Верификация модели физико-химических процессов в расплаве на внекорпусной стадии тяжёлой аварии

Современные требования к безопасности АЭС
При любом сценарии развития аварии на АЭС должна быть обеспечена целостность защитной оболочки

Способ обеспечения этих требований – УЛР (СУОРАЗ)
Устройство локализации расплава – «ловушка»
Назначение: прием, локализация и захолаживание расплава при авариях c разрушением АЗ и корпуса реактора
Основные функции:
удержание днища корпуса реактора при его отрыве или пластическом деформировании до момента выхода кориума из корпуса
прием и размещение кориума и материалов ВКУ
теплоотдача от кориума к охлаждающей воде и гарантированное захолаживание расплава до его затвердевания
обеспечение подкритичности кориума в УЛР в процессе его охлаждения
минимизация выхода радиоактивных веществ и водорода
защита контейнмента и бетонной шахты от термического и механического воздействия кориума

Жертвенный материал
Состав:
Сталь + Al2O3 + Fe2O3 + Gd2O3
+ бетон
Обеспечивает:
уменьшение температуры расплава за счет интегрального эндотермического эффекта при взаимодействии жертвенного материала с расплавом кориума;
увеличение поверхности теплообмена между кориумом и охлаждающей водой в теплообменнике, уменьшение теплового потока на его стенке и увеличение запаса до кризиса теплообмена;
инверсию оксидного и стального стратифицированных слоев ванны расплава;
уменьшение химической активности кориума за счет окисления его компонентов жертвенным материалом;
минимизацию выхода водорода вследствие окисления металлического циркония, содержащегося в расплаве, при взаимодействии с керамическим жертвенным материалом на начальном этапе взаимодействия кориума и жертвенного материала;
гарантированную подкритичность расплава.

Модель химии УЛР (код HEFEST-СС)
Плавление ЖМ
Перенос материалов в ванну расплава
Реакции в объёме расплава
Выход газов
Н2
Реакции на фронте плавления
Н2
О2
Выход газов

Модель химии УЛР (код HEFEST-СС)
На фронте плавления
Окисление циркония:
Zr + 2H2O = ZrO2 + 2H2 + Q
Fe2O3 + 1.5Zr = 2Fe + 1.5ZrO2 + Q
Окисление хрома и никеля:
Сr + 1.5H2O = 0.5Сr2O3 + 1.5H2 + Q
Ni + H2O = NiO + H2 + Q
Fe2O3 + 2Cr = 2Fe + Cr2O3 + Q
Fe2O3 + Ni = 2FeO + NiO + Q
Восстановление гематита:
Fe2O3 = 2FeO + 0.5O2 – Q
Окисление свободного железа:
Fe + 0.5O2 = FeO + Q
Fe + H2O = FeO + H2 + Q
В объёме
Окисление циркония:
FeO + 0.5 Zr = Fe + 0.5ZrO2 +Q
Zr + O2 = ZrO2 + Q
Окисление хрома:
Cr + O2 = Cr2O3 + Q
Окисление никеля:
Ni + 0,5 O2 = NiO + Q
✔
✔
✔
✔
✔

Неопределённости в расчёте
Fe2O3 = 2FeO + 0.5O2 – Q
Q = ?
Зависит от технологии приготовления ЖМ
Рассматриваются значения от 230,0 до 513,7 кДж/моль Fe2O3
Состав ЖМ: ЖКМ или ПОЖА?
ПОЖА (67% Fe2O3 + 33% Al2O3): 61 т Fe2O3
ЖКМ (95% Fe2O3 + 5% MnO2) + ПОЖА: 78,4 т Fe2O3

Влияние неопределённостей
Fe2O3
= 2FeO + 0.5O2
+ 1.5Zr = 2Fe + 1.5ZrO2
(1)
(2)
+ Fe = 3FeO

Влияние неопределённостей
Зависимость времени инверсии слоёв
Оксидный слой
ρ ~ 6200 кг/м3
T ~ 2200 K
Металлический слой
ρ ~ 6870 кг/м3
T ~ 1600 - 2200 K

Разрешение неопределённостей,
верификация
Эксперименты SACR (НИТИ им. Александрова)
1. Защитный бокс. 2. Жертвенный материал 3. Расплав кориума. 4. Индуктор. 5. Холодный тигель. 6. Кварцевая обечайка. 7. Вход и выход охлаждающей воды 8. Водоохлаждаемая крышка. 9. Смотровое окно для пирометра. 10. Вход газа. 11. Газовые баллоны. 12. Газовые редукторы. 13,14,15,16 Вентили. 17. Привод 18. Сливная воронка. 19. Пирометр спектрального отношения 20. Инфракрасный пирометр. 21. Основная аэрозольная магистраль 22. Крышки смотровых окон. 23. Главный фильтр. 24. Высокочастотный генератор. 25. Вентилятор

Эксперимент SACR - 2
Кориум С-100:
66 % UO2 + 19 % ZrO2 + 15 % FeO
Жертвенный материал:
89,7 % Fe2O3 + 3,6 % Na2B4O7 +
+6,7 % M500
Исходный состав
Скорость взаимодействия
От 1,0 до 0,2 мм/с в зависимости от фазы эксперимента и режима нагрева

Эксперимент SACR - 2
Расчётная скорость продвижения фронта плавления
Для режимов нагрева 20 кВт и выше хотя бы часть точек попадает
в область экспериментальных значений

Эксперимент SACR - 7
Кориум С-32:
76 % UO2 + 9 % ZrO2 + 15 % Zr
Жертвенный материал:
85 % Fe2O3 + 15 % Аl2О3
Исходный состав
После взаимодействия (14 c)
65 % UO2 + 20 % ZrO2 + 2 % Zr +
0 % FeO + 3 % Al2O3 +10 % Fe

Эксперимент SACR - 7
Расчётная концентрация циркония
Можно предположить, что теплота разложения гематита в блоке,
применявшемся в эксперименте составляет 230-250 кДж/моль

Выводы
Теплота разложения гематита в составе ЖМ оказывает существенное влияние на процессы, проходящие в УЛР
Расчёты, проведённые с помощью кода HEFEST-УЛР, показали результаты, близкие к экспериментальным
Разработан экспериментально-расчётный метод, позволяющий уменьшить неопределённость, связанную с теплотой разложения гематита