Чалый Руслан Васильевич, ИБРАЭ РАН
Результаты разработки интегрального кода СОКРАТ-БН для анализа аварий на РУ БН
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015
Основным назначением кода является расчетный анализ и обоснование безопасности РУ БН с натриевым теплоносителем с учетом выхода ПД в основные помещения энергоблока и окружающую среду в следующих режимах:
• нарушения нормальной эксплуатации • проектные аварии • тяжелые аварии с разрушением и плавлением активной зоны Кроме того код может быть использован для: • выполнения независимых расчетов надзорными органами при экспертизе проектов РУ БН (РУ БН-800)
• кросс-верификации разрабатываемых кодов • поддержки экспериментальных исследований
Версии кода: СОКРАТ-БН/В1 – 2010-2013 гг. СОКРАТ-БН/В2 – 2013-2014 гг.
Назначение кода СОКРАТ-БН
2
Основные физические модели кода
модуль/ интегрирован
Моделируемые явления/процессы, характеристики моделей
Аналоги
Предстартовый блок (для расчета состояния твэла на момент начала аварии)
Нейтронная-физика
ГЕФЕСТ/ 2012
Расчет нуклидного состава топливной композиции, расчет флюенса нейтронного потока, расчет повреждающей дозы (с.н.а). 3D диффузионное приближение
-
Процессы в тепловыделяющем элементе
РТОП-БНО/ 2012
Расчет выхода из топлива стабильных газовых продуктов деления при заданном источнике, изменения состава газовой смеси в твэле, НДС топлива (модель плоской деформации) и оболочки на момент начала аварии, расчёт свойств топлива и оболочки в зависимости от выгорания и температуры
КОРАТ
БОНУС-БН/ 2014
Точечная модель для экспресс оценки временной эволюции нуклидного состава топлива и активности продуктов деления в топливе. Является универсальной для всех РУ БН. Используется для потоковых многовариантных расчетов
ORIGEN
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 3
модуль/ интегрирован Моделируемые явления/процессы, характеристики моделей Аналоги
Процессы в тепловыделяющем элементе
РЕЛИЗ-БН/ 2014
Расчет миграции продуктов деления внутри топливной таблетки и выхода ПД из топлива в стационарном режиме работы РУ с использованием
инженерных моделей -
Процессы в 1-м контуре РУ
TRANS-FP/ 2013
Расчет накопления радиоактивных продуктов коррозии и деления в первом контуре при наличии проектных неплотностей оболочек твэл
(канальная модель переноса и осаждения) Альфа-М
Нестационарный блок (расчет переходных и аварийных процессов) Теплогидравлика в контурах РУ
SOFAR-TH/ 2010
Расчет в одномерном приближениях для одно- и двухфазного потока скорости, температуры и давлений в элементах оборудования РУ БН для
натриевого и водяного теплоносителей. Расчет в 2D приближение температурного поля в конструкционных элементах. В состав модуля
входят точечные модели камер смешения и циркуляционных насосов 3-х типов
BURAN, DIN-800, SAS-4A
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015
Основные физические модели кода
4
модуль/ интегрирован
Моделируемые явления/процессы, характеристики моделей
Аналоги
SOFAR-TH-CORE/ 2014 2-D модель активной зоны с коэффициентами межканального переноса COREMELT
Нейтронная физика
QUASIK/ 2012
Расчет мощности реактора в стационарных и переходных режимах с использованием точечной модели нейтронной кинетики -
SYNTES/ 2015 в процессе интеграции
Расчет нейтронно-физических параметров в диффузионном-приближении в 2D геометрии для аварийных режимов с изменением геометрии а.з. в результате ее плавления
RADAR
Процессы в тепловыделяющем элементе
БОНУС-БН/ 2014
Расчет эволюции нуклидного состава топлива и активности продуктов деления в топливе с учетом цепочек распада на работающем и заглушенном реакторе
ORIGEN
РЕЛИЗ-БН/ 2014
Моделирование миграции продуктов деления внутри топливной таблетки и с выхода ПД из топлива в нестационарных аварийных режимах -
