Николай Васильевич Пилипенко, доктор технических наук, профессор, доцент
197101; Санкт-Петербург
sc 7006938207
Nikolay V. Pilipenko, D.Sc., Professor, Associate Professor
197101; Saint Petersburg
sc 7006938207
Артём Олегович Коптюхов, кандидат технических наук, научный сотрудник
188300; Гатчина
sc 57213518403
Artem O. Koptyukhov, PhD, Scientific Researcher
188300; Gatchina
sc 57213518403
Введение. Рассмотрены вопросы трехмерного моделирования теплового взаимодействия между расплавом активной зоны и устройством локализации расплава (ловушкой) в условиях тяжелой аварии на атомной электростанции. Предложена оптимизированная конфигурация заполнения устройства локализации жертвенным материалом. Выполнены интеграции усредненного по Рейнольдсу уравнения Навье–Стокса, численного решения уравнения теплопроводности и модели динамики уровня двух несмешивающихся жидкостей, что позволяет одновременно учитывать турбулентное течение в жидких компонентах расплава, изменение границы расплавляющегося жертвенного материала (задача Стефана) и стратификацию расплавов с инверсией.
Метод. Расчеты произведены в три последовательных этапа. На первом этапе моделируется плавление жертвенного материала, на втором — стратификация слоев, а на третьем — теплоперенос после стратификации. На основе полученных данных формируется оптимальная конфигурация заполнения ловушки.
Основные результаты. Представлено детальное объемное распределение температур на протяжении всех трех этапов, расчет распределения теплового потока на поверхности стенок ловушки и определение максимальной толщины подплавления корпуса, обусловленной интенсивным тепловым взаимодействием. Сравнение трехмерных расчетов с аналогичными двумерными исследованиями показало, что трехмерное моделирование более точно фиксирует характерные временные интервалы застывания и последующего расплавления металла.
Обсуждение. Продемонстрированы преимущества предложенного подхода в сравнении с существующими методами. Показана его применимость при проектировании и оптимизации устройств локализации расплава, представлены перспективы дальнейшего развития модели, включая учет химических реакций и адаптацию к другим типам реакторов. Полученные данные убедительно подтверждают, что принятая конфигурация обладает потенциалом для существенного продления периода эффективного противодействия последствиям тяжелой аварии на атомных электростанциях.
This study addresses three-dimensional modeling of the thermal interaction between the core melt and the melt localization device (trap) during a severe accident at a nuclear power plant. An optimized configuration for filling the localization device with sacrificial material is proposed. The calculations incorporate the Reynolds-averaged Navier–Stokes equations, numerical solutions of the heat conduction equation, and a two-fluid interface dynamics model, enabling simultaneous consideration of turbulent flow within the liquid phases, the moving boundary of the melting sacrificial material (Stefan problem), and stratification with inversion. The analysis proceeds in three consecutive stages. The first stage models the melting of the sacrificial material; the second simulates the stratification of layers; the third evaluates heat transfer after stratification. Based on the results, an optimal filling configuration for the trap is developed. The study presents detailed volumetric temperature distributions throughout all three stages, the heat flux distribution on the trap walls, and the maximum thickness of the melted shell caused by intense thermal interaction. Comparison between three-dimensional simulations and similar two-dimensional studies demonstrates that 3D modeling more accurately captures the characteristic timing of solidification and subsequent melting processes. The advantages of the proposed approach over existing methods are highlighted. Its applicability for designing and optimizing melt localization devices is shown, and prospects for future development are discussed, including incorporating chemical reactions and adapting the model to other reactor types. The data convincingly suggest that the adopted configuration has significant potential to extend the period during which effective mitigation of severe accident consequences at nuclear power plants can be maintained.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.