Теплофизические аспекты фазовых превращений охлаждаемого расплава высокотемпературного кориума в ядерных энергетических установках

   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.

1. Xi Z., Hu Y., Gong H., Zhang L., Ma Z., Sun W., et al. Numerical study on the corium pool heat transfer with OpenFOAM // Frontiers in Energy Research. 2020. V. 8. P. 80. doi: 10.3389/fenrg.2020.00080

2. Кухтевич И.В., Безлепкин В.В., Грановский В.С. [и др.]. Концепция локализации расплава кориума на внекорпусной стадии запроектной аварии АЭС с ВВЭР-1000 // Теплоэнергетика. 2001. № 9. С. 2–7.

3. Гусаров В.В., Альмяшев В.И., Хабенский В.Б., Бешта С.В., Грановский В.С. Взаимодействие материала на основе оксидов алюминия и железа с расплавом металлов // Журнал прикладной химии. 2007. Т. 80. № 4. С. 541–548.

4. Asmolov V.G., Zagryazkin V.N., Tsurikov D.F. The thermodynamics of U-Zr-Fe-O melts // High Temperature. 2007. V. 45. N 3. P. 305–312. doi: 10.1134/s0018151x07030042

5. Viot L., Le Tellier R., Peybernes M. Modeling of the corium crust of a stratified corium pool during severe accidents in light water reactors // Nuclear Engineering and Design. 2020. V. 368. P. 110816. doi: 10.1016/j.nucengdes.2020.110816

6. Gaus-Liu X., Miassoedov A., Gabriel S. Review of experimental studies on the heat transfer behaviour of volumetrically-heated pool with different boundary conditions and the influence of crust formation // Proc. of the 24^th International Conference on Nuclear Engineering. 2016. V. 2. P. UNSP V002T07A007. doi: 10.1115/icone24-60268

7. Zhang L., Luo S., Zhang Y., Tian W., Su G., Qiu S. Large eddy simulation on turbulent heat transfer in reactor vessel lower head corium pools // Annals of Nuclear Energy. 2018. V. 111. P. 293–302. doi: 10.1016/j.anucene.2017.08.055

8. Динь Ч.Н., Нигматулин Б.И., Нургалиев Р.Р., Рассохин Н.Г. Оценка тепловой нагрузки на стадии взаимодействия расплавленного кориума с корпусом ВВЭР при тяжелой аварии // Теплоэнергетика. 1996. № 3. C. 9–17.

9. Fukasawa M., Hayakawa S., Saito M. Thermal-hydraulic analysis for inversely stratified molten corium in lower vessel // Journal of Nuclear Science and Technology. 2008. V. 45. N 9. P. 873–888. doi: 10.1080/18811248.2008.9711489

10. Tran C.T., Kudinov P. The effective convectivity model for simulation of molten metal layer heat transfer in a boiling water reactor lower head // Science and Technology of Nuclear Installations. 2013. V. 2013. P. 231501. doi: 10.1155/2013/231501

11. Коваленко А.Н., Коптюхов А.О., Мещеряков Д.К., Щуклинов А.П. Моделирование термокинетических процессов в тигельных ловушках расплава кориума при авариях реакторов на АЭС // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2020. Т. 13. № 4. С. 61–76. doi: 10.18721/JPM.13405

12. Коваленко А.Н., Коптюхов А.О., Мещеряков Д.К., Щуклинов А.П. Расширенное трехстадийное 3D-моделирование термокинетических процессов в тигельных ловушках расплава кориума при авариях реакторов на АЭС // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2021. Т. 14. № 4. С. 69–83. doi: 10.18721/JPM.14405

13. Boettinger W.J., Warren J.A., Beckermann C., Karma A. Phase-field simulation of solidification // Annual Review of Materials Research. 2002. V. 32. P. 163–194. doi: 10.1146/annurev.matsci.32.101901.155803

14. Wang Q., Yu Q., Du W., Fang Z., Li K., Wang Q. Fluid distribution in a two-phase space accumulator predicted by a coupled multi-scale model based on single-domain approach // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2025. V. 162. P. 108567. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.108567

15. Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомиздат, 2000. 456 с.