ТВЭЛ-БН/ 2013
Расчет напряжённо-деформированного состояния (модель плоской деформации) и условий разгерметизации в оболочке твэла в переходных и аварийных режимах
КОРАТ
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015
Основные физические модели кода
5
Элемент кода/ интегрирован Моделируемые явления/процессы, характеристики моделей Аналоги
Fuel_sodcool/ 2014
Расчет физико-химического взаимодействия топлива с теплоносителем при прямом контакте при разгерметизации оболочки для учета влияния на выход ПД поверхностного слоя ураната натрия (Na3UO4)
-
MELT-BN/ 2014
Расчет процессов плавления и перемещения топлива и оболочки твэл Учитываются фазовые переходы, одномерное течение расплава компонентов твэл, с учетом взаимодействия с теплоносителем и твердой поверхностью, блокировка проходного сечения
COREMELT, SIMMER
Перенос продуктов деления
TRANS-FP/ 2013
Расчет процессов конвективного переноса, межфазного обмена, осаждения радиоактивных примесей на поверхностях в контурах РУ в нестационарным режиме
Альфа-М
TRANS-FP +SOFAR-TH/
2014
Расчет теплофизических и радиационных характеристик газовой смеси в помещениях реактора и переноса ПД в них. Инженерная модель в сосредоточенных параметрах
КУПОЛ-БН
НОСТРАДАМУС/ 2013
Расчет распространения радиоактивных веществ в атмосфере и оценка доз для населения и загрязнения окружающей среды. Лагранжева траекторная модель атмосферного переноса
ВЫБРОС, AERO
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015
Основные физические модели кода
6
Параметры рассчитываемые кодом СОКРАТ-БН
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015
Параметр
Диапазоны
Погрешность
Максимальная температура оболочки твэлов до Тплавления оболочки +/- 25К
Напряжения в оболочке твэла для оценки достижения критерия разгерметизации
До наступления разгерметизации
15%
Температура теплоносителя в РУ, включая 1-й, 2-й контуры, САОТ (теплоноситель натрий) и 3-й контур (теплоноситель вода)
Жидкость до Ts+10К /пар до Tкрит
+/- 25 К/+/- 35 К
Массовый расход теплоносителя во всех контурах РУ –
20%
Давление теплоносителя в газовой полости и во всех контурах РУ
До 1,2 МПа (натрий) До 22,4 МПа (вода)
+/-0,02 МПа
Уровень теплоносителя в газовой полости –
15 %
Доля расплавленных материалов топлива и оболочки (UO2, МОХ, UN, сталь, B4C)
Без учета взаимного растворения материалов
Определяется с учетом анализа
неопределенностей
7
Параметры рассчитываемые кодом СОКРАТ-БН
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015
Параметр Диапазоны Погрешность
Нуклидный состав и количество ПД и ПК, наработанных к моменту начала аварийного процесса (накопление актиноидов и продуктов деления для оксидного и смешанного уран-плутониевого топлива) –
ПД - 25% Актиноиды – 20%
Содержание радиоактивных продуктов деления (ПД) и продуктов коррозии (ПК) в теплоносителе первого контура, плотность отложений на поверхностях внутрикорпусных элементов 1 контура, содержание радиоактивных ПД в газовой полости реактора
–
Коррозия 100% Продукты деления ГПД – 65% ЛПД – 85%
Основные теплогидравлические параметры в основных помещениях энергоблока (температура, давление) –
+/- 20 %
Объемная и поверхностная активность ПД в основных помещениях энергоблока –
ГПД – 65% ЛПД – 85%
Активность в воздухе и выпадение на поверхность от выбросов в атмосферу и дозы облучения населения –
Определяется погрешностью кода НОСТРАДАМУС
8
Верификация кода
Верификация 1-D и 2-D теплогидравлических моделей :
аналитические тесты
верификация на данных внереакторных экспериментов (> 20 расчётов по 7 установкам)
верификация программных модулей на данных реакторных экспериментов РУ БН-600 (9 экспериментов)
кросс верификация с кодами, эксплуатируемыми в ГНЦ РФ-ФЭИ на моделях теплообменников «натрий-вода» для РУ БН-350, БН-1200.
