Simulace míšení chladiva během události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku pomocí CFD programu Ansys Fluent

Vyhodnocování tlakově teplotních šoků je důležitá úloha pro jadernou bezpečnost.

UJV Řež_logo.png

Zadání projektu

Společnost: ÚJV Řež, a. s., Oddělení Bezpečnostní analýzy, Divize Jaderná bezpečnost a spolehlivost
Název reference: Simulace míšení chladiva během události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku pomocí CFD programu Ansys Fluent

Autor reference: Ing. Ladislav Vyskočil, Ph.D.

Použitý software: ANSYS Gambit 2.4 (pro tvorbu geometrie výpočetní oblasti a výpočetní sítě), ANSYS Fluent 13 (pro CFD simulaci míšení a pro zpracování výsledků)

Motivace

Vyhodnocování tlakově teplotních šoků je důležitá úloha pro jadernou bezpečnost. Zahájení vstřikování ze systému havarijního chlazení aktivní zóny jaderného tlakovodního reaktoru způsobí rychlý pokles teploty chladiva ve studené větvi primárního okruhu a následné rychlé a nerovnoměrné vychlazování nádoby reaktoru. To vede k velkým teplotním gradientům a tedy i teplotním napětím v nádobě reaktoru, která je současně namáhaná vnitřním přetlakem.

Životnost nádoby reaktoru je omezující faktor pro životnost celé jaderné elektrárny. Prasknutí tlakové nádoby ve střední a dolní části a následná ztráta chladiva by nutně vedly k poškození aktivní zóny.

Simulace události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku

Termohydraulická analýza chování celé elektrárny během události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku se provádí systémovým termohydraulickým programem RELAP5.

V tomto programu se simuluje primární a sekundární okruh a systém havarijního vstřikování. Podpůrné analýzy chování kontejnmentu během simulované události se řeší pomocí programů ATHLET, COCOSYS a MELCOR.

Pro podrobnou simulaci míšení chladiva ve studené větvi a v sestupné šachtě lze použít CFD program. V ÚJV Řež se pro tyto potřeby používá Ansys Fluent. Na základě výsledků z těchto výpočtů se provádí pevnostní analýza.

Zadání úlohy pro CFD program Ansys Fluent

Cílem simulace je spočítat vývoj teplotního pole na vnitřním povrchu stěny tlakové nádoby reaktoru v oblasti sestupné šachty a na vnitřním povrchu potrubí studených větví smyček primárního okruhu během události, která může potenciálně vést k tlakově teplotnímu šoku.

Výpočetní oblast pro CFD simulaci zahrnuje studené větve smyček primárního okruhu se vstřiky havarijního chlazení aktivní zóny, sestupnou šachtu a dolní směšovací komoru reaktoru. Na studených větvích jsou modely hlavních cirkulačních čerpadel. Součástí výpočetní oblasti jsou pevná tělesa modelující stěny tlakové nádoby reaktoru, vnitřních částí reaktoru a studených větví smyček primárního okruhu. V ÚJV Řež byly vytvořeny výpočetní modely pro reaktor VVER-1000 a VVER-440. Každý z těchto modelů obsahuje okolo 2 milionů výpočetních buněk. Model pro reaktor VVER-1000 je zobrazen na Obr. 1.

Okrajové a počáteční podmínky pro CFD simulaci jsou převzaty z termohydraulické analýzy provedené programem RELAP5. Okrajové podmínky pro CFD simulaci (průtoky a teploty) se pro smyčky se vstřiky havarijního chlazení aktivní zóny zadávají na výstupech z parogenerátorů, pro ostatní smyčky na výstupech z hlavního cirkulačního čerpadla. Kromě toho se zadávají průtoky a teploty vstřiků havarijního chlazení aktivní zóny. 

Obr1_UJV_2:  Výpočetní oblast pro simulaci míšení ve studených větvích smyček primárního okruhu a v sestupné šachtě reaktoru VVER-1000. Zobrazen je pouze průtočný průřez bez pevných těles. Šipky označují vstupy do výpočetní oblasti.

Obr1_UJV_2:  Výpočetní oblast pro simulaci míšení ve studených větvích smyček primárního okruhu a v sestupné šachtě reaktoru VVER-1000. Zobrazen je pouze průtočný průřez bez pevných těles. Šipky označují vstupy do výpočetní oblasti.

