Numerical investigation of the air heat-mass transfer in the chamber of dry storage for spent nuclear fuel.pdf Для хранения отработанного ядерного топлива (ОЯТ) используются сухие хранилища. В основу способа сухого хранения ОЯТ положен пассивный способ отвода тепла от ОЯТ с помощью воздуха [1-4]. ОЯТ размещаются в специальных пеналах, которые загружаются в гнезда хранения, размещенные в железобетонных камерах. Основной проблемой при хранении ОЯТ в сухом хранилище является надежная и устойчивая естественно-конвективная циркуляция воздуха во всех каналах хранилища независимо от состояния во внешней окружающей атмосфере. Каждая камера имеет вытяжные шахты по обеим сторонам, слева и справа, а также входные опускные шахты для подачи в подкамерное пространство атмосферного воздуха (рис. 1). Охлаждение гнезд реализуется свободно-конвективным течением воздуха вдоль поверхности гнезд хранения. Течение воздуха в камерах хранения сухого хранилища реализуется в результате организованного естественного воздухообмена, при этом движущими силами такого воздухообмена являются гравитационные силы и ветровое давление. Температурный режим элементов хранилища (гнезд хранения, пеналов, ампул с ОЯТ и бетона строительных конструкций здания) зависит от расхода воздуха относительно гнезд, расположенных в камерах хранения ОЯТ. В отличие от принудительной вентиляции система охлаждения пеналов с ОЯТ в гнездах хранения сухого хранилища является пассивной, что повышает ее надежность и дает экономический выигрыш при эксплуатации. В атмосфере, помимо сезонных, суточных изменений, наблюдаются существенно нестационарные явления локального по времени и пространству характера: ураганы, смерчи, порывы ветра и другие атмосферные явления, которые могут повлиять на аэродинамические процессы естественной конвекции в камерах сухого хранилища. Для определения влияния существенно нестационарных процессов в атмосфере на устойчивость естественно-конвективного охлаждения во внутренних полостях сухого хранилища необходимо провести расчетно-теоретические исследования и анализ аэродинамических процессов в камере хранения и каналах вокруг гнезд хранения, определить времена установления стационарного естественно-конвективного течения, времена перестройки течения в полостях хранилища и оценить влияние этих изменений на температуру гнезд хранения отработанного ядерного топлива. Целью данной работы является разработка математической модели и проведение расчетно-теоретического анализа влияния внешней ветровой нагрузки на величину и распределение потоков охлаждающего воздуха в полостях и вытяжных шахтах сухого хранилища. Для моделирования неизотермического течения газа можно использовать математические модели различных уровней. В общем случае физико-математическая модель течения вязкого теплопроводного сжимаемого газа в поле сил тяжести формулируется на основе уравнений Навье - Стокса с учетом вязкой диссипации механической энергии [5-8]. Поскольку решение задачи в полной постановке требует больших вычислительных затрат, то необходимо прибегать к тем или иным упрощениям. Общую постановку задачи можно упростить за счет уменьшения количества пространственных переменных в случае направленного течения газа. Для течений со скоростями, меньшими числа Маха равного 0.3, используется гипотеза о несжимаемости среды [5, 6]. Для учета зависимости плотности среды от температуры рассматривается приближение Буссинеска [9, 10]. В случае больших изменений температуры среды и больших характерных размеров области, где происходит течение воздуха, используются модели нетеплопроводного сжимаемого невязкого газа [11-15]. Построение математической модели Рассматривается свободно-конвективное течение воздуха в камере хранения сухого хранилища, рис. 1. В камере хранения расположены гнезда хранения 5, содержащие пеналы с