RU2742076C1 - Method of determining corium crustal heat conductivity - Google Patents

Method of determining corium crustal heat conductivity Download PDF

Info

Publication number
RU2742076C1
RU2742076C1 RU2020125055A RU2020125055A RU2742076C1 RU 2742076 C1 RU2742076 C1 RU 2742076C1 RU 2020125055 A RU2020125055 A RU 2020125055A RU 2020125055 A RU2020125055 A RU 2020125055A RU 2742076 C1 RU2742076 C1 RU 2742076C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crust
melt
corium
temperature
thermal conductivity
Prior art date
Application number
RU2020125055A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Бенцианович Хабенский
Владимир Семенович Грановский
Вячеслав Исхакович Альмяшев
Виктор Владимирович Гусаров
Евгений Владимирович Крушинов
Сергей Александрович Витоль
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова"
Priority to RU2020125055A priority Critical patent/RU2742076C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2742076C1 publication Critical patent/RU2742076C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: nuclear energy.
SUBSTANCE: method can be used in nuclear power engineering when analyzing safety of nuclear power plants with nuclear reactors of water-water type in case of severe accident with violation of cooling and core melting. According to the disclosed method, an oxide-metal molten bath of a prototype corium with a surface position of a molten metal is formed in an experimental apparatus and with corium crust on metal melt surface. Peeling is provided by cooling the surface zone of the molten bath. Further, the melt is oxidised by feeding an oxidant into a cavity located above the crust. Thermal conditions are stabilized, the temperature of the outer surface of the crust is measured and the heat flux removed by radiation from the outer surface of the crust is determined. Melt is crystallized and the thickness of the crust is measured. Temperature of inner surface of crust is calculated as temperature of monotectic of oxide-metallic system of melt bath. Thermal conductivity of the crust is calculated from the relationship for stationary heat conductivity through a flat plate.
EFFECT: higher accuracy of determining the heat conductivity of the corium crust at design simulation of processes which determine retention of the melt in the reactor vessel.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам определения теплопроводности неоднородных твердых материалов, а именно корки, образующейся на поверхности расплава активной зоны ядерного реактора (корки кориума), и применимо в ядерной энергетике, конкретно, при анализе безопасности атомных электростанций (АЭС) с ядерными реакторами водо-водяного типа (ВВЭР) в условиях тяжелой аварии с нарушением охлаждения и плавлением активной зоны.The invention relates to methods for determining the thermal conductivity of inhomogeneous solid materials, namely the crust formed on the surface of the melt of the core of a nuclear reactor (corium crust), and is applicable in nuclear power, specifically, in the analysis of the safety of nuclear power plants (NPP) with nuclear reactors of water-cooled type (VVER) in a severe accident with disruption of cooling and core melting.

В процессе развития тяжелой аварии на днище корпуса ВВЭР формируется ванна расплава активной зоны и внутрикорпусных стальных конструкций - ванна кориума. В нижней части ванны находится оксидная жидкость, а в верхней части - металлическая жидкость. На поверхности металлической жидкости образуется корка кориума. Одним из способов обеспечения безопасности при тяжелой аварии является удержание расплава в корпусе реактора путем наружного водяного охлаждения корпуса. Обоснование эффективности удержания расплава выполняется расчетным путем, при этом необходимо знание всех геометрических, массовых, энергетических параметров, а также механических, физико-химических и теплофизических свойств материалов. Все эти данные требуются при расчетном моделировании процессов, определяющих возможность удержания расплава в корпусе реактора. К указанным свойствам относится теплопроводность корки кориума. Особенностями корки являются высокая температура (1800-2000 К), многокомпонентный состав (U, Zr, Fe, О), зависимость структуры (пористости, наличия трещин) от состава атмосферы (нейтральная, окислительная), в которой кристаллизовался расплав в процессе формирования корки, и атмосферы над коркой в процессе удержания расплава в корпусе. Указанные особенности должны учитываться в способе определения теплопроводности корки кориума.During the development of a severe accident on the bottom of the VVER vessel, a bath of the melt of the core and inner-vessel steel structures is formed - a bath of corium. In the lower part of the bath there is an oxide liquid, and in the upper part there is a metallic liquid. A corium crust forms on the surface of the metallic liquid. One of the ways to ensure safety in a severe accident is to contain the melt in the reactor vessel by external water cooling of the vessel. Justification of the efficiency of retention of the melt is carried out by calculation, while knowledge of all geometric, mass, energy parameters, as well as mechanical, physicochemical and thermophysical properties of materials is required. All these data are required for computational modeling of the processes that determine the possibility of keeping the melt in the reactor vessel. These properties include the thermal conductivity of the corium crust. Peculiarities of the crust are high temperature (1800-2000 K), multicomponent composition (U, Zr, Fe, O), dependence of the structure (porosity, presence of cracks) on the composition of the atmosphere (neutral, oxidizing), in which the melt crystallized during the formation of the crust, and the atmosphere above the crust while retaining the melt in the body. These features should be taken into account in the method for determining the thermal conductivity of the corium crust.

Актуальность знания теплопроводности корки кориума определяется тем обстоятельством, что ее величина непосредственно влияет на толщину корки: при прочих равных условиях, чем больше теплопроводность, тем меньше (в обратно пропорциональной зависимости) толщина. В свою очередь, чем меньше толщина корки, тем интенсивней, в условиях окислительной (паровой, паро-воздушной) атмосферы в корпусе аварийного реактора, процесс окисления расплава. Указанный процесс негативно влияет как на возможность удержания расплава в корпусе, вследствие увеличения тепловыделения в расплаве при экзотермических окислительно-восстановительных реакциях, так и вследствие выделения водорода, ухудшающего условия водородной безопасности аварийного энергоблока АЭС.The relevance of knowledge of the thermal conductivity of the corium crust is determined by the fact that its value directly affects the thickness of the crust: all other things being equal, the greater the thermal conductivity, the smaller (in inversely proportional relationship) the thickness. In turn, the smaller the thickness of the crust, the more intense, under conditions of an oxidizing (steam, vapor-air) atmosphere in the vessel of an emergency reactor, the process of oxidation of the melt. This process negatively affects both the ability to retain the melt in the vessel, due to an increase in heat release in the melt during exothermic redox reactions, and due to the release of hydrogen, which worsens the conditions for hydrogen safety of the emergency power unit of the NPP.