кросс верификация с кодом БУРАН на задачах по РУ БН-600, БН-1200
МАТРИЦА ВЕРИФИКАЦИЙ ТЕПЛОГИДРАВЛИКА РУ Экспериментальная
установка
Явление в экспериментальной установке:
+ – наблюдается 0 – частично наблюдается - – не наблюдатеся Б
Н-6
00
Стенд
СПРУТ
(Россия,
ФЭИ
)*1
Стенд
ИВТАН
(СССР,
ИВТАН
)
Стенд
ML-
4 (Италия,
Ispr
a)
Стенд
SIE
NA
(Япония,
O-A
rai)
Стенд
NSK
(Германия
)
развитие естественной циркуляции + - + - - + теплообмен в каналах простой формы (однофазный режим)
+ - + + - +
теплообмен в каналах простой формы (двухфазный режим)
- - + - - +
теплообмен в пучках стержней (однофазный режим) - - - - + + теплообмен в пучках стержней (двухфазный режим) - - - - + + Межфазный тепло- и массообмен - 0 0 0 + 0 Теплообмен в ПТО (однофазная область) + - - - - + Теплообмен в ПГ расходе (однофазная область) + + - - - + потери давления при течении жидкого металла в обогреваемых и необогреваемых пучках гладких стержней (труб) при наличии дистанционирующей решетки в треугольной упаковке (однофазный режим)
0 - - - - +
потери давления при течении жидкого металла в обогреваемых и необогреваемых пучках гладких стержней (труб) при наличии дистанционирующей решетки в треугольной упаковке (двухфазный режим)
- - - + - +
Теплообмен в активной зоне (однофазная область) + - - - - +
Фрагмент матрицы верификации
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 9
Верификация кода
Реструктуризаци
я топлива
(РТОП
-БНО
) Термоупругие
деформации
(РТОП
-БНО
, ТВЭЛ
-БН
) Ползучесть
топлива
(РТОП
-БНО
, ТВЭЛ
-БН
) Пластические
деформации
оболочки
(ТВЭЛ
-БН
)
Распухание
топлива
(РТОП
-БНО
)
Распухание
оболочки
(РТОП
-БНО
)
Радиационная
ползучесть
оболочки
(РТОП
-БНО
) Расчет
для
облученного
твэла
(ТВЭЛ
-БН
)
Аналитический тест с нагружением таблетки - + - - - Аналитический тест с неоднородным распределением температур
- + - - -
Сравнение расчетов с кодами COMSOL и Z88 - + + + - + Аналитический тест с одноосной ползучестью таблетки
- + + - - Аналитический тест с пластической деформацией оболочки давлением газа
- + - + -
Кросс верификация с кодом КОРАТ - - - - + + Сравнение с послереакторными данными ИРМ
+ - - + + + +
Верификация моделей плавления (MELT-BN): Аналитические тесты с плавлением и стеканием расплава материалов твэл Экспериментальные данные, полученные на реакторах TREAT(США R1-R3) и ИГР(Казахстан) Кросс-верификация с кодами SAS-4А и SUBMELT
R-3 R-4 R-5
Расчет
Эксперимент Расчет
Эксперимент Расчет
Эксперимент
Закипание 20,6 20,55 13,5 13,15 12,3 12,5
Кризис 22,5 – 14,2 14,15 13,0 13,65
Обращение
расхода 22,3 22,3 14,0 14,87 12,5 14,56
Начало плавлен
ия 23,3 23,5 15,3 16 14,0 15,7
Фрагмент матрицы термомеханики (РТОП_БНО и ТВЭЛ-БН)
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 10
Название эксперимента
(теста)
Моделируемые
явления Изменение активности газообразных радиоактивных продуктов деления в газовой полости реактора при разгерметизации одного твэла в 54 микрокампании на РУ БН-600
Перенос ГПД в натриевом контуре, выход ГПД в газовую систему, перенос ГПД в газовой системе
Изменение активности газообразных радиоактивных продуктов деления в газовой полости реактора при разгерметизации одного твэла в 29 и 47 микрокампании на РУ БН-600
Перенос ГПД в натриевом контуре, выход ГПД в газовую систему, перенос ГПД в газовой системе
Измерение активности РПК в отложениях на стенках 5 ПТО-А РУ БН-600
Перенос, осаждение и повторное смытие РПК в натриевом контуре
Измерение равновесной концентрации йода в парогазовой среде
Межфазный массоперенос изотопов йода
Осаждение изотопов цезия в экспериментальном контуре FPBL
Осаждение и повторный смыв цезия в натриевом контуре
134Cs 137Cs ОКБМ БОНУС ε, % ОКБМ БОНУС ε, %
