Обоснование режимов вакуумного осушения контейнеров с отработавшим ядерным топливом РБМК-1000 на основе расчетного моделирования процессов тепломассообмена

Актуальность работы. Хранение отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) является одной из острейших проблем отечественной атомной энергетики [1,2]. В первую очередь это касается ОЯТ реакторов РБМК-1000, переработка которого является нецелесообразной из-за низкого остаточного содержания делящихся нуклидов [2]. Топливо именно этого типа составляет основное количество ОЯТ в нашей стране, требующего утилизации. В настоящее время это топливо хранится в контролируемых условиях в бассейнах выдержки (БВ) на территориях АЭС с реакторами данного типа — Ленинградской, Курской и Смоленской, причем вместимость этих хранилищ недостаточна для размещения всего ОЯТ за срок службы энергоблоков [2]. На Ленинградской Атомной Станции, которая является старейшей АЭС в России с реакторами этого типа, во второй половине 90-х годов перешли на уплотненное размещение ОТВС в бассейне пристанционного хранилища. Несмотря на это, прогнозируемый срок окончательного заполнения хранилища отработавшего ядерного топлива на ЛАЭС приходится на 2008 г. Подобная ситуация сложилась на Курской и Смоленской атомных станциях. Кроме того, согласно оценкам специалистов, максимально допустимое время хранения топлива РБМК в водной среде составляет не более 30 лет [3], и в ближайшее время оно также будет исчерпано. Для решения данной проблемы Минатомом Российской Федерации (ныне Федеральное агентство по атомной энергии) была разработана технология перевода ОЯТ РБМК-1000 на длительное сухое (иначе говоря, промежуточное, или interim storage) хранение, которая включает в себя две взаимодополняющие схемы:

— первоначальный этап — размещение этого вида отработавшего топлива в специальных двухцелевых контейнерах на территории атомных станций;

— доставка ОЯТ в этих же контейнерах в централизованное сухое хранилище на Красноярском ГХК по мере ввода его в эксплуатацию, где его предполагается содержать до истечения срока длительного сухого хранения — около 50 лет.

В соответствии с решениями Правительства РФ и Минатома [5,5], Конструкторское бюро Специального Машиностроения (КБСМ) в кооперации с рядом предприятий разработало семейство двухцелевых металлобетонных контейнеров (МБК), отвечающих как отечественным нормативам безопасного хранения и транспортирования ОЯТ [6], так и требованиям МАГАТЭ [7]. В их число входят контейнеры УКХ-104 и УКХ-109, предназначенные для отработавшего топлива РБМК-1000. Параллельно с созданием МБК в Российской Федерации были развернуты работы по созданию технологии длительного сухого хранения ОЯТ, включая разработку соответствующей нормативной базы.

Согласно рекомендациям МАГАТЭ, при длительном сухом хранении топливная компонента должна быть изолирована от окружающей среды не менее чем двумя барьерами герметичности, одним из которых являются оболочки твэлов. Для этого необходимо создание внутри контейнера газовой среды с минимальным процентным содержанием влаги, гарантирующим отсутствие коррозии, и следовательно, сохранность твэлов и их оболочек, уплотнительных устройств и внутренних металлоконструкций МБК в течение всего предполагаемого срока промежуточного сухого хранения. С этой целью в число операций при подготовке контейнеров с ОЯТ к длительному хранению входит вакуумное осушение [8,9]. Эта методика достаточно широко используется в мировой практике как для упаковок с отработавшим ядерным топливом, так и с радиоактивными отходами (РАО), в том числе для уменьшения объема ЖРО. Осуществляется вакуумная осушка путем снижения давления в контейнере за счет откачки парогазовой среды из его внутренней полости, температура насыщения при этом падает, и находящаяся там вода постепенно выкипает и удаляется в виде пара. Основными параметрами, характеризующими технологический процесс вакуумного осушения, являются степень разрежения во внутреннем объеме контейнера и его длительность, то есть время, в течение которого при существующем уровне остаточного тепловыделения ОЯТ и заданной температуре окружающего воздуха влагосодержание в контейнере достигнет допустимого значения — около 20 г/м3 для топлива РБМК. Длительность процесса является особенно важным показателем, поскольку в любом случае при проведении этой операции необходимо уложиться в период, отводимый общим технологическим регламентом обращения с ОЯТ РБМК-1000 на атомных станциях при переводе на сухое контейнерное хранение — не более 7 суток.