Известны способы определения теплопроводности материалов в нестационарных тепловых режимах.Known methods for determining the thermal conductivity of materials in non-stationary thermal conditions.

В способе по патенту RU2076314 (опубл. 27.03.1997) определяют теплопроводность материала, которым заполнена цилиндрическая полость. Наружную цилиндрическую поверхность образца помещают в дифференциальный сканирующий калориметр теплового потока, нагревают его с постоянной скоростью, внутреннюю цилиндрическую поверхность термостатируют, подводимый тепловой поток регистрируют, а теплопроводность материала вычисляют по предложенной зависимости.In the method according to patent RU2076314 (publ. 03/27/1997), the thermal conductivity of the material, which is filled in the cylindrical cavity, is determined. The outer cylindrical surface of the sample is placed in a differential scanning heat flux calorimeter, it is heated at a constant rate, the inner cylindrical surface is thermostated, the supplied heat flux is recorded, and the thermal conductivity of the material is calculated according to the proposed relationship.

В способе определения теплопроводности материала по патенту RU2153664 (опубл. 27.07.2000) образцы исследуемого и эталонного материалов перемещают относительно блоков нагрева и измерения температуры поверхности образцов с предварительной настройкой ширины пятна нагрева и пятна измерения температуры, и теплопроводность материала вычисляют по предложенной зависимости.In the method for determining the thermal conductivity of a material according to patent RU2153664 (publ. 07/27/2000), samples of the test and reference materials are moved relative to the heating and sample surface temperature measurement units with a preliminary setting of the width of the heating spot and the temperature measurement spot, and the thermal conductivity of the material is calculated according to the proposed relationship.

В способе определения теплопроводности материала по патенту RU2535657 (опубл. 20.12.2014) блок нагрева и три датчика измерения температуры перемещают линейно с постоянной скоростью относительно исследуемого и эталонных образцов, затем перемещение производят в противоположном направлении с изменением мощности блока нагрева и скорости перемещения, и теплопроводность материала определяют по результатам измерений температуры и значениям теплопроводности и температуропроводности эталонных образцов.In the method for determining the thermal conductivity of a material according to patent RU2535657 (publ. 20.12.2014), the heating unit and three temperature sensors are moved linearly at a constant speed relative to the test and reference samples, then the movement is performed in the opposite direction with a change in the power of the heating unit and the speed of movement, and thermal conductivity material is determined from the results of temperature measurements and the values of thermal conductivity and thermal diffusivity of reference samples.

Известны также способы определения теплопроводности материалов в стационарных тепловых режимах.There are also known methods for determining the thermal conductivity of materials in stationary thermal conditions.

В способе определения теплопроводности материала по патенту RU2488102 (опубл. 20.07.2013) поверхность плоского образца, на которой размещен датчик теплового потока, обогревают инфракрасным излучателем, измеряют температуры обеих поверхностей образца, и теплопроводность вычисляют по известной зависимости.In the method for determining the thermal conductivity of a material according to patent RU2488102 (publ. 20.07.2013), the surface of a flat sample, on which the heat flow sensor is located, is heated with an infrared emitter, the temperatures of both surfaces of the sample are measured, and the thermal conductivity is calculated using a known relationship.

В способе определения теплопроводности материала по патенту RU2343466 (опубл. 10.01.2009) создают контакт между плоскими исследуемым и эталонным образцами, причем внутри эталонного образца установлен плоский нагреватель, измеряют температуру в плоскости контакта, устанавливают перепад температуры между наружными поверхностями исследуемого и эталонного образцов, изменяют мощность плоского нагревателя до достижения заданного соотношения перепада температур на исследуемом образце и установленного перепада температур, и вычисляют теплопроводность по предложенной зависимости.In the method for determining the thermal conductivity of a material according to patent RU2343466 (publ. 10.01.2009), a contact is created between flat test and reference samples, and a flat heater is installed inside the reference sample, the temperature in the contact plane is measured, the temperature difference between the outer surfaces of the test and reference samples is changed, the power of the flat heater until the specified ratio of the temperature difference on the test sample and the set temperature difference is reached, and the thermal conductivity is calculated using the proposed dependence.

Недостаток известных способов заключается в том, что их применение не может обеспечить равенство определяемой теплопроводности исследуемых образцов искомой теплопроводности корки кориума, т.к. эти способы не предусматривают возможность изготовления образцов из материала корки кориума.The disadvantage of the known methods lies in the fact that their application cannot ensure the equality of the determined thermal conductivity of the investigated samples to the desired thermal conductivity of the corium crust, since these methods do not provide for the possibility of making samples from corium crust material.

