Полная версия (русский)

8-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
28-31 мая 2013 г.
СОЗДАНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ ОБЪЕДИНЕННОГО КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ
КОРСАР/ГП-ЛОГОС В ОБЕСПЕЧЕНИЕ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ СОПРЯЖЕННЫХ
НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ И ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВВЭР
Ю.А. Мигров, В.Г. Коротаев, С.Н. Румянцев
(ФГУП "НИТИ им. А.П. Александрова", г. Сосновый Бор, Россия),
А.А. Деулин, Н.В. Тарасова
(ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", г. Саров, Россия),
М.А. Быков, В.В. Мохов, О.В. Кудрявцев
(ОАО ОКБ "ГИДРОПРЕСС", г. Подольск, Россия)
Введение. В настоящее время системные одномерные теплогидравлические коды улучшенной оценки занимают ведущее место в расчетном обосновании безопасности АЭС с
ВВЭР. Одним из их уязвимых мест является корректность описания потока теплоносителя в
больших объемам в случаях, когда ролью пространственных эффектов пренебречь нельзя. В
частности, при проведении расчетов режимов реакторных установок с ВВЭР с несимметричной работой оборудования петель существенное значение имеют процессы перемешивания
теплоносителя в напорной камере реактора (НКР). Учитывая, что в последнее время достаточно хорошо освоен подход к моделированию нейтронно-физических и теплогидравлических процессов в активных зонах ВВЭР в трехмерной сопряженной постановке (НФТГ/3D),
упрощенное описание теплогидравлических процессов в НКР снижает возможный уровень
обоснованности результатов расчета упомянутых режимов. Использование же в инженерных
расчетах полностью трехмерных моделей на основе CFD-кодов в силу ряда причин в настоящее время невозможно. Поэтому представляется естественным попытаться объединить
преимущества системного и CFD-кодов, сохранив большую часть модели одномерной и моделируя в трехмерном приближении только отдельные элементы оборудования, в которых
необходимо учитывать пространственную неодномерность течения.
Принципы объединения одномерного и трехмерного кодов. Объединение в рамках
единого программного комплекса одномерного и трехмерного кодов возможно на основе одного из следующих подходов:
а) объединение матриц уравнения для давления;
б) преобразование системы уравнений для давления одномерного кода;
в) итерационный.
Первый вариант (а) базируется на объединении матриц линейных конечно-разностных
уравнений для расчета поля давления во всей расчетной области. Матрица и вектор-столбец
правых частей системы уравнений одномерного кода передаются в CFD-код, где итерационно решается совместная система уравнений для нахождения поля давления. В одномерный
код передаются рассчитанные в 3D-коде давления в контрольных объемах и скорости жидкости на граничных гранях. Недостатком этого варианта может быть плохая сходимость итерационного решения системы вследствие разброса размера ячеек одномерного и трехмерного кодов.
Второй вариант (б) предлагается в работе [1]. Этот вариант основан на комбинировании
уравнений исходной системы одномерного кода с тем, чтобы получить линейную зависимость давления в граничной ячейке от скорости жидкости на граничной грани. В трехмерный
код посылаются коэффициенты этой зависимости для контрольных объемов, примыкающих
к граничным граням, на основе которых, наряду с трехмерным полем давлений, рассчитываются давления и скорости для граничных ячеек одномерного кода. Эти значения направляются в одномерный код, где на их основе определяются остальные теплогидравлические параметры кода. Недостатком этого подхода является необходимость существенных затрат на
глубокую переработку программных реализаций обоих кодов.
В третьем варианте (в) предполагается независимая работа обоих кодов с обменом параметрами на границах между расчетными областями кодов в рамках итерационной процеду1
8-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
28-31 мая 2013 г.
