Экспериментальное и численное исследование теплового состояния камер сухого хранилища отработавшего ядерного топлива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Казюлин Андрей Николаевич

• Казюлин Андрей Николаевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Казюлин Андрей Николаевич

Введение

1 Аналитический обзор литературы в области исследования процессов теплопереноса в сухих хранилищах отработавшего ядерного топлива

1.1 Способы сухого хранения отработавшего ядерного топлива

1.2 Сухое хранилище отработавшего ядерного топлива ВВЭР-1000 в России

1.2.1 Экспериментальные исследования теплообмена на модели участка камеры сухого хранилища

1.2.2 Расчет теплообмена в одиночной ячейке охлаждения хранилища отработавшего ядерного топлива камерного типа

1.3 Зарубежные исследования систем сухого хранения отработавшего ядерного топлива

1.3.1 Пример исследования системы сухого хранения контейнерного типа

1.3.2 Пример исследования модульной системы сухого хранения

1.4 Тепловые потоки при теплообмене

1.4.1 Теплопроводность

1.4.2 Теплообмен в условиях естественной конвекции

1.4.3 Теплоотдача при свободном движении в ограниченном пространстве

1.5 Выводы по первой главе

2 Проведение экспериментальных исследований

2.1 Объект исследования

2.2 Проведение и обработка результатов измерений

2.3 Корреляционный анализ

2.4 Выводы по второй главе

3 Моделирование процессов теплопереноса в камере сухого хранения отработавшего ядерного топлива

3.1 Математическая модель гнезда сухого хранения

3.2 Математическая модель камеры сухого хранения

3.3 Расчет эффективной теплопроводности верхнего перекрытия

3.4 Валидация модели камеры сухого хранения

3.5 Выполнение расчетов на модели камеры сухого хранения

3.6 Выводы по третьей главе

4 Обоснование хранения топлива с повышенным тепловыделением

4.1. Сравнение облученных тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200

4.2 Расчет температурных режимов камеры хранения для различных вариантов загрузки отработавшим топливом

4.2.1 Расчет при проектном тепловыделении отработавшего топлива

4.2.2 Оптимальная загрузка камеры отработавшим топливом

4.2.3 Расчет варианта неполной загрузки камеры хранения

4.2.4 Расчет температурного поля в гнезде хранения при максимальном тепловыделении облученных тепловыделяющих сборок

4.3 Методика размещения отработавшего ядерного топлива реакторов ВВЭР-1000/1200 в камере сухого хранилища

4.4 Выводы по четвертой главе

Заключение

Список условных обозначений, символов, сокращений

Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное и численное исследование теплового состояния камер сухого хранилища отработавшего ядерного топлива»

Введение

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день в России функционируют 37 различных по типу и модификации энергоблоков атомных электростанций (АЭС), обеспечивая примерно 20 % национального производства электроэнергии [1, 2]. В мировом масштабе общий объем выработки атомной энергии достигает около 370 ГВт на 412 энергоблоках [3].

В процессе получения электроэнергии на АЭС образуется отработавшее ядерное топливо (ОЯТ). За время эксплуатации атомных станций по всему миру накопилось свыше 400000 тонн ОЯТ. Около трети этого объема переработано с целью извлечения из ОЯТ ценных компонентов, а оставшиеся две трети хранятся в специализированных хранилищах, где ожидают либо дальнейшей переработки, либо окончательной изоляции в геологическом слое [4]. Вопрос обращения с ОЯТ критически важен для будущего ядерной энергетики и требует инновационных решений для обеспечения её безопасности и минимизации воздействия на окружающую среду.

После удаления из энергоблока ОЯТ продолжает выделять значительное количество тепла, которое со временем снижается. Оценка остаточного тепловыделения ОЯТ водно-водных энергетических реакторов типа ВВЭР-1000/1200 в зависимости от времени, прошедшего после извлечения из реактора, возможна с применением специально разработанных методов и подходов, подробно описанных в [5].

Для поддержания допустимой температуры облученных тепловыделяющих сборок (ОТВС) ОЯТ после выгрузки из реактора должно находиться на мокром хранении в приреакторных бассейнах выдержки отработавшего топлива АЭС. В связи с очень высоким тепловыделением ОЯТ в первые несколько лет после извлечения его из реактора этап мокрого хранения ОЯТ является обязательным. Снижение радиоактивности и остаточного тепловыделения во время выдержки способствует обеспечению безопасности на дальнейших стадиях топливного цикла. После истечения минимального времени выдержки ОТВС в бассейнах на

атомных станциях, которое зависит от глубины выгорания топлива, появляется возможность перевозки ОЯТ в централизованное мокрое хранилище с целью дальнейшей переработки или его размещения на долговременное сухое хранение.

Концепция обращения с ОЯТ Госкорпорации «Росатом» является одним из основных стратегических направлений и определяет создание надежной системы долговременного контролируемого хранения ОЯТ. При этом подчеркивается, что на второй стадии хранения необходим переход на сухой способ хранения, при котором коррозия ОТВС и конструкционных материалов будет незначительна и существенно сократится количество образующихся отходов [6].