3.52·1011 2.91·1011 19.0 1.28·1012 1.05·1012 19.7 131I 95Zr
ОКБМ БОНУС ε, % ОКБМ БОНУС ε, % 3.17·1013 2.16·1013 37.9 3.96·1013 3.26·1013 17.8
85mKr 88Kr ОКБМ БОНУС ε, % ОКБМ БОНУС ε, %
4.96·1012 5.28·1012 -6.3 1.13·1013 9.26·1012 19.8
Относительный выход, % Изотоп ОКБМ СОКРАТ-БН
131I 10 19.6 134Cs 50 32.3 137Cs 50 32.0
Верификация кода
Фрагмент матрицы верификации по поведению ПД в контуре РУ (TRANS-FP)
Кросс-верификация моделей накопления ПД в твэле проводилась с проектными кодами, эксплуатируемыми в АО «ОКБМ Африкантова (в таблице ОКБМ) Накопление ПД в 1-м твэле (модуль БОНУС-БН)
Относительный выход ПД в газовый зазор (ОКБМ – обобщенные данные по опыту эксплуатации РУ БН-600)
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015
Фрагмент матрицы верификации наработке и миграции ПД в твэле (БОНУС-БН, РЕЛИЗ-БН)
11
Кросс-верификация СОКРАТ-БН с проектными кодами
Режим с расхолаживанием на ЕЦ РУ БН-600 (BURAN)
0 200 400 600 800 10000
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
͑ ⁃ ‗ ‾ ǃ ‥,
‾
,
▬О▬ - код КОРАТ, ▬▼▬ - СОКРАТ-БН, О – экспериментальные данные
Температура оболочки для блокированной ТВС РУ БН-1200 (COREMELT)
Изменение диаметра оболочки облученной ТВС (КОРАТ)
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 12
Кросс-верификация СОКРАТ-БН с зарубежными кодами
Максимальная температура оболочки твэл
Расход по 1-му контуру в режиме ЕЦ
а.з.
ПТО
Бак
РУ
Напорны
й трубопровод
ГЦН
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 13
Международная задача МАГАТЭ: Benchmark Analysis of an EBR-II Shutdown Heat
Removal Test. CPR Code I31021
(результаты 2015 года)
Коды Организация СОКРАТ-БН ИБРАЭ РАН SIMMER-III KIT (Германия) SAS4A/SASSYS-1 ANL (США)
Самоход стержня автоматического регулирования (РС) или стержня компенсирующего выгорание топлива (КС) Незапланированное падение стержня АЗ в активную зону при работе реактора на мощности Уменьшение расхода теплоносителя в результате останова одного ГЦН первого контура (при работе реактора на 100% мощности (в работе три петли) и 66% мощности (в работе две петли))
Результаты моделирования Независимые расчёты кодом СОКРАТ-БН подтвердили непревышение предела безопасной эксплуатации по температуре оболочек твэлов РУ БН-800
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015
Моделируемые режимы
Практические задачи 2013 год: Независимые расчёты для экспертизы ОООБ энергоблока №4 Белоярской АЭС БН-800
14
Срабатывание ПЗ по сигналу «Отключение одной из четырех работающих петель» при прекращении подачи питательной воды на один парогенератор (50 сценариев с заданием различной логики) Ср а ба ты в а н и е АЗ п о с и г н а л у «Пот е р я с и с т е м н о г о электроснабжения» (Расхолаживание на трёх и четырёх петлях САОТ)
Результаты моделирования Полученные результаты подтвердили, что рассматриваемые режимы проходят без превышения принятых критериев, что обосновывает проектные алгоритмы управления РУ
Полученные результаты согласуются с аналогичными расчетами по аттестованному коду BURAN
Наименование моделируемых режимов:
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015
Практические задачи 2013 год: Анализ безопасности РУ БН-1200
15
Практические задачи 2013 год: Разработана расчётная схема РУ БН-1200
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 16
Основные характеристики модели РУ БН-1200
1-й контур – натрий, аргон; ≈ 1200 расчетных ячеек; ГЦН-1 - точечная модель с заданными расход-напорными характеристиками; тепловые потери с корпуса – ГУ 3-го рода; камеры смешения – точечные модели; включает модели систем управления и защиты – алгоритмы работы отдельных групп СУЗ в зависимости от сценария моделируемых режимов: изменение уровня мощности, аварийный останов.