Řešení

Úloha se řeší jako nestacionární proces se zadanými nestacionárními okrajovými podmínkami. Proudění se považuje za nestlačitelné. Fyzikální vlastnosti vody v primárním okruhu (hustota, viskozita, měrná tepelná kapacita a tepelná vodivost) jsou po částech lineární funkce teploty. Turbulence se modeluje pomocí realizable k-epsilon modelu. Pro diskretizaci konvektivních členů v řešených rovnicích se používají protiproudá schémata 2. řádu přesnosti.

Výsledky

Výsledkem simulace je vývoj teplotních polí na vnitřním povrchu stěny tlakové nádoby reaktoru v oblasti sestupné šachty reaktoru a na vnitřním povrchu potrubí studených větví smyček primárního okruhu. Tato data jsou ukládána s periodou 1 sekunda během celého řešeného přechodového děje. Řešené přechodové děje trvají až 20 000 s. Uložená data z Fluentu se dále zpracovávají pomocí programů v jazyce C, aby je bylo možné použít v pevnostní analýze.

Ukázka výsledků CFD simulace je na Obr. 2 a Obr. 3. Na Obr. 2 jsou vidět dva studené jazyky v sestupné šachtě a teplotní stratifikace ve studených větvích tří smyček primárního okruhu se vstřiky havarijního chlazení aktivní zóny. Na Obr. 3 je porovnání výsledků z Fluentu s výsledky ze systémového kódu RELAP5.

Lze očekávat, že teploty spočtené ve Fluentu budou blíže skutečnosti než výsledky z RELAPu, protože Fluent modeluje míšení na podstatně jemnější výpočetní síti než RELAP5 a je schopen postihnout různé lokální jevy, které se v RELAPu nemodelují.


Závěr

V minulosti se pro simulace míšení chladiva ve studené větvi a v sestupné šachtě reaktoru používaly relativně jednoduché programy regionálního míšení REMIX/NEWMIX. Tyto programy nebyly náročné na výpočetní techniku, ale měly řadu omezení. Nedokázaly zohlednit přítok teplé vody od parogenerátoru a počítaly vždy jen jednu studenou větev se vstřikem havarijního chlazení aktivní zóny bez ohledu na interakce s chladivem a případně se studenými jazyky z ostatních smyček.

Jejich výsledky byly příliš konzervativní. Díky použití CFD programu Ansys Fluent všechny tyto problémy odpadly. Nyní je možné simulovat míšení chladiva při události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku podstatně přesněji bez zjednodušujících předpokladů.

Nevýhodou použití CFD programu Fluent jsou značné nároky na výpočetní čas a rovněž na potřebný diskový prostor pro ukládání dat.

Obr2_UJV_2: Ukázka výsledků: reaktor VVER-1000, teploty omývaných stěn [°C] v čase 200 s od zahájení vstřikování ze tří systémů havarijního chlazení aktivní zóny při události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku. Všimněte si dvou studených jazyků v sestupné šachtě reaktoru a teplotní stratifikace ve studených větvích smyček primárního okruhu.

Obr2_UJV_2: Ukázka výsledků: reaktor VVER-1000, teploty omývaných stěn [°C] v čase 200 s od zahájení vstřikování ze tří systémů havarijního chlazení aktivní zóny při události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku. Všimněte si dvou studených jazyků v sestupné šachtě reaktoru a teplotní stratifikace ve studených větvích smyček primárního okruhu.

Obr3_UJV_2.png

Obr3_UJV_2: Porovnání výsledků z programů Ansys Fluent a RELAP5 při simulaci události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku: teploty omývaného povrchu stěny TNR v úrovni svaru č. 4 na úrovni horní čtvrtiny aktivní zóny (CL4 = cold leg 4, studená větev smyčky 4)

 

Využívaný software

ANSYS Fluent

ANSYS Fluent

Program ANSYS Fluent je nástroj pro 2D/3D počítačovou simulaci proudění (CFD). Jeho charakteristickým rysem je jeho…

Další případové studie

Simulace experimentů modelujících roztavenou aktivní zónu ve dně tlakové nádoby jaderného reaktoru

Zadržení roztavené aktivní zóny ve dně nádoby tlakovodního jaderného reaktoru (IVR, In-Vessel Retention) je jedna z…

Proudění vzduchu v brzdovém posilovači

Na základě známých vlastností sériových posilovačů byly vybrány dva reprezentativní vzorky s různým vnitřním…

Modelování stolku Mahle 94400 se středovým topením

Připravit model výhřevu rotujících vřeten na rotačním stolku Mahle 94400 se středovým topením, analyzovat teploty v…