КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 21-19-00709

НазваниеВзаимодействие вскипающей пароводяной струи с жидким металлом

Руководитель Мелихов Олег Игорьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" , г Москва

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-504 - Ядерная и радиационная безопасность, радиоэкология

Ключевые слова Быстрый реактор, жидкометаллический теплоноситель, взаимодействие воды и расплава, разрыв трубки парогенератора, многофазная термическая детонация

Код ГРНТИ44.33.29

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Научная проблема, на решение которой направлен проект, состоит в изучении закономерностей протекания теплофизических и гидродинамических процессов в многофазной системе "жидкий свинец - дисперсные пароводяные включения" и определении количественных значений гидродинамических воздействий на внутренние структуры парогенератора. Возможность формирования подобной необычной системы была выявлена при качественном анализе проектной аварии с разрывом трубки парогенератора в реакторе со свинцовым теплоносителем. Реакторы со свинцовым теплоносителем относятся к группе перспективных реакторов следующего, четвертого поколения, позволяющих осуществить замкнутый топливный цикл. Поэтому интерес к ним существует во всех странах, развивающих атомную энергетику. В России в настоящее время работы в этой области идут в рамках реализации проекта реакторной установки БРЕСТ со свинцовым теплоносителем. Проекты ядерных реакторных установок со свинцовым теплоносителем существуют и за рубежом. Европейский союз финансирует два проекта: CDT-FASTEF (Central Design Team -FASpectrum Transmutation Experimental Facility) и ALFRED (Advanced Lead Fast Reactor Eropean Demonstrated), направленных на выполнение исследований и создания демонстрационных реакторных установок. Значительные работы по данной тематике ведутся в азиатских странах (Япония, Южная Корея и Китай). США также разрабатывает свой проект реактора со свинцовым теплоносителем. Наличие воды высокого давления (20-25 МПа) в трубках парогенератора, окруженных расплавленным свинцом, имеющим низкое давление (не более 1 МПа), требует детального анализа развития событий в случае разрыва одной или нескольких трубок парогенератора. Достаточно реалистичной, на сегодняшний день представляется следующая картина, которая косвенно подтверждается результатами немногочисленных экспериментов: 1) первая порция воды, вытекшей из разрыва, практически мгновенно вскипает из-за снижения давления и образовавшийся паровой пузырь начинает расширяться в жидком свинце, создавая волну давления (начальная стадия - 0,0001-0,001 с); 2) затем начинается истечение пароводяной смеси из разрыва; вследствие развития неустойчивостей Кельвина-Гельмгольца и Рэлея - Тейлора на межфазных границах начинается проникновение пароводяной смеси в жидкий свинец в виде дисперсных включений; формируется расширяющаяся зона перемешивания этих сред, что приводит к колебаниям свинца в первом контуре (промежуточная стадия - 0,1 с); 3) из-за продолжающегося высокоскоростного истечения пароводяной смеси в жидкий свинец образуется достаточно протяженная область жидкого свинца, содержащая мелкодисперсные включения - паровые пузырьки с находящимися внутри каплями воды (заключительная стадия - 10 с). В образовавшейся многофазной области может произойти паровой взрыв - энергетическое взаимодействие расплавленного свинца с каплями воды, сопровождающееся взрывным ростом давления из-за фрагментации капель воды и быстрого испарения фрагментов. Следует подчеркнуть, что в настоящее время весьма активно проводятся экспериментальные и расчетные исследования аварии с разрывом трубки ПГ во многих странах мира, развивающих атомную энергетику. Ведутся работы на маломасштабных установках по изучению гидродинамических и теплофизических процессов взаимодействия воды с жидким металлом. Имеется несколько крупномасштабных установок, которые позволяют исследовать взаимодействие воды с расплавом в условиях относительно близких к реальным. Получаемые экспериментальные данные служат основой для создания математических моделей явлений и валидации расчетных кодов. К настоящему времени создано несколько кодов, позволяющих моделировать процессы при разрыве трубки ПГ, однако уровень их валидации недостаточен для получения надежных прогнозов применительно к анализу аварии с межконтурной неплотностью. В обзоре 2017 года (Wang, 2017) отмечается, что практически отсутствуют исследования возникновения и распространения волн давления в первом контуре реактора, возникающих при разрыве трубки ПГ, и их воздействия на окружающие структуры. Автор этого обзора указывал на необходимость разработки детальных математических моделей и расчетных инструментов, позволяющих анализировать эти процессы. Авторы данной заявки в течение нескольких последних лет начали