Известен способ определения теплопроводности кориума, описанный в [РАСПЛАВ. Удержание расплавленных материалов активной зоны водоохлаждаемых реакторов (международные проекты RASPLAV и MASCA) / под ред. В.Г. Асмолова, А.Ю. Румянцева, В.Ф. Стрижова. - М.: Концерн Росэнергоатом, 2018, Стр. 458-463]. Способ включает в себя изготовление образца из крупки кориума заданного состава и пористости путем прессования и спекания, теплоподвод к внутренней поверхности и теплоотвод от наружной поверхности цилиндрического образца, определение в стационарном тепловом режиме теплового потока через образец, измерение температур на наружной и внутренней поверхностях образца и вычисление теплопроводности по известной зависимости стационарной теплопроводности через цилиндрическую трубку.A known method for determining the thermal conductivity of corium, described in [MELT. Retention of molten materials in the core of water-cooled reactors (international projects RASPLAV and MASCA) / ed. V.G. Asmolova, A. Yu. Rumyantsev, V.F. Strizhova. - M .: Concern Rosenergoatom, 2018, pp. 458-463]. The method includes making a sample from corium grains of a given composition and porosity by pressing and sintering, supplying heat to the inner surface and removing heat from the outer surface of the cylindrical sample, determining the heat flux through the sample in a stationary thermal regime, measuring temperatures on the outer and inner surfaces of the sample and calculating thermal conductivity from the known dependence of stationary thermal conductivity through a cylindrical tube.

Способ работоспособен для определения теплопроводности кориума, но при его использовании для определения теплопроводности корки кориума на поверхности ванны расплава в аварийном реакторе он приводит к погрешностям, обусловленным невозможностью воспроизведения в образце структуры корки, а именно, трещинообразования в процессе окисления расплава, а также приближенным воспроизведением в образце состава и пористости корки, точно определить которые для корки, формируемой на поверхности ванны расплава аварийного ВВЭР, не представляется возможным.The method is efficient for determining the thermal conductivity of the corium, but when it is used to determine the thermal conductivity of the corium crust on the surface of the melt bath in an emergency reactor, it leads to errors due to the impossibility of reproducing the crust structure in the sample, namely, cracking during the oxidation of the melt, as well as approximate reproduction in a sample of the composition and porosity of the crust, it is not possible to accurately determine which for the crust formed on the surface of the melt pool of an emergency VVER.

Задача заключается в том, чтобы уменьшить указанные недостатки путем внесения таких изменений в известный способ, которые гарантируют адекватность определенной применением заявленного способа теплопроводности такой ее величине, которой обладает корка кориума на поверхности ванны расплава в корпусе ВВЭР при тяжелой аварии.The task is to reduce the indicated disadvantages by introducing such changes in the known method, which guarantee the adequacy of the thermal conductivity determined by the application of the claimed method to its value, which is possessed by the corium crust on the surface of the molten bath in the VVER casing in a severe accident.

Поставленная задача решается тем, что теплопроводность корки кориума, образующейся на поверхности ванны расплава активной зоны и внутрикорпусных стальных конструкций, которая формируется на днище корпуса реактора в процессе развития тяжелой аварии на АЭС, определяют путем формирования в экспериментальной установке оксидно-металлической ванны расплава прототипного кориума с поверхностным положением металлического расплава и с коркой на поверхности металлического расплава, образование которой обеспечивают охлаждением поверхностной зоны ванны, окисления расплава подачей окислителя в полость, расположенную над коркой, установления стабилизированного теплового режима, измерения температуры наружной поверхности корки, определения теплового потока, отводимого излучением от наружной поверхности корки, последующей кристаллизации расплава, измерения толщины корки, вычисления температуры внутренней поверхности корки как температуры монотектики оксидно-металлического расплава и вычисления теплопроводности корки по зависимости для стационарной теплопроводности через плоскую пластину.The problem is solved by the fact that the thermal conductivity of the corium crust formed on the surface of the core melt bath and in-vessel steel structures, which is formed on the bottom of the reactor vessel during the development of a severe accident at a nuclear power plant, is determined by forming a prototype corium with an oxide-metal melt bath in the experimental setup. surface position of the metal melt and with a crust on the surface of the metal melt, the formation of which is provided by cooling the surface zone of the bath, oxidation of the melt by feeding an oxidizer into the cavity located above the crust, establishing a stabilized thermal regime, measuring the temperature of the outer surface of the crust, determining the heat flux removed by radiation from the outer the surface of the crust, the subsequent crystallization of the melt, measuring the thickness of the crust, calculating the temperature of the inner surface of the crust as the temperature of the monotectic of the oxide-metal melt and calculating the heat transfer the water content of the crust according to the dependence for stationary thermal conductivity through a flat plate.

Перечисленная совокупность существенных признаков неизвестна заявителю из доступных источников информации, что подтверждает новизну способа. Она не вытекает также явным образом из современного уровня техники и неочевидна для специалиста.The listed set of essential features is unknown to the applicant from the available sources of information, which confirms the novelty of the method. It also does not follow explicitly from the state of the art and is not obvious to a specialist.

Способ поясняется фигурой, на которой схематично показана экспериментальная установка, используемая для реализации способа, где приняты следующие обозначения:The method is illustrated by the figure, which schematically shows an experimental setup used to implement the method, where the following designations are adopted:

1 - водоохлаждаемое днище холодного тигля,1 - water-cooled bottom of a cold crucible,

2 - водоохлаждаемые секции холодного тигля,2 - water-cooled sections of a cold crucible,

3 - индуктор,3 - inductor,

4 - кварцевая обечайка,4 - quartz shell,

5 - водоохлаждаемый порт подшихтовки/пирометрирования/визуального контроля,5 - water-cooled charging / pyrometry / visual inspection port,

6 - водоохлаждаемая крышка,6 - water-cooled cover,

7 - съемное прозрачное окно,7 - removable transparent window,

8 - видеокамера/пирометр,8 - video camera / pyrometer,

9 - корка кориума,9 - corium crust,

10 - металлическая жидкость,10 - metallic liquid,

11 - оксидная жидкость,11 - oxide liquid,

12 - патрубок подвода воды,12 - water supply branch pipe,

13 - патрубок подвода газа,13 - gas inlet branch pipe,

14 - патрубок отвода воды,14 - water outlet branch pipe,

15 - патрубок отвода газа,15 - gas outlet pipe,

16 - устройство перемещения холодного тигля относительно индуктора.16 - device for moving the cold crucible relative to the inductor.