ры. При этом выделяются два типа границ: "расход" и "давление". Если в одном коде объявляется граница типа "расход", он обязан передавать другому коду значения расхода или
средней скорости на границе, а также значения скалярных величин, переносимых потоком, энтальпии (температуры), концентрации растворенных веществ и т.п., - усредненные по граничной области. Если в коде объявлена граница типа "давление", соседнему коду передается
давление, усредненное по граничной области. К недостаткам метода относится возможность
плохой сходимости итераций в случае относительной "жесткости" связей.
Разработка объединенного программного комплекса КОРСАР/ГП - ЛОГОС. В рамках единого программного комплекса объединяются теплогидравлический расчетный код
(РК) КОРСАР/ГП [2] и расчетный код ЛОГОС разработки ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ". Расчет
нейтронной кинетики в трехмерном пространственном приближении в коде КОРСАР/ГП
производится с помощью программного блока КАРТА с константным обеспечением на основе комплекса программ САПФИР_95&RC_ВВЭР [3]. Объединение кодов осуществляется
на основе итерационного подхода, с обменом граничными параметрами посредством программных средств SMM разработки ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", использующих библиотеку
Open MP. В процессе объединения программ КОРСАР/ГП и ЛОГОС разработан и программно реализован интерфейс кодов, основанный на стандартизированном наименовании граничных областей.
Областью применения объединенного программного комплекса (ОПК) КОРСАР/ГП ЛОГОС является численное моделирование взаимосвязанных нестационарных нейтроннофизических и теплогидравлических процессов в элементах оборудования реакторных установок и других систем энергоблоков АЭС с ВВЭР в переходных режимах с однофазным теплоносителем в напорной камере реактора.
Верификация ОПК КОРСАР/ГП - ЛОГОС. При проверке функционирования комплекса программ необходимо верифицировать составляющие комплекса, как в отдельности,
так и при их совместной работе. Расчетный код КОРСАР/ГП верифицирован в области расчетов в обоснование безопасности реакторных установок с ВВЭР на этапе, предшествующем
аттестации кода в Ростехнадзоре РФ. С помощью расчетного кода ЛОГОС выполнены верификационные расчеты экспериментов на четырехпетлевом стенде ОКБ "ГИДРОПРЕСС" [4].
Для иллюстрации совместного функционирования кодов КОРСАР/ГП и ЛОГОС выбран
режим с разрывом паропровода одного из парогенераторов реакторной установки с ВВЭР1000. В исходном состоянии установка работает на номинальных параметрах. Разрыв паропровода одного из парогенераторов приводит к резкому снижению давления в связанном с
ним парогенераторе. Вызванное этим увеличение теплосъема в парогенераторе приводит к
захолаживанию теплоносителя, поступающего в реактор из "холодной" нитки соответствующей петли. Расчетный сценарий не предусматривает включения в работу штатных систем
регулирования, с тем, чтобы в максимальной степени исследовать свойства активной зоны в
условиях поступления холодной воды из аварийного парогенератора в активную зону.
Совместный расчет производится в два этапа. На первом из них с использованием кода
КОРСАР/ГП решается полноконтурная задача. При этом в ходе динамического режима фиксируются значения теплогидравлических параметров, - расходов и температур теплоносителя, - на входе в реактор из "холодных" ниток циркуляционных петель, а также значение давления на выходе из активной зоны. На втором этапе формируются две задачи. Первая задача
решается кодом КОРСАР/ГП и описывает активную зону реактора в граничных условиях:
давление на выходе из активной зоны берется из полноконтурного расчета, а расходы на
входе тепловыделяющих сборок (ТВС) активной зоны - из расчета второй задачи, которая
решается кодом ЛОГОС и описывает напорную камеру реактора (НКР). В объем моделирования НКР кодом ЛОГОС входит пространство реакторного сосуда от входных патрубков до
входа в ТВС активной зоны. Задача решается также в граничных условиях: на входе в патрубки задаются значения расходов и температур теплоносителя, зафиксированные в полноконтурном расчете, значения давлений на входе в ТВС код ЛОГОС получает из решающейся
2
8-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
28-31 мая 2013 г.