Несмотря на то, что в принципе уже существует практический опыт проведения вакуумной осушки контейнеров (CASTOR) с этим видом топлива на Игналинской АЭС в Литве по технологии немецкой фирмы GNB [10], непосредственно применить его при разработке аналогичной отечественной технологии было практически невозможно. Причина этого состоит прежде всего в особенности конструкции отечественных упаковочных комплектов — отработавшее топливо размещается в них не просто в дистанционирующей решетке, а в специальных ампулах, сообщающиеся с внутренним пространством контейнера через узкий технологический зазор. Именно в этих ампулах, по оценкам Главного конструктора этих упаковочных комплектов (КБСМ), будет находиться основная масса воды, содержащейся в контейнере на момент начала вакуумного осушения (более 90%), и следовательно, интенсивность поступления пара из ампул во внутренний объем МБК при вакуумном осушении будет являться одним из определяющих факторов технологического процесса. Прогнозировать динамику столь сложной многосвязной системы, как контейнеры данной конструкции, на основе упрощенных инженерных оценок практически невозможно. Помимо этого, существуют серьезные отличия в обращении с ОЯТ РБМК при предшествующих операциях на российских атомных станциях и Игналинской АЭС: в частности, загрузка топлива в контейнер осуществляется не в перегрузочном бассейне, а на воздухе, «сухим» способом.

Поэтому при проектировании средств осушки упаковочных комплектов УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000, Главным Конструктором семейства МБК (КБСМ), на первоначальной стадии ввиду срочности задачи основные рабочие параметры процесса были заложены априорно, исходя из требований общего регламента их подготовки к сухому длительному хранению и максимальной простоты соответствующих технологических систем. Предполагалось, что уровень давление разрежения, создаваемого в контейнере, будет составлять 4−10 кПа, что позволяло бы использовать в системе оборудования средств осушки конденсатор с водяным охладителем. При этом вопросы о том, реализуема ли будет эта операция при существующих уровнях тепловыделения ОЯТ и возможном диапазоне температур воздуха в помещении осушки, какова будет ее продолжительность и количество остаточной влаги в контейнере на момент окончания процесса, оставались открытыми. Информация о температурном состоянии топлива и параметрах контактирующей с ним среды в ходе вакуумной осушки также являлась «белым пятном» в силу отсутствия определенности условий ее проведения и основных рабочих параметров. В случае, если в силу низких остаточных тепловыделений ОЯТ РБМК не удалось бы достичь требуемого влагосодержания, могли быть использованы, например, внешний обогрев контейнера или продувка горячим газом, что в свою очередь, потребовало бы обоснования непревышения максимально допустимых температур твэлов при этих операциях.

При разработке технологии вакуумного осушения и соответствующего оборудования (средств осушки контейнеров с ОЯТ) крайне важно было получить представление о рабочих параметрах и длительности этой операции на первоначальном этапе проектирования, чтобы при необходимости внести изменения в проектную документацию до начала ее опытно-экспериментальной отработки. Окончательно эти задачи были сформулированы соответствующими проектными, эксплуатирующими и научными организациями — Ленинградской АЭС, концерном.

Росэнергоатом", ГИ ВНИПИЭТ, КБСМ и ВНИИНМ им. А. А. Бочвара к концу 1999.

— началу 2000 г. Учитывая крайне жесткие сроки, отведенные Минатомом РФ для решения этой проблемы в рамках отраслевой задачи по обоснованию условий сухого хранения отработавшего топлива, а также намеченное время ввода в эксплуатацию всего комплекса сухого хранения ОЯТ для ЛАЭС, ответы на эти вопросы требовалось получить не позднее 2002;2003 гг. В этой ситуации наиболее целесообразным и экономически приемлемым путем определения рабочих характеристик процессов, протекающих в МБК и, как следствие, требований, предъявляемых к специфическому оборудованию, являлось проведение расчетно-теоретических исследований в широком диапазоне параметров. Использование в качестве инструмента для проведения данного анализа коммерческих вычислительных пакетов, равно как и специализированных программных средств для расчета теплового состояния контейнеров в условиях сухого хранения, было невозможно по следующим причинам:

— в первом случае, из-за сравнительно низкой вычислительной эффективности, которая не позволила бы провести серийные исследования различных режимов, каждый из которых может длиться несколько суток;

— во втором, вследствие принципиальной невозможности алгоритмов данного семейства моделировать процессы межфазного тепломассопереноса.

Создание специализированных программных средств анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения для последующего обоснования с их помощью режимов этой технологической операции являлось фактически уникальной задачей. За рубежом, в странах с развитой ядерной энергетикой, обоснование вакуумной осушки проводилось в 80-е годы прошлого столетия для гораздо более простых в конструктивном отношении контейнеров, в основном на базе экспериментов, поскольку для этого в распоряжении разработчиков имелось достаточно времени и средств. В России же, потребность в расчетном обосновании вакуумного осушения контейнеров УКХ-104, УКХ-109 возникла лишь несколько лет назад, к моменту их создания, в силу особенностей их конструкции и крайней ограниченности сроков.