ОЯТ, являющиеся источником тепла. Воздух нагревается от стенок гнезд хранения и под действием сил плавучести поднимается вверх, движется в свободном пространстве между гнездами хранения, разделенными перегородками 6, и выходит через вытяжные шахты 3 и 4. Свежий воздух затекает в подкамерное пространство 7 через входные каналы 1 и 2 и далее течет через закладные трубы в камеру хранения. Учитывается сопротивление трения при обтекании воздухом гнезд хранения. Камера хранения имеет ширину 22 и высоту 9 м. Гнезда хранения представляют собой трубы диаметром 0.7 и высотой 9 м, которые начинаются на высоте 3 м и заканчиваются на высоте 12 м, расположены в камере хранения в два ряда. Перегородки между гнездами хранения начинаются на высоте 3 м от нижней части гнезд хранения и заканчиваются на высоте 11 м. Входные каналы с жалюзий-ными решетками находятся на высоте 10 м, имеют ширину 1 м. Выходы вытяжных шахт находятся на высоте 30 м и имеют ширину 0.6 м. Высота всего здания сухого хранилища - 30 м, ширина - 30 м. Глубина камеры хранения (проходное сечение для воздуха) H (х, y) в направлении, перпендикулярном поперечному сечению, много меньше ее высоты и ширины. Вне расположения гнезд хранения H (х, y) = 1 м. В области расположения гнезд хранения H (x, y) задавалась как средняя величина проходного сечения и вычислялась по формуле (V - V ) V кам гн / н (x, y ) = - S„„ N где VK3M - объем камеры хранения с учетом объема гнезд хранения в одной камере хранения; Уш - суммарный объем всех гнезд хранения, расположенных в одной камере хранения; - площадь вертикального сечения камеры хранения в части, где расположены гнезда хранения, в направлении вдоль расположения гнезд хранения; N - количество рядов гнезд хранения в камере. Величина H (x, y), вычисленная по приведенной формуле, составляет 0.615 м на один метр глубины камеры хранения. Рис. 1. Поперечное сечение камеры хранения здания сухого хранилища. 1, 2 - левый и правый входные каналы; 3, 4 - левая и правая вытяжные шахты, 5 - камера хранения с гнездами хранения; 6 - перегородки; 7 -подкамерное пространство. Стрелками обозначены направления движения потока воздуха Fig. 1. Transverse cross section of a storage chamber in a dry storage for spent nuclear fuel. 1, 2, left and right input ducts, respectively; 3, 4, left and right exhaust shafts, respectively; 5, storage chamber with the storage nests; 6, partitions; 7, under-chamber space. The arrows indicate the airflow direction Проведем осреднение параметров состояния воздуха в направлении, перпендикулярном сечению камеры хранения. После осреднения система уравнения газовой динамики в квазидвумерном приближении принимает вид dpH (x, y) dpuH (x, y) dpvH (x, y) = 0; (1) dt dx dy dpuH + d(Pu2 + p)H + dpuvH = dH(x,y) _F ; () dt dx dy dx x dpvH dpuvH d(pv2 + p )H dH (x, y) ^ тт, ч d = p d _Fy _gpH(x,y); (3) dt dx dy dy ЪШ + 9( upE+xpu) h +d( vPE + pv)H = q x, y, h (x,„ _ gpvH (x y); (4) dt dx dy p = pRT; (5) E = e + (u 2 + v2 )/2 e = p (k _ 1) где x, y - координаты; t - время; p - плотность газа; u, v - компоненты вектора скорости вдоль координат x, y соответственно; p - давление; T - температура; E -полная энергия газа; e - внутренняя энергия газа; g - ускорение силы тяжести; k -показатель адиабаты воздуха; R - газовая постоянная; Q - приход тепла с поверхностей гнезд хранения в единицу времени в единицу объема воздуха в камере хранения в области расположения пеналов хранения; Fx, Fy - компоненты силы трения газа о стенки камеры и гнезд хранения; функция n(x, y) равна единице в местах расположения гнезд хранения и нулю - в противном случае. Fx, Fy определяются в соответствии с зависимостями силы сопротивления потоку при продольном и поперечном обтекании труб, взятыми из [16], и имеют вид puVu2 + v2 4 „5 puD Fx = cx~-, cx = 1.2 при 10

Скачать электронную версию публикации