В процессе разрушения и плавления активной зоны в аварийном реакторе происходит окисление Zr, входящего в состав материалов активной зоны. К завершению формирования ванны расплава Zr окисляется не полностью, поэтому расплав кориума в ванне находится в субокисленном состоянии [Nuclear Safety in Light Water Reactors: Severe Accident Phenomenology / ed. by B. R. Sehgal. Academic Press, Elsevier, 2012. 740 p. Chapter 2. In-vessel Core Degradation]. Расплав того же химического состава (на основе системы U-Zr-O) используется в экспериментальной установке для обеспечения идентичной по составу корки кориума в экспериментальной установке и в аварийном реакторе.In the process of destruction and melting of the core in the emergency reactor, oxidation of Zr, which is part of the core materials, occurs. By the end of the formation of the molten bath, Zr is not completely oxidized, so the corium melt in the bath is in a suboxidized state [Nuclear Safety in Light Water Reactors: Severe Accident Phenomenology / ed. by B. R. Sehgal. Academic Press, Elsevier, 2012.740 p. Chapter 2. In-vessel Core Degradation]. A melt of the same chemical composition (based on the U-Zr-O system) is used in the pilot plant to provide an identical corium crust in the pilot plant and in the emergency reactor.

В экспериментальной установке формирование ванны расплава прототипного кориума, т.е. с использованием идентичного по химическому составу, но необлученного ядерного топлива, производится методом индукционной плавки в холодном тигле [Бешта С. В., Витоль С.А., Крушинов Е.В., Грановский B.C., Сулацкий А.А., Хабенский В.Б., Лопух Д.Б., Петров Ю.Б., Печенков А.Ю. Кипение воды на поверхности расплава кориума в условиях тяжелой аварии ВВЭР // Теплоэнергетика. 1998. №11. С. 20-27] следующим образом. В тигель цилиндрической формы, ограниченный боковыми водоохлаждаемыми секциями 2 и днищем 1, имеющими патрубки подвода 12 и отвода 14 охлаждающей воды, закладывается и формуется шихта, состав которой идентичен составу кориума аварийного реактора по уран-циркониевому отношению (U/Zr)aт и степени окисленности субокисленного кориума Cn=(MZr, Σ - MZr)/MZr,Σ, где MZrΣ - суммарная масса Zr, MZr - масса неокисленного Zr. Затем тигель закрывается водоохдаждаемой крышкой 6, устанавливаемой на кварцевой обечайке 4, и через патрубки подвода 13 и отвода 15 газа производят продувку шихты и заполнение внутреннего пространства тигля нейтральным газом, например, Ar. С помощью индуктора 3 производят нагрев и плавление шихты. Затем через порт 5, встроенный в крышку 6, сняв прозрачное окно 7, в тигель порционно вводят сталь. Необходимую массу вводимой в тигель стали определяют из условия равенства в тигле и в аварийном реакторе относительной массы стали mcт=Мcт/(МК+Мст), где Мст - масса стали, Мк - масса кориума.In the experimental setup, the formation of a molten bath of prototype corium, i.e. using identical in chemical composition, but unirradiated nuclear fuel, it is produced by the method of induction melting in a cold crucible [Beshta S. V., Vitol S. A., Krushinov E. V., Granovsky BC, Sulatsky A. A., Khabensky V. B., Lopukh D.B., Petrov Yu.B., Pechenkov A.Yu. Boiling of water on the surface of a corium melt under conditions of a severe VVER accident // Teploenergetika. 1998. No. 11. S. 20-27] as follows. In a cylindrical crucible, bounded by side water-cooled sections 2 and bottom 1, which have cooling water inlet 12 and 14 outlet, a charge is laid and formed, the composition of which is identical to the composition of the corium of the emergency reactor in terms of the uranium-zirconium ratio (U / Zr) at and the degree of oxidation suboxidized corium C n = (M Zr, Σ - M Zr ) / M Zr, Σ , where M ZrΣ is the total mass of Zr, M Zr is the mass of unoxidized Zr. Then the crucible is closed with a water-cooled cover 6, installed on a quartz shell 4, and through the gas inlet 13 and 15 outlet pipes, the charge is purged and the inner space of the crucible is filled with a neutral gas, for example, Ar. Using the inductor 3, the charge is heated and melted. Then, through port 5, built into the cover 6, removing the transparent window 7, steel is introduced into the crucible in portions. The necessary mass introduced into the crucible steel are determined from the condition of equality in the crucible and in an emergency reactor relative mass became m CT = CT M / (M M + K st), where M v - weight of steel to M - mass of the corium.

После завершения плавления стали и физико-химического взаимодействия расплава стали с расплавом оксидов в нижней части тигля образуется оксидная жидкость 11, а в верхней - металлическая жидкость 10. Такое относительное положение оксидной и металлической жидкостей соответствует структуре ванны расплава в корпусе аварийного реактора [Carenini L., Fichot F., Seignour N. Modelling issues related to molten pool behaviour in case of In-Vessel Retention strategy // Annals of Nuclear Energy, 2018, V. 118, P. 363-374]. Причем, в результате взаимодействия расплава субокисленного кориума и расплава стали в расплав стали из расплава кориума переходит небольшая часть U, Zr и О, а в расплав кориума - небольшая часть компонентов стали [Bechta S.V., Granovsky V.S., Khabensky V.B., Gusarov V.V., Almiashev V.I., Mezentseva L.P., Krushinov E.V., Kotova S.Yu., Kosarevsky R.A., Barrachin M., Bottomley D., Fichot F., Fischer M. Corium phase equilibria based on MASCA, METCOR and CORPHAD results // NED., 2008, V. 238, №10, P. 2761-2771].After the completion of steel melting and the physicochemical interaction of the steel melt with the oxide melt, an oxide liquid 11 is formed in the lower part of the crucible, and a metallic liquid 10 is formed in the upper part. Such a relative position of the oxide and metallic liquids corresponds to the structure of the melt bath in the emergency reactor vessel [Carenini L. , Fichot F., Seignour N. Modeling issues related to molten pool behavior in case of In-Vessel Retention strategy // Annals of Nuclear Energy, 2018, V. 118, P. 363-374]. Moreover, as a result of the interaction of the suoxidized corium melt and the steel melt, a small part of U, Zr and O passes into the steel melt from the corium melt, and a small part of the steel components goes into the corium melt [Bechta SV, Granovsky VS, Khabensky VB, Gusarov VV, Almiashev VI , Mezentseva LP, Krushinov EV, Kotova S. Yu., Kosarevsky RA, Barrachin M., Bottomley D., Fichot F., Fischer M. Corium phase equilibria based on MASCA, METCOR and CORPHAD results // NED., 2008, V 238, No. 10, P. 2761-2771].