параллельно задачи кода КОРСАР/ГП. Расчетные области кодов ЛОГОС и КОРСАР/ГП в
совместном расчете показаны на рис. 1.
а) ЛОГОС (НКР)
б) КОРСАР/ГП (а.з.)
Рис. 1. Расчетные области кодов ЛОГОС и КОРСАР/ГП в совместном расчете
Модель НКР в полноконтурной задаче представлена набором ячеек каналов, гидравлически связанных друг с другом посредством дополнительных поперечных соединений. На
рис. 2 приведен фрагмент нодализационной схемы задачи, описывающий напорную камеру
реактора. Каналы ch1...ch42 моделируют опускной участок; модель нижней смесительной
камеры образована нижними ячейками каналов, продолжения которых моделируют проточные части ТВС. Каналы ch15001... ch15004 описывают холодные нитки циркуляционных петель; "аварийным" является канал ch15002.
Рис. 2. КОРСАР/ГП. Нодализационная схема напорной камеры реактора
3
8-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
28-31 мая 2013 г.
Нодализационная схема НКР в коде ЛОГОС воспроизводит относительное расположение входных патрубков реактора и входов в ТВС активной зоны (рис. 3). Полное число расчетных ячеек в модели - около 2,5∙106.
Рис. 3. ЛОГОС. Нодализационная схема напорной камеры реактора (вид сверху)
Активная зона реактора в коде КОРСАР/ГП и в полноконтурной, и в совместной задачах
моделируется одинаковым образом. Расчет нейтронной кинетики производится с помощью
трехмерной пространственной модели, в части описания проточных частей ТВС используется поканальная модель, с поперечными гидравлическими связями ячеек составляющих ее
каналов друг с другом.
Расчет режима с использованием ОПК КОРСАР/ГП - ЛОГОС проводится в следующей
последовательности. Сначала задаваемые граничные параметры в обеих задачах, а также
мощность реактора, выводятся на значения, соответствующие исходным для рассматриваемого режима. Затем, в соответствии с технологией проведения НФТГ/3D расчетов в коде
КОРСАР/ГП, при фиксированной суммарной мощности активной зоны реактора "включаются" обратные связи нейтронной кинетики по теплогидравлическим параметрам. После установления взаимоувязанных распределений энерговыделения и параметров теплогидравлики
код КОРСАР/ГП "вывешивает" флаг, извещающий о достижении статического состояния и о
переходе к расчету нестационарных диффузионных уравнений переноса нейтронов. С этого
момента начинается зарегистрированное в полноконтурном расчете изменение граничных
параметров, как для задачи кода ЛОГОС, так и для задачи кода КОРСАР/ГП. Поскольку в
модели кода ЛОГОС использовались граничные условия по расходу, для ускорения получения результатов расчет проводился без применения итераций.
Результаты совместного расчета кодов КОРСАР/ГП и ЛОГОС в сравнении с результатами полноконтурного расчета представлены на рис. 4...15. На рисунках приведены картограммы распределений по кассетам активной зоны средней температуры теплоносителя,
мощности и входной скорости теплоносителя в исходном для режима состоянии, а также отклонения этих параметров от исходных значений в различные моменты времени переходного
процесса. На картограммах исходных значений верхнее число относится к совместному расчету, среднее - к полноконтурному, нижнее показывает различие результатов в процентах.
4
8-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
28-31 мая 2013 г.
Рис. 4. Средняя температура теплоносителя в ТВС (исходные значения, оС)
Рис. 5. Относительная мощность ТВС (исходные значения, %)
Рис. 6. Расход теплоносителя на входе в ТВС (исходные значения, кг/с)
5
8-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
28-31 мая 2013 г.
