты наибольшие экспериментальные PCT. На участке с максимальной блокировкой (h=2025 мм) получено хорошее совпадение по времени залива оболочек (втулок) имитаторов и динамике изменения температуры топлива как по коду RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4, так и по коду КОРСАР/BR.

Оба кода лучше описывают эксперимент с 62% локальной блокировкой (FEBA №263) - лучшее совпадение по quench-фронту и меньшее отклонение по PCT.

Хорошее совпадение по суммарному перепаду давления в сборке и интегралу унесенной влаги подтверждает корректное описание экспериментов с блокировкой и отсутствие компенсирующихся ошибок.

Рисунок 7. Эксперимент FEBA № 235. Серия 3 (90% локальная блокировка)

Рисунок 8. Эксперимент FEBA № 263. Серия 4 (62% локальная блокировка).

В экспериментах с блокировкой получено снижение температуры оболочки «раздутых» имитаторов твэлов за счет увеличения теплоотводящей поверхности и интенсификации теплоотдачи по сравнению с имитаторами твэлов исходной геометрии одинаковой мощности. Сравнение PCT, расположенных на одной высоте, для блокированной и неблокированной областей для экспериментов FEBA № 263 и FEBA № 235 представлено на рисунке 9.

Рисунок 9. Сравнение экспериментальных PCT для блокированной и неблокированной области. Эксперименты FEBA № 263 и FEBA № 235.

Обработка результатов верификационных расчетов

В экспериментах FEBA и SEFLEX моделировался повторный залив сборки имитаторов твэлов, в том числе изучались отдельные эффекты, оказывающие влияние на охлаждение оболочек имитаторов твэлов: влияние газового зазора в твэле, наличие локальной блокировки проходного сечения сборки.

Проведенные расчеты показывают, что коды RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 и КОРСАР/BR адекватно описывают все представленные эксперименты с повторным заливом на установке FEBA. Расчетные PCT на участках с максимальным энерговыделением в пределах допустимого консерватизма превышают расчетные (на 10-50 °С). Как правило, расчеты по коду КОРСАР/BR обладают несколько большим консерватизмом по сравнению с расчетами по коду RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4.

Для обоих кодов получено хорошее совпадение по параметрам, описывающим распределение теплоносителя в сборке (интеграл унесенной влаги и суммарный перепад давления в сборке).

Рисунок 10. Сравнение PCT для экспериментов FEBA (расчет по коду RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4).

В ходе обработки результатов верификационных расчетов были определены среднее отклонение расчета от эксперимента по температуре оболочек имитаторов твэлов и среднее квадратичное отклонение (таблица 5):

;

n - количество экспериментальных точек (PCT);

; где ;

Таблица 5. Среднее и среднее квадратичное отклонение по PCT для расчетов по кодам RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 и КОРСАР/BR.

По результатам расчетов отклонений PCT и сравнению расчетных и экспериментальных PCT (рисунок 10) можно сделать вывод, что моделирование блокировки пучка не приводит к существенному изменению точности расчетов для кода RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4.

Результаты верификации кода RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4

Выполнены верификационные расчеты экспериментов типа LOCA с повторным заливов имитаторов твэлов по коду RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 на моделях ТВС разного масштаба включающих геометрию ТВС реакторов ВВЭР и PWR (всего 9 моделей, 48 экспериментов, 419 PCT).

Получено 419 точек с максимальной температурой оболочек имитаторов твэлов (PCT - peak cladding temperature) в диапазоне температур от 350 °С до 1250 °С. Результаты сопоставления расчета с экспериментальными данными представлены на рисунке 11.

Проведенные расчеты показывают, что код RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 достаточно хорошо описывает эксперименты с осушением и заливом на установках, моделирующих ТВС реакторов PWR и ВВЭР. Результаты расчетов обладают некоторой долей консервативности, так как расчетные максимальные температуры оболочек имитаторов твэлов, как правило, выше экспериментальных. Корректность проведенных расчетов также подтверждается совпадениями экспериментальных и расчетных значений других измеренных величин - массового и физического уровней, интегралов унесенной влаги на выходе из сборки, продвижения фронта повторного залива (quench-фронт).

Рисунок 11. Сравнение расчетных и экспериментальных значений PCT для экспериментов без блокировки проходного сечения ТВС.

Выполнен статистический анализ результатов сопоставления расчетных и экспериментальных значений PCT на полном массиве данных - 419 точек (рисунок 11). Среднее отклонение расчета от эксперимента по температуре имитаторов твэлов по всем экспериментам (без блокировки проходного сечения сборки имитаторов твэлов) составило ДPCT= +19.8 °С, среднее квадратичное отклонение - уPCT=36.5 °С.

На рисунке 12 представлена гистограмма распределения отношения расчетной к экспериментальной разности температур оболочки имитатора твэла и температуры насыщения теплоносителя:

;

где - температура насыщения.

Вид гистограммы для экспериментов без блокировки показывает, что распределение несимметрично, при этом для положительного и отрицательного отклонений от среднего значения U=1,037 односторонние распределения отклонений близки к закону нормального распределения.

Рисунок 12. Эксперименты без блокировки проходного сечения ТВС. Гистограмма распределения отношения расчетной к экспериментальной разности температур оболочки имитатора твэла и температуры насыщения теплоносителя.

Заключение

Выполнена верификация кода RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 на моделях ТВС реакторов ВВЭР и PWR разного масштаба, включающая 9 моделей сборок ТВС. На представительном массиве экспериментальных данных (419 PCT) показано, что код достоверно описывает стадию повторного залива в активной зоне реакторов PWR и ВВЭР в авариях типа LOCA.

Получена количественная оценка неопределенности расчета кодом RELAP/SCDAPSIM/MOD3.4 максимальной температуры оболочек имитаторов твэлов --ДPCT= +19,8 °С, уPCT=36,5 °С.

Проведен альтернативный анализ экспериментов FEBA/SEFLEX по коду КОРСАР/BR. Показано, что код КОРСАР/BR корректно описывает стадию повторного залива в активной зоне реакторов. Получены величины отклонений PCT близкие к отклонениям PCT по коду RELAP -- ДPCT= +38,2 °С, уPCT=31,3 °С.

Список литературы

1 P.Ihle, K.Rust FEBA - Flooding Experiments with Blocked Arrays Data Reports 1, Test Series I thought IV, KfK 3658, March 1984

2 P.Ihle, K.Rust SEFLEX - Fuel Rod Simulator Effects in Flooding Experiments. Part 2: Unblocked Bundle data, KfK 4025, March 1986

Размещено на Allbest.ru