проводить исследования в этом направлении. Были созданы математические модели, позволяющие оценивать возникающие гидродинамические нагрузки на соседние трубки ПГ и определять энергетический потенциал взаимодействия воды и расплава. Эти модели получены при различных упрощающих предположениях, что обусловлено сложностью рассматриваемых процессов и явлений. Очевидно, что нужно продолжать работы по созданию более совершенных моделей и кодов, которые позволят глубже анализировать сложные гидродинамические и теплофизические процессы в многофазных потоках, возникающие при аварии с разрывом трубки ПГ в свинцовом реакторе. В целом, следует отметить, что работы авторов заявки, выполняемые в инициативном порядке, находятся на уровне современных мировых исследований в этой области. Научная значимость результатов состоит во всестороннем анализе проблемы взаимодействия вскипающей пароводяной струи с жидким металлом. Подобная ситуация возникает при аварии с разрывом трубки парогенератора в реакторе, охлаждаемом жидкометаллическим теплоносителем. Ввиду весьма серьезных возможных последствий этой аварии, связанных с потенциальным выходом радиоактивности, во всем мире ведутся работы по исследованию возникающих гидродинамических и теплофизических процессов. В проекте предлагается комплексный подход для изучения этого явления. Для исследования процессов, происходящих в начальный период истечения струи, таких как попадание объема воды высокого давления в расплав, дробление истекающей струи из-за различного рода неустойчивостей и перемешивание с окружающим расплавленным металлом будут в основном использоваться методы прямого моделирования, позволяющие определять динамику движения жидкостей с поверхностями раздела. В результате будут получены знания о том, как формируется многофазная смесь - вода/пар/расплав и установлены начальные условия для последующей возможной взрывной стадии, когда по сформировавшейся смеси проходит волна термической детонации, высвобождающая тепловую энергию расплава. Изучение этой стадии проводится с помощью многожидкостной модели. В результате проведенных исследований будут определены возникающие гидродинамические воздействия на соседние трубки парогенератора и внутренние структуры для широкого диапазона параметров. Полученные результаты будут соответствовать мировому уровню или превосходить его. Следует отметить, что недавние работы авторов заявки по этой тематике были опубликованы в ведущих научных журналах и широко представлены на конференциях и семинарах. Эти работы являются основой для исследований по предлагаемому проекту. Научная новизна исследований состоит в использовании различных методов исследований для анализа проблемы взаимодействия вскипающей пароводяной струи с жидким металлом. В проекте предлагается комплексный подход для изучения этого явления. Для исследования процессов, происходящих в начальный период истечения струи, таких как попадание объема воды высокого давления в расплав, дробление истекающей струи из-за различного рода неустойчивостей и перемешивание с окружающим расплавленным металлом будут в основном использоваться методы прямого моделирования, позволяющие определять динамику движения жидкостей с поверхностями раздела. В результате будут получены новые знания о том, как формируется многофазная смесь "вода/пар/расплав" и установлены начальные условия для последующей возможной взрывной стадии, когда по сформировавшейся смеси проходит волна термической детонации, высвобождающая тепловую энергию расплава. Изучение этой стадии будет проводится с помощью многожидкостной модели. В результате предполагаемых исследований будут впервые определены возникающие гидродинамические воздействия на соседние трубки парогенератора и внутренние структуры для широкого диапазона параметров. Достижимость решения поставленных задач обосновывается имеющимся у авторов заявки научным заделом, который позволяет достаточно точно прогнозировать пути и способы, которые позволят решить задачу. Были выбраны различные достаточно апробированные методы анализа, с помощью которых представляется возможным получить заявленные в проекте результаты. Следует отметить, что недавние работы авторов заявки по этой тематике были опубликованы в ведущих научных журналах и в достаточной степени представлены на научных конференциях и семинарах. Данные работы являются надежной основой для проведения исследований по предлагаемому проекту. Практическая значимость результатов проекта связана с использованием полученных результатов для анализов безопасности быстрых реакторов, охлаждаемых жидкометаллическим теплоносителем. Актуальность решения обозначенной проблемы состоит в обеспечении безопасности быстрых реакторов, охлаждаемых жидкометаллическим теплоносителем, проекты которых в настоящее время сооружаются в различных странах мира.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---