а) совместный расчет
б) полноконтурный расчет
Рис. 7. Средняя температура теплоносителя в ТВС. Отклонения (оС) от исходных значений
( = 8 с)
а) совместный расчет
б) полноконтурный расчет
Рис. 8. Мощность ТВС. Отклонения (кВт) от исходных значений
( = 8 с)
а) совместный расчет
б) полноконтурный расчет
Рис. 9. Расход теплоносителя на входе в ТВС. Отклонения (кг/с ) от исходных значений
( = 8 с)
6
8-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
28-31 мая 2013 г.
а) совместный расчет
б) полноконтурный расчет
Рис. 10. Средняя температура теплоносителя в ТВС. Отклонения (оС) от исходных значений
( = 16 с)
а) совместный расчет
б) полноконтурный расчет
Рис. 11. Мощность ТВС. Отклонения (кВт) от исходных значений
( = 16 с)
а) совместный расчет
б) полноконтурный расчет
Рис. 12. Расход теплоносителя на входе в ТВС. Отклонения (кг/с ) от исходных значений
( = 16 с)
7
8-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
28-31 мая 2013 г.
а) совместный расчет
б) полноконтурный расчет
Рис. 13. Средняя температура теплоносителя в ТВС. Отклонения (оС) от исходных значений
( = 19,5 с)
а) совместный расчет
б) полноконтурный расчет
Рис. 14. Мощность ТВС. Отклонения (кВт) от исходных значений
( = 19,5 с)
а) совместный расчет
б) полноконтурный расчет
Рис. 15. Расход теплоносителя на входе в ТВС. Отклонения (кг/с ) от исходных значений
( = 19,5 с)
8
8-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР"
ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия
28-31 мая 2013 г.
Анализ картограмм распределения параметров показывает, что основные отличия результатов совместного и полноконтурного расчетов проявляются в распределении расходов
теплоносителя на входе в ТВС. Причиной этого является неустойчивый характер поведения
этих расходов в совместной модели. В качестве примера на рис. 16 приведены графики изменения расходов на входе в ТВС 68 и 96.
104
102
100
Расход, кг/с
Расход, кг/с
100
ОПК КОРСАР-ЛОГОС
РК КОРСАР/ГП
96
98
96
ОПК КОРСАР-ЛОГОС
РК КОРСАР/ГП
94
92
92
0
4
8
Время, с
12
16
20
0
а) ТВС 68
4
8
Время, с
12
16
20
б) ТВС 96
Рис. 16. Изменение расход теплоносителя на входе в ТВС
На следующих этапах тестирования и верификации комплекса предполагается исследовать зависимость устойчивости результатов расчета от наличия и параметров межкодовых
итераций.
Заключение. Разработан программный комплекс, объединяющий одномерный системный теплогидравлический расчетный код КОРСАР/ГП, включающий пространственную модель нейтронной кинетики, и трехмерный код CFD-класса ЛОГОС. Проведено тестирование
объединенного программного комплекса КОРСАР/ГП - ЛОГОС на примере аварийного режима с разрывом паропровода парогенератора реакторной установки с реактором типа
ВВЭР-1000.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
Weaver W., Tomlinson E., Aumiller D. A generic semi-implicit coupling methodology for use
in RELAP-3D // Nuclear Engineering and Design. 2002. Vol. 211. p. 13-26.
Программный комплекс
КОРСАР/ГП. - Аттестационный паспорт ПС №263 от
23.09.2009.
Комплекс программ САПФИР_ВВР95-RC с библиотекой констант БНАБ-78/С-95. - Аттестационный паспорт ПС № 261 от 23.09.2009.
Верификация пакета программ ЛОГОС по результатам экспериментов на 4-х петлевом
стенде ОАО ОКБ "ГИДРОПРЕСС" для моделирования камеры смешения РУ ВВЭР. - Сб.
тезисов докладов XIV международная конференция "Супервычисления и математическое моделирование", 1-5 октября 2012, г. Саров, стр127.
9