Для формирования на поверхности металлической жидкости 10 корки кориума 9 поверхностную зону ванны расплава охлаждают, например, вертикальным смещением тигля относительно индуктора 3 с помощью устройства 16, частично выводя поверхностную зону ванны из области нагрева. При этом на поверхности происходит кристаллизация оксидов металлов, главным образом, UO2 и ZrO2 с образованием корки кориума. В зависимости от состава атмосферы, при которой образуется корка в аварийном реакторе, окислительной или иной, ее структура может различаться пористостью, степенью окисленности и фазовым составом [Sulatsky А.А., Almjashev V.I., Granovsky V.S., Khabensky V.B., Kxushinov E.V., Vitol S.A., Gusarov V.V., Fichot F., Michel В., Piluso P., Le Tellier R., Le Guennic C, Bakouta N. Experimental study of oxidic-metallic melt oxidation // Nucl. Eng. Des, 2020, Vol.363, Art. 110618]. Различный состав атмосферы при образовании корки в экспериментальной установке обеспечивают подводом и отводом через расположенные в крышке и днище тигля патрубки 13 и 15 соответствующего газа. В аварийном реакторе сформированная ванна расплава в стабилизированном тепловом режиме может длительное время находиться в окислительной атмосфере, и расплав окисляется в процессе диффузии кислорода через корку, дополнительно влияя на структуру корки и приводя к трещинообразованию. При этом в трещинах присутствуют оксидная и металлическая составляющие расплава [Sulatsky А.А., Almjashev V.I., Granovsky V.S., Khabensky V.B., Krushinov E.V., Vitol S.A., Gusarov V.V., Fichot F., Michel В., Piluso P., Le Tellier R., Le Guennic C., Bakouta N. Experimental study of oxidic-metallic melt oxidation // Nucl. Eng. Des., 2020, Vol. 63, Art. 110618]. Поскольку структура корки влияет на ее теплопроводность, в предложенном способе воспроизводятся идентичные условия. Для этого в экспериментальной установке по завершении формирования корки реализуют режим окисления расплава, для чего в полость над расплавом через патрубок 13 подвода газа подают окислитель, а через патрубок 15 отвода газа отводят его излишки, не затраченные на окисление расплава. После достижения стабилизированного теплового режима производят измерение температуры наружной поверхности корки через порт 5 с помощью пирометра 8 через прозрачное окно 7, а также определение теплового потока, отводимого излучением от наружной поверхности корки 9. Этот тепловой поток может определяться или непосредственным измерением в калориметре, размещенном над коркой, в качестве которого, например, может использоваться водоохлаждаемая крышка 6, или вычислением с использованием зависимости:To form a corium 9 crust on the surface of the metallic liquid 10, the surface zone of the molten bath is cooled, for example, by vertical displacement of the crucible relative to the inductor 3 using the device 16, partially removing the surface area of the bath from the heating area. In this case, crystallization of metal oxides occurs on the surface, mainly UO 2 and ZrO 2 with the formation of a corium crust. Depending on the composition of the atmosphere in which a crust is formed in an emergency reactor, oxidizing or otherwise, its structure may differ in porosity, degree of oxidation and phase composition [Sulatsky AA, Almjashev VI, Granovsky VS, Khabensky VB, Kxushinov EV, Vitol SA , Gusarov VV, Fichot F., Michel B., Piluso P., Le Tellier R., Le Guennic C, Bakouta N. Experimental study of oxidic-metallic melt oxidation // Nucl. Eng. Des, 2020, Vol.363, Art. 110618]. The different composition of the atmosphere during the formation of a crust in the experimental installation is provided by the supply and discharge of the corresponding gas through the nozzles 13 and 15 located in the lid and bottom of the crucible. In an emergency reactor, the formed bath of the melt in a stabilized thermal regime can be in an oxidizing atmosphere for a long time, and the melt is oxidized in the process of oxygen diffusion through the cake, additionally affecting the structure of the cake and leading to cracking. At the same time, the cracks contain oxide and metal components of the melt [Sulatsky A.A., Almjashev VI, Granovsky VS, Khabensky VB, Krushinov EV, Vitol SA, Gusarov VV, Fichot F., Michel B., Piluso P., Le Tellier R ., Le Guennic C., Bakouta N. Experimental study of oxidic-metallic melt oxidation // Nucl. Eng. Des., 2020, Vol. 63, Art. 110618]. Since the structure of the crust affects its thermal conductivity, identical conditions are reproduced in the proposed method. For this, in the experimental setup, upon completion of the crust formation, the melt oxidation mode is implemented, for which an oxidizer is fed into the cavity above the melt through the gas inlet 13, and its excess, not spent on the oxidation of the melt, is removed through the gas outlet 15. After reaching a stabilized thermal regime, the temperature of the outer surface of the crust is measured through port 5 using a pyrometer 8 through a transparent window 7, as well as the determination of the heat flux removed by radiation from the outer surface of the crust 9. This heat flux can be determined either by direct measurement in a calorimeter located above a crust, which, for example, can be a water-cooled cover 6, or by calculating using the dependence:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Q - тепловой поток, отводимый излучением от наружной поверхности корки, Вт;where Q is the heat flux removed by radiation from the outer surface of the crust, W;