Все вышеизложенное и определило цели настоящей диссертационной работы:

1. Обоснование режимов вакуумного осушения контейнеров УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 с помощью расчетного анализа процессов тепломассообмена в условиях данной технологической операции для проектного регламента.

Ленинградской атомной станции в широком диапазоне определяющих условий и параметров.

2. На основе проведенного анализа выработать необходимые практические рекомендации по рабочим режимам вакуумного осушения и возможной замене или модификации узлов оборудования, не обеспечивающих требуемых параметров процесса.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработаны комплексная математическая модель и вычислительный алгоритм для анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 при вакуумном осушении, учитывающие особенности их конструкции и специфику механизмов переноса тепла и массы в этих условиях.

2. Данные математическая модель и алгоритм реализованы в виде специализированных программных комплексов с необходимым для инженерных расчетов интерфейсом, позволяющих моделировать исследуемые процессы в реальном масштабе времени.

3. С помощью разработанных программных средств проведен расчетный анализ процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 при вакуумном осушении в широком диапазоне параметров для технологического регламента Ленинградской атомной станции, при этом получены следующие результаты:

— проанализированы основные закономерности механизмов теплои массопереноса в условиях данной технологической операции;

— проанализировано влияние физических эффектов и особенностей конструкции этих упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса;

— определены физические критерии реализуемости этой операции и оценена максимальная расчетная длительность процесса осушки при условии непрерывной работы оборудования;

— обоснованы рабочие режимы вакуумного осушения этих контейнеров в существующем диапазоне проектных условий и параметров. Достоверность результатов работы подтверждается сопоставлением результатов, полученных с помощью разработанных программных средств, с различными экспериментальными и расчетными данными. Практическая ценность диссертационной работы:

1. Первые версии программных комплексов С10 420 и СЮ920, предназначенных для моделирования процессов тепломассообмена в упаковочных комплектах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения, в 2001 г. были переданы Главному конструктору и разработчику средств осушки этих контейнеров (КБСМ).

2. Результаты расчетно-теоретического анализа процессов тепломассообмена в металлобетонных контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения и полученные на их основе рекомендации по условиям реализуемости и оптимизации рабочих режимов для данной операции были использованы на практике:

— Главным Конструктором УКХ-104 и УКХ-109 (КБСМ) для корректировки рабочих параметров технологического процесса вакуумного осушения и обоснования замены конденсатора с водяным охладителем на аппарат с пропиленгликолевым хладагентом в составе оборудования средств осушки этих упаковочных комплектов;

— Минатомом Российской Федерации (ныне Федеральное агентство по атомной энергии) при обосновании условий обращения с ОЯТ РБМК-1000 при его переводе с «мокрого» на сухое хранение в рамках соответствующей отраслевой задачи.

— Разработанная расчетная методика и реализующие ее программные средства после их доработки могут быть адаптированы для анализа процессов тепломассообмена в условиях вакуумного сушения к другим типам контейнеров с отработавшим ядерным топливом, с учетом их конструктивных особенностей.

На защиту диссертации выносятся:

1. Комплексная математическая модель процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения, учитывающая особенности их конструкции и специфику физических процессов при данной технологической операции, и реализующие ее программные комплексы.

2. Анализ основных закономерностей процессов тепломассообмена в указанных типах контейнерах в условиях вакуумного осушения.

3. Анализ влияния физических эффектов и особенностей конструкции данных упаковочных комплектов на интегральные параметры технологического процесса вакуумной сушки.

4. Расчетное обоснование критериев реализуемости и рабочих режимов вакуумного осушения в проектном диапазоне условий и параметров.

В первой главе диссертации представлены объект и задачи исследования:

— описание металлобетонных контейнеров для ОЯТ РБМК-1000 типа УКХ-104 и УКХ-109 и основных технологических операций при его подготовке к длительному сухому хранению;

— зарубежный опыт вакуумного осушения контейнеров с ОЯТ при их подготовке к длительному хранению на примере технологии фирмы вЫВ;

— основные проблемы расчетного моделирования процессов тепломассобмена в указанных типах контейнеров в условиях вакуумного осушения, связанные с их конструктивными и технологическими особенностями;

— основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе диссертационной работы содержатся:

— постановка задачи и качественый теоретический анализ процессов тепломассобмена в МБК с ОЯТ РБМК-1000 в ходе их вакуумной осушки и предшествующей ей операции предварительной выдержки загруженного контейнера в герметичном состоянии;

— обзор отечественных и зарубежных расчетных программ и методик численного моделирования процессов теплообмена в контейнерах;

— описание методики математического моделирования процессов тепломассобмена в контейнерах с ОЯТ РБМК-1000 в условиях их вакуумной осушки, и реализующего ее расчетного алгоритма.