2-й контур – натрий, аргон, ≈ 800 расчетных ячеек, ГЦН-2 - точечная модель, тепловые потери с трубопроводов – ГУ 3-го рода.
3-й контур – вода/пар; ≈ 80 расчетных ячеек; ограничен входом питательной воды в ПГ и выходом перегретого пара; реализована модель регулятора расхода питательной воды в зависимости от параметров натрия на входе в ПГ.
Контур САОТ – натрий; ≈ 200 расчетных ячеек; включает модели теплообменников натрий-натрий, натрий-воздух.
Контур ВТО – воздух; ≈ 50 ячеек; включает модель регулятора расхода воздуха в зависимости от параметров натрия в контуре САОТ.
Помещения энергоблока – точечные модели в сосредоточенных параметрах
Кроме того модель включает исходные данные для отдельных программных модулей.
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 17
Моделируемые режимы
Потеря системного и надёжного электроснабжения, отказ активных систем остановки реактора (САОТ работает). Потеря системного и надёжного электроснабжения (АЗ срабатывает), отказ САОТ Потеря системного и надёжного электроснабжения (отказ активных систем остановки реактора, отказ САОТ) Непредусмотренное последовательное поочерёдное извлечение из активной зоны РС вследствие отработки ложного сигнала с отказом активных систем остановки реактора
Анализируемые параметры
Изменение во времени основных теплогидравлических параметров РУ Тепловые потери с корпуса реактора Изменение нейтронной мощности реактора Количество разгерметизировавшихся твэлов Выход активности в 1-й контур, в основные помещения энергоблока и окружающую среду Для отдельных режимов выполнены оценка неопределенности и анализ чувствительности
Практические задачи 2014 год: Анализ безопасности РУ БН-1200
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 18
Планируемые задачи на 2015-16 гг.
Аварии с остановкой расхода по 1-му контуру и несрабатыванием аварийной защиты - аварии типа ULOF
Полная мгновенная блокировка одной ТВС с отказом срабатывания АЗ
Непредусмотренное последовательное извлечение из активной зоны стержней СУЗ с отказом всех средств воздействия на реактивность (UTOP)
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 19
Основные результаты разработки
На сегодняшний день разработан интегральный код позволяющий выполнять задачи проведения «сквозных» расчетов переходных и аварийных режимов РУ с натриевым теплоносителем, включая оценку состояния а.з. и других элементов реактора, помещения энергоблока с системой вентиляции, оценку выброса рад веществ в окружающую среду среду и рад обстановку на промплощадке и прилегающих территориях
В отличии от существующих проектных кодов, код СОКРАТ-БН позволяет детальное описание РУ и смежные с ней помещения энергоблока и, соответственно, получать более объективную информацию по уровню безопасности
Код внедрен в промышленную эксплуатацию в АО «ОКБМ Африкантова»
Код заявлен и используется в международных программах расчета бенчмарк тестов (расчеты РУ EBR-II, PHENIX)
ПРОЕКТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ «ПРОРЫВ»: результаты реализации новой технологической платформы ядерной энергетики 3-4 апреля 2015 20
Top Related