S - площадь наружной поверхности корки, м2;S is the area of the outer surface of the crust, m 2 ;

σ - постоянная Стефана-Больцмана (5.67⋅10-8 Вт/(м2⋅К4));σ is the Stefan-Boltzmann constant (5.67⋅10 -8 W / (m 2 ⋅K 4 ));

εн - излучательная способность корки;ε n - emissivity of the crust;

ε0 - излучательная способность поверхности, воспринимающей тепловой поток излучения;ε 0 is the emissivity of the surface that receives the heat flux of radiation;

Тн - температура наружной поверхности корки, К;T n - temperature of the outer surface of the crust, K;

Т0 - температура поверхности, воспринимающей тепловой поток излучения, К.T 0 is the temperature of the surface receiving the heat flux of radiation, K.

Далее производят кристаллизацию расплава и охлаждение слитка отключением индуктора 3 и теплоотводом в водоохлаждаемые части тигля. После охлаждения слиток извлекают из тигля, распиливают в осевом направлении и в полученных разрезах измеряют среднюю толщину корки. Для последующего определения теплопроводности корки необходимо знать, какую температуру имела ее внутренняя поверхность во время стабилизированного теплового режима. Эта температура может быть определена благодаря ее равенству температуре монотектики оксидно-металлического расплава. Указанное равенство обусловлено приближенным термодинамическим и физико-химическим равновесием системы компонентов, входящих в состав ванны расплава и корки, а именно, U, Zr, О и компонентов стали, основными из которых являются Fe, Cr и Ni. Для подобных систем разработаны термодинамические базы данных, например, NUCLEA, с использованием которых, а также программ - минимизаторов энергии Гиббса, например, GEMINI2, для заданного состава системы расчетным путем определяются все характеристики системы, в том числе температура монотектики.Then, the melt is crystallized and the ingot is cooled by switching off the inductor 3 and by heat removal into the water-cooled parts of the crucible. After cooling, the ingot is removed from the crucible, sawn in the axial direction, and the average thickness of the crust is measured in the obtained sections. For the subsequent determination of the thermal conductivity of the crust, it is necessary to know what temperature its inner surface had during the stabilized thermal regime. This temperature can be determined due to its equality to the monotectic temperature of the oxide-metal melt. This equality is due to the approximate thermodynamic and physicochemical equilibrium of the system of components that make up the melt bath and the crust, namely, U, Zr, O and steel components, the main of which are Fe, Cr and Ni. For such systems, thermodynamic databases have been developed, for example, NUCLEA, with the use of which, as well as programs - Gibbs energy minimizers, for example, GEMINI2, for a given composition of the system, all characteristics of the system are determined by calculation, including the temperature of monotectic.

Искомую теплопроводность корки кориума вычисляют по зависимости для стационарной теплопроводности плоской пластины, пользуясь тем обстоятельством, что корка имеет форму плоской пластины и в установившемся тепловом режиме кондуктивный тепловой поток через корку равен тепловому потоку излучения от наружной поверхности корки. ТогдаThe desired thermal conductivity of the corium crust is calculated from the dependence for the stationary thermal conductivity of a flat plate, taking advantage of the fact that the crust has the shape of a flat plate and in the steady-state thermal regime the conductive heat flux through the crust is equal to the radiation heat flux from the outer surface of the crust. Then

Figure 00000002
Figure 00000002

где λ - теплопроводность корки, Вт/(м⋅К);where λ is the thermal conductivity of the crust, W / (m⋅K);

δ - толщина корки, м;δ — crust thickness, m;

Q - тепловой поток, отводимый излучением от наружной поверхности корки, Вт;Q is the heat flux removed by radiation from the outer surface of the crust, W;

S - площадь наружной поверхности корки, м2;S is the area of the outer surface of the crust, m 2 ;

Твн - температура внутренней поверхности корки, К;T vn - temperature of the inner surface of the crust, K;

Тн - температура наружной поверхности корки, К.T n is the temperature of the outer surface of the crust, K.

Для проверки и подтверждения эффективности предлагаемого способа были проведены расчетно-экспериментальные исследования.To check and confirm the effectiveness of the proposed method, computational and experimental studies were carried out.

Способ был применен для определения теплопроводности корки кориума, которая образуется на поверхности оксидно-металлической ванны расплава аварийного реактора с (U/Zr)ат=1.2, степенью окисленности субокисленного кориума Cn=30% и mcт=0.29 (нержавеющая сталь). Для указанного состава с использованием программного комплекса GEMIMI2/NUCLEA была рассчитана температура монотектики, которая составила 2775 К. В экспериментальной установке «Расплав-3» в ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова» в соответствии с предложенным способом была сформирована ванна оксидно-металлического расплава прототипного кориума указанного выше состава. Корка на поверхности металлической ванны была образована охлаждением поверхностной зоны ванны в нейтральной атмосфере Аг. Затем в полость над коркой был подан окислитель, в качестве которого использовалась аргон-кислородная смесь с объемным содержанием кислорода 20%. Температура наружной поверхности корки Тн, измеренная пирометром в стабилизированном режиме, составила 2075 К. Температура охлаждаемых поверхностей То, воспринимающих тепловой поток излучения, много ниже температуры излучающей поверхности и принималась равной 400 К. Плотность теплового потока излучения Q/S определялась по зависимости (1). Величина излучательной способности εн=0.8 [Theofanous T.G., Liu С, Additon S., Angelini S., Kymalainen O., Salmassi T. In-vessel coolability and retention of a core melt // Nuclear Engineering and Design. 1997, V. 169, P. 1-48], a ε0=1 вследствие того, что все воспринимающие излучение поверхности покрыты «шероховатым» слоем аэрозолей, главным образом, UO2. Величина плотности теплового потока Q/S составила 840000 Вт/м2. Средняя величина толщины корки кориума δ определенная в соответствии с предложенным способом после кристаллизации расплава, составила 8.5⋅10-3 м, причем корка имела плотную структуру с небольшой пористостью и неравномерно распределенными трещинами. Температура внутренней поверхности корки Твн, равная температуре монотектики, составила 2775 К, и теплопроводность корки λ, вычисленная по зависимости (2), составила = 10.2 Вт/(м К).The method was applied to determine the thermal conductivity of the corium crust, which forms on the surface of the oxide-metal bath of the melt of an emergency reactor with (U / Zr) at = 1.2, the degree of oxidation of suboxidized corium C n = 30%, and m cw = 0.29 (stainless steel). For the indicated composition, using the GEMIMI2 / NUCLEA software package, the monotectic temperature was calculated, which was 2775 K. In the Rasplav-3 experimental setup at the N.I. A.P. Aleksandrov "in accordance with the proposed method, a bath of oxide-metal melt of the prototype corium of the above composition was formed. The crust on the surface of the metal bath was formed by cooling the surface zone of the bath in a neutral Ar atmosphere. Then, an oxidizing agent was fed into the cavity above the crust, which was an argon-oxygen mixture with a volumetric oxygen content of 20%. The surface temperature of the outer cover T n measured pyrometer in a stabilized mode was 2075 K. That temperature is cooled surfaces, sensing thermal radiation flux, much lower than the temperature of the radiating surface and assumed to be equal to 400 K. The density of heat Q / S flux was determined from the relationship (1 ). The value of the emissivity ε n = 0.8 [Theofanous TG, Liu C, Additon S., Angelini S., Kymalainen O., Salmassi T. In-vessel coolability and retention of a core melt // Nuclear Engineering and Design. 1997, V. 169, P. 1-48], a ε 0 = 1 due to the fact that all surfaces receiving radiation are covered with a "rough" layer of aerosols, mainly UO 2 . The value of the heat flux density Q / S was 840,000 W / m 2 . The average value of the corium crust thickness δ determined in accordance with the proposed method after the crystallization of the melt was 8.5310 -3 m, and the crust had a dense structure with low porosity and unevenly distributed cracks. The temperature of the inner surface of cover T ext equal monotectic temperature amounted to 2775 K, and the thermal conductivity λ peel calculated from relation (2) amounted = 10.2 W / (m K).

Сравнить указанное значение теплопроводности можно только с данными, полученными применением известного способа [РАСПЛАВ. Удержание расплавленных материалов активной зоны водоохлаждаемых реакторов (международные проекты RASPLAV и MASCA) / под ред. В.Г. Асмолова, А.Ю. Румянцева, В.Ф. Стрижова. - М: Концерн Росэнергоатом, 2018. Стр. 467-469], в котором корка формировалась методом спекания фрагментированного кориума со степенью окисленности Cn=22% и относительно небольшой пористостью 17-22%. При этом теплопроводность составила 6.2 Вт/(м⋅К). Различие значений теплопроводности, определенных предложенным и известным способами, главным образом, обусловлено, во-первых, неопределенностью структуры корки в реальных условиях аварийного реактора, и, во-вторых, принципиальной невозможностью воспроизведения в известном способе реальной структуры корки в аварийном реакторе, даже если бы она была известна.Compare the specified value of thermal conductivity is possible only with the data obtained using the known method [MELT. Retention of molten materials in the core of water-cooled reactors (international projects RASPLAV and MASCA) / ed. V.G. Asmolova, A. Yu. Rumyantsev, V.F. Strizhova. - M: Rosenergoatom Concern, 2018. Pp. 467-469], in which the crust was formed by sintering fragmented corium with an oxidation state of C n = 22% and a relatively low porosity of 17-22%. In this case, the thermal conductivity was 6.2 W / (m⋅K). The difference in the values of thermal conductivity, determined by the proposed and known methods, is mainly due, firstly, to the uncertainty of the structure of the crust in the real conditions of an emergency reactor, and, secondly, to the fundamental impossibility of reproducing the real structure of the crust in an emergency reactor in the known method, even if she was famous.

Таким образом, использование предложенного способа позволяет существенно повысить точность определения теплопроводности корки кориума и, соответственно, надежность обоснования безопасности при тяжелой аварии АЭС с ВВЭР.Thus, the use of the proposed method makes it possible to significantly increase the accuracy of determining the thermal conductivity of the corium crust and, accordingly, the reliability of the safety substantiation in a severe accident at NPP with VVER.

Claims (1)

Способ определения теплопроводности корки кориума, образующейся на поверхности ванны расплава активной зоны и внутрикорпусных стальных конструкций, которая формируется на днище корпуса реактора в процессе развития тяжелой аварии на АЭС, заключающийся в том, что в экспериментальной установке формируют оксидно-металлическую ванну расплава прототипного кориума с поверхностным положением металлического расплава и с коркой кориума на поверхности металлического расплава, образование которой обеспечивают охлаждением поверхностной зоны ванны, расплав окисляют подачей окислителя в полость, расположенную над коркой, стабилизируют тепловой режим, измеряют температуру наружной поверхности корки, определяют тепловой поток, отводимый излучением от наружной поверхности корки, кристаллизуют расплав, измеряют толщину корки, вычисляют температуру внутренней поверхности корки как температуру монотектики оксидно-металлической системы ванны расплава и теплопроводность корки вычисляют по зависимости для стационарной теплопроводности через плоскую пластину.A method for determining the thermal conductivity of a corium crust formed on the surface of the core melt bath and in-vessel steel structures, which forms on the bottom of the reactor vessel during the development of a severe accident at a nuclear power plant, which consists in the fact that an oxide-metal bath of a prototype corium melt with a surface the position of the metal melt and with a corium crust on the surface of the metal melt, the formation of which is provided by cooling the surface zone of the bath, the melt is oxidized by feeding an oxidizer into the cavity located above the crust, stabilizing the thermal regime, measuring the temperature of the outer surface of the crust, determining the heat flux removed by radiation from the outer surface crust, crystallize the melt, measure the thickness of the crust, calculate the temperature of the inner surface of the crust as the temperature of the monotectic of the metal oxide system of the melt bath, and the thermal conductivity of the crust is calculated from the dependence for one hundred stationary thermal conductivity through a flat plate.
RU2020125055A 2020-07-20 2020-07-20 Method of determining corium crustal heat conductivity RU2742076C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125055A RU2742076C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Method of determining corium crustal heat conductivity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125055A RU2742076C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Method of determining corium crustal heat conductivity