Третья глава посвящена обоснованию достоверности полученных результатов.

В этой главе содержатся:

— результаты тестирования моделей отдельных физических процессов на задачах, имеющих аналитические решения;

— обоснование достоверности допущения о расчете температуры среды в контейнере и ампулах как среднемассовой с помощью численных экспериментов;

— сравнение результатов расчетов, проделанных автором с помощью программных средств, разработанных на базе изложенной во второй главе методики, с расчетными и экспериментальными данными других исследований температурного состояния вертикально-расположенных контейнеров с тепловыделяющими сборками в условиях сухого хранения;

— сопоставление расчетов с данными экспериментов по вакуумному осушению модели одиночной ампулы с электрообогреваемым имитатором пучка твэлов;

— сопоставление с данными полномасштабных экспериментов на стенде СМ-Э332;

— выводы по третьей главе диссертации.

В четвертой главе диссертации представлены результаты расчетных исследований:

— последовательность воспроизведения этапов обращения с контейнером при математическом моделировании и исходные данные;

— результаты расчетного анализа температурного состояния герметичного контейнера с ОЯТ в период предварительного прогрева;

— сравнительный анализ применения вариантов методики моделирования с учетом и без учета различия параметров среды в контейнере и ампулах и оценка влияния гидравлических сопротивлений оборудования на интегральные характеристики процесса осушки;

— результаты расчетно-теоретического анализа процессов тепломассообмена при вакуумном осушении УКХ-104 и УКХ-109 в широком диапазоне параметров, основывающегося на технологическом регламенте для Ленинградской атомной станции.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана комплексная математическая модель для анализа процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104, УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 в условиях вакуумного осушения и реализующий ее вычислительный алгоритм, учитывающие особенности их конструкции и специфику физических процессов при данной технологической операции.

2. На основе данной модели разработаны специализированные программные комплексы, позволяющие моделировать рассматриваемые процессы в этих контейнерах в реальном масштабе времени и обладающие необходимым для инженерных расчетов интерфейсом.

3. Достоверность предлагаемой расчетной методики и реализующих ее программных средств в исследуемом диапазоне параметров подтверждена путем тестирования и сопоставления полученных с их помощью результатов с данными различных экспериментальных и расчетных исследований.

4. С помощью разработанных программных средств проведен расчетный анализ процессов тепломассообмена в контейнерах УКХ-104 и УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 при вакуумном осушении в широком диапазоне параметров, основываясь на технологическом регламенте для Ленинградской атомной станции. При этом получены следующие результаты:

— Длительность вакуумного осушения определяется соотношением интенсивности испарения воды из ампул и интенсивности откачки парогазовой среды из внутреннего объема МБК. В исследованном диапазоне остаточных тепловыделений, соответствующих ОЯТ 10-ти и 30-летней выдержки, и температур воздуха в помещении осушки, при заложенных проектных параметрах оборудования, до 70% воды, испаренной из ампул, конденсируется в более холодной внутренней полости контейнера, что и определяет итоговую длительность процесса.

— Исследовано влияние гидравлического сопротивления технологического зазора ампулы на интенсивность поступления пара из ее внутреннего объема во внутренний объем контейнера. При ширине зазора, близкой к минимально допустимому значению (0,11 мм) длительность осушения ампулы может возрасти до 30%, при этом полное время осушки меняется незначительно.

— Создание в контейнере давления 4+10 кПа, заложенного в качестве исходных данных на ранней стадии проектирования, не обеспечивает достижения необходимого остаточного влагосодержания 20 г/м3, и реализации вакуумного осушения для целого ряда режимов.

— Во всем заявленном Главным Конструктором диапазоне исходных данных вакуумное осушение МБК с ОЯТ и достижение требуемого влагосодержания успешно осуществляется при создании в его внутренней полости давления разрежения около 1 кПа, что значительно ниже первоначально заложенного в проекте.

— Показано, что при режимах вакуумного осушения, соответствующих данному давлению, и существующих характеристиках оборудования, потери, вызванные сопротивлением выходного канала МБК, составляют порядка 0,1 кПа, и не оказывают серьезного влияния на интегральные характеристики процесса.

— При создании давления в контейнере давления 1 кПа расчетная длительность процесса осушки составляет не более 2 суток. При этом не учитываются технологические перерывы в работе оборудования.

5. Полученные результаты послужили основанием для внесения соответствующих корректировок по режимам вакуумного осушения в проектную документацию, а также для замены конденсатора с водяным охладителем в составе средств осушки, не обеспечивающим конденсацию пара при давлении 1 кПа, на аппарат с пропиленгликолевым хладагентом.

Обобщающие выводы по результатам расчетных исследований представлены в заключение диссертационной работы.