Прогноз теплового режима подземного объекта хранения тепловыделяющих материалов в условиях смешанной конвекции

16.09.2020 2020 - №03 Теплофизика и теплогидравлика

П.В. Амосов

https://doi.org/10.26583/npe.2020.3.08

Представлены результаты исследования методами численного моделирования теплового режима подземного объекта долговременного хранения отработавшего ядерного топлива в варианте встроенной железобетонной конструкции. Компьютерная модель в двумерной постановке построена в программе COMSOL. Математическая модель основывается на уравнениях неразрывности, Навье-Стокса и общем уравнении теплопереноса. Учет условий смешанной конвекции реализован в приближении «несжимаемого идеального газа», в котором теплофизические параметры воздуха являются функцией только температуры. Для двух параметров модели приняты следующие значения: расход воздуха, который обеспечивает скорость на входной границе 0,01, 0,03 и 0,05 м/с, и эффективный коэффициент теплопроводности материала встроенной конструкции – 1,0 и 2,0 Вт/(м⋅K). Численные эксперименты выполнены на срок до пяти лет хранения топлива. Подчеркнуто принципиальное отличие нестационарной структуры прогнозируемых в модели «несжимаемого идеального газа» скоростных полей от «застывшей» картины аэродинамических параметров в модели несжимаемой жидкости. Выполнен анализ динамики пространственных распределений температурных полей в различных областях модели. Показано соблюдение требований по непревышению критериальных значений температуры при функционировании объекта в консервативных условиях проветривания по величине расхода воздуха и значении коэффициента теплопроводности материала встроенной конструкции. Проанализирована динамика тепловых потоков, направленных в скальный массив через основание и с поверхности встроенной конструкции в воздушную среду. Отмечено доминирование теплового потока с поверхности конструкции. Продемонстрировано влияние эффективного коэффициента теплопроводности материала встроенной конструкции и расхода воздуха на величину тепловых потоков в воздушную среду и скальный массив.

Ссылки

1. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А., Амосов П.В., Гусак С.А., Наумов А.В., Катков Ю.Р. Отработавшее ядерное топливо судовых энергетических установок на европейском Севере России. Ч.II. – Апатиты: КНЦ РАН, 2003. – 209 с.
2. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А., Амосов П.В., Гусак С.А., Наумов А.В., Катков Ю.Р., Смирнов Ю.Г., Орлов А.О., Рыбин Ю.Ю. Концепция подземного хранилища отработавшего ядерного топлива судовых ядерных энергетических установок на Кольском полуострове // Вестник МГТУ. – 2006. – Т.9. – № 3. – С.408-418.
3. Пункты сухого хранения отработавшего ядерного топлива. Требования безопасности НП-035-02 // Вестник Госатомнадзора России. – 2002. – № 3. – С. 51-58.
4. Правила безопасности при хранении и транспортировании ядерного топлива на объектах использования атомной энергии НП-061-05 // https://files.stroyinf.ru/Data1/47/47340/ (дата обращения 20.01.2020).
5. Калинкин В.И., Крицкий В.Г., Токаренко А.И., Тихонов Н.С., Размашкин Н.В., Серова А.Л., Балицкая А.Н. Хранение отработавшего ядерного топлива энергетических реакторов: препринт. – СПб: ВНИПИЭТ, 2009. – 124 с.
6. Наумов В.А., Гусак С.А. Изучение закономерностей образования источников тепла в хранилищах контейнерного типа для отработавшего ядерного топлива реакторов малой мощности // Вестник Кольского научного центра РАН. – 2019. – № 2 (11). – С. 105-115; DOI: https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.2.105-115 .
7. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. – М.: Недра, 1978. – 390 с.
8. Документация COMSOL. Электронный ресурс: https://www.comsol.ru/documentation (дата обращения 20.01.2020).
9. Release 17.0 Documentations for ANSYS. Swanson Analysis Systems, Inc. – 2016.
10. Щеляев А. FlowVision – современный российский инструмент математического моделирования. Электронный ресурс: https://sapr.ru/article/21879 (дата обращения: 21.08.2018).
11. Амосов П.В., Подшивалова А.В. Моделирование теплового режима подземного объекта хранения тепловыделяющих радиационно опасных материалов // Вестник МГТУ. – 2010. – Т. 13. – № 3. – С. 562-566.
12. Амосов П.В., Подшивалова А.В. Особенности теплового режима подземного объекта изоляции тепловыделяющих материалов (контейнерный вариант). // Известия вузов Ядерная энергетика. – 2010. – № 3. – С. 133-140.
13. Егоров В.И. Применение ЭВМ для решения задач теплопроводности. Учебное пособие. – СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2006. – 77 с.
14. Амосов П.В., Новожилова Н.В. Двумерное численное моделирование аэротермодинамики атмосферы карьера. // Сб. докл. Всероссийской научно-технической конференции «Экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли – формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов.». – Апатиты: Горный институт Кольского научного центра РАН. – 2014. – С. 153-159.
15. Амосов П.В., Козырев С.А., Назарчук О.В. Разработка компьютерной модели аэротермодинамики атмосферы карьера в ANSYS FLUENT. // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). – 2018. – № 44 (70). – С. 121-125; DOI: https://doi.org/10.15217/issn1998984-9.2018.44.121 .
16. Наука о Земле. Т. 21: Справочник физических констант горных пород. – М.: Мир, 1969. – 543 с.
17. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Наука, 1972. – 720 с.
18. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. – Л.: Энергия, 1968. – 304 с.
19. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. / Под ред. Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, М.М. Протодьяконова. – М.: Недра, 1975. – 279 с.
20. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика): Справочник геофизика / Под. ред. Н.Б. Дортмана. – М.: Недра, 1984. – 455 с.
21. Horai K. Thermal conductivity of rock-forming minerals. // Journal of Geophysical Research. – 1971. – Vol. 76. – No. 5. – PP. 1278-1308.
22. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник. – М.: Атомиздат, 1968. – 484 с.
23. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А., Амосов П.В., Гусак С.А., Наумов А.В., Орлов А.О., Смирнов Ю.Г., Караваева Е.В., Новожилова Н.В., Климин С.Г. Научные и инженерные аспекты безопасного хранения и захоронения радиационно опасных материалов на европейском севере России. – Апатиты: КНЦ РАН, 2010. – 305 с.

тепловыделяющие материалы отработавшее ядерное топливо объект хранения численное моделирование смешанная конвекция тепловая безопасность

Ссылка для цитирования статьи: Амосов П.В. Прогноз теплового режима подземного объекта хранения тепловыделяющих материалов в условиях смешанной конвекции. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2020. – № 3. – С. 80-92. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2020.3.08 .