Использование сухих хранилищ ОЯТ гораздо безопаснее, чем хранение в бассейнах выдержки. Отработавшее топливо хранится в атмосфере воздуха или инертного газа, что значительно уменьшает вероятность развития дефектов в ОТВС по сравнению с мокрым способом хранения. Одними из основных преимуществ сухого способа хранения ОЯТ также являются простота его обслуживания, более низкие капитальные и эксплуатационные затраты, возможность модульного увеличения вместимости и незначительное количество вторичных отходов. При сухом хранении отработавшее топливо охлаждается воздушными потоками путем естественной конвекции, и такие системы могут безопасно и эффективно использоваться в течение длительного периода, порядка 50 и более лет.

При планировании размещения ОЯТ на сухое хранение необходимо учитывать как мощность остаточного тепловыделения ОЯТ, так и ее распределение по высоте упаковки, содержащей ОТВС, поскольку данные параметры важны для правильного определения максимальных температур упаковок и температурного поля конструктивных элементов хранилища.

Степень разработанности темы исследования. Вопросами теплообмена в воздушной среде в целях оценки теплового состояния хранилищ ОЯТ занимались ученые и инженеры из разных стран: В.И. Калинкин, В.Г. Крицкий, А.И. Токаренко, Н.С. Тихонов, Н.В. Размашкин, А.Л. Серова, А.Н. Балицкая, А.Ю. Крайнов, Л.Л. Миньков, И.Н. Сеелев, Э.Р. Шрагер, О.К. Безюков,

П.М. Афанасьев, С.В. Алехина, В.Н. Голощапов, А.О. Костиков, Ю.М. Мацевитый, S.Y. Lee, R.L. Sindelar, D.C Losey, L.E. Herranz, J. Penalva, F. Feria, Y.-S. Tseng, J.-R. Wang, F.P. Tsai, Y.-H. Cheng , C. Shih, T. Kim, K. Kim, D. Lee, T. Na, S. Chung, Y. Kim, J. Li, Y.Y. Liu, H.Y. Chang, R.H. Chen, C.M. Lai, R. Poskas, V. Simonis , A. Sirvydas, R.R. DeVoe, K.R. Robb, S.E. Skutnik и другие.

В литературе достаточно широко рассмотрены вопросы исследования теплового состояния контейнерных сухих хранилищ ОЯТ, однако мало внимания уделено исследованию тепловых процессов, происходящих в сухих хранилищах ОЯТ камерного типа. Выполненные ранее исследования проводились экспериментальными методами и с помощью математических моделей в двух- и трехмерной постановках задач. Несмотря на значительное количество исследований, изучение теплового состояния сухих хранилищ ОЯТ не утрачивает своей актуальности, поскольку постоянно повышаются технико-экономические показатели АЭС, что приводит к образованию ОЯТ с более высокими тепловыми характеристиками.

Таким образом, в настоящее время является актуальным и представляет большой интерес изучение процессов теплообмена в камерах сухих хранилищ ОЯТ в целях обоснования возможности хранения топлива с повышенными тепловыми характеристиками.

Цель работы - исследование процессов тепломассопереноса, происходящих под действием конвективного течения воздуха в камерах сухого хранилища ОЯТ, в результате которых происходит отвод тепла, выделяемого отработавшим топливом, из камер хранилища, а также разработка методики загрузки сухого хранилища ОЯТ ФГУП «Горно-химический комбинат» (ФГУП «ГХК») топливом реакторов типа ВВЭР-1000/1200 с повышенным тепловыделением.

Задачи исследования:

1. Провести экспериментальные исследования сухого хранилища ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000 (ХОТ-2) с измерением параметров в контрольных точках и параметров внешней среды.

2. Разработать математическую модель расчета теплового состояния хранилища ОЯТ и выполнить ее валидацию на основе полученных экспериментальных данных.

3. Выполнить оценку вариантов загрузки хранилищ отработавшим топливом с повышенным тепловыделением и разработать методику загрузки хранилища при условии соблюдения безопасных параметров эксплуатации.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Получены и систематизированы новые экспериментальные результаты, характеризующие фактическое влияние параметров внешней среды на конвективный теплообмен и тепловое состояние камер ХОТ-2.

2. Впервые, с помощью математической модели, получено распределение теплового потока на внешней поверхности пеналов хранения и внутренней поверхности гнезда хранения, учитывающее сопряженный теплообмен за счет конвекции, теплопроводности и излучения внутри пенала хранения ОЯТ.

3. Впервые разработанная математическая модель камеры хранения ОЯТ ХОТ-2 валидирована на основе данных экспериментального исследования действующего хранилища ОЯТ.

4. Разработана новая методика загрузки ХОТ-2 отработавшим топливом реакторов ВВЭР-1000/1200, позволяющая размещать в хранилище ОЯТ с тепловыделением, превышающим проектное. В методике предложены научно-технические решения