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2742076C1 true RU2742076C1 (en) 2021-02-02

Family

ID=74554661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020125055A RU2742076C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Method of determining corium crustal heat conductivity

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2742076C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2783915C1 (en) * 2022-02-21 2022-11-22 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова" Method for determining the heat conductivity of oxide crust

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2343466C1 (en) * 2007-06-14 2009-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Method of materials testing for thermal conduction
RU2535657C1 (en) * 2013-08-23 2014-12-20 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Method and device for determination of heat conductivity and temperature conductivity of non-uniform material
CN105911087B (en) * 2016-06-01 2019-05-07 西安交通大学 A kind of large size nuclear reactor fusion pool heat transfer free convection pilot system and method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2343466C1 (en) * 2007-06-14 2009-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Method of materials testing for thermal conduction
RU2535657C1 (en) * 2013-08-23 2014-12-20 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Method and device for determination of heat conductivity and temperature conductivity of non-uniform material
CN105911087B (en) * 2016-06-01 2019-05-07 西安交通大学 A kind of large size nuclear reactor fusion pool heat transfer free convection pilot system and method

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"MELT. Retention of molten core materials in water-cooled reactors" (RASPLAV and MASCA international projects), ed. V.G. Asmolova, A. Yu. Rumyantsev, V.F. Strizhova, Moscow: Rosenergoatom Concern, 2018, pp. 458-463. *
"РАСПЛАВ. Удержание расплавленных материалов активной зоны водоохлаждаемых реакторов" (международные проекты RASPLAV и MASCA) под ред. В.Г. Асмолова, А.Ю. Румянцева, В.Ф. Стрижова, М.: Концерн Росэнергоатом, 2018, С. 458-463. Хабенский В. Б. Грановский В. С. Альмяшев В. И. и др. "Математическая модель окисления расплава кориума с поверхностной оксидной коркой", Ж-Л "ТЕХНОЛОГИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК", Номер: 3 (17), 2019, С.50-55. *
Khabensky V. B. Granovsky V. S. Almyashev V. I. et al. "Mathematical model of oxidation of corium melt with a surface oxide crust", Zh-L "TECHNOLOGIES OF ENSURING THE LIFE CYCLE OF NUCLEAR POWER PLANTS", Issue: 3 (17), 2019, pp. 50-55. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2783915C1 (en) * 2022-02-21 2022-11-22 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова" Method for determining the heat conductivity of oxide crust

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Baker Jr et al. Studies of metal-water reactions at high temperatures. III. Experimental and theoretical studies of the zirconium-water reaction
Auburtin et al. Freckle formation and freckle criterion in superalloy castings
Seiler et al. Material effects on multiphase phenomena in late phases of severe accidents of nuclear reactors
Prescott et al. Convective transport phenomena and macrosegregation during solidification of a binary metal alloy: II—Experiments and comparisons with numerical predictions
Liu et al. Study of solidification and heat transfer behavior of mold flux through mold flux heat transfer simulator technique: Part I. Development of the technique
Bakardjieva et al. Quality improvements of thermodynamic data applied to corium interactions for severe accident modelling in SARNET2
Rosa et al. Cellular growth during transient directional solidification of Pb–Sb alloys
RU2742076C1 (en) Method of determining corium crustal heat conductivity
Mukhamedov et al. Thermal properties of prototype corium of fast reactor
Zino et al. Parallel mechanism of growth of the oxide and α-Zr (O) layers on Zircaloy-4 oxidized in steam at high temperatures
Dominguez et al. Investigation on boron carbide oxidation for nuclear reactor safety: Experiments in highly oxidising conditions
Courouau et al. Impurities and oxygen control in lead alloys
Suzuki et al. Oxidation of zircaloy cladding in air
Zhou et al. The protective performance of a molten salt frozen wall in the process of fluoride volatility of uranium
RU2783915C1 (en) Method for determining the heat conductivity of oxide crust
Bechta et al. Experimental study of interactions between suboxidized corium and reactor vessel steel
Hayward et al. Dissolution of ZrO2 in molten Zircaloy-4
Almjashev et al. Experimental Investigation of the High-Temperature Interaction of Steel with a Lead Coolant
Veshchunov et al. Molten corium oxidation model
Koger et al. MASS TRANSFER BETWEEN HASTELLOY N AND HAYNES ALLOY NO. 25 IN A MOLTEN SODIUM FLUOROBORATE MIXTURE.
Kruglov et al. Thermal conductivity of lead in the temperature range of 350–1000° C
Mason et al. Experimental investigation of the ruthenium-uranium and rhenium-uranium binary systems
Pawel et al. The Observation of Effects of Finite Specimen Geometry on the Oxidation Kinetics of Zircaloy‐4
RU2524959C2 (en) Low-melting heat-accumulating salt mixture
Wilson et al. Isothermal Reaction of Uranium with Steam Between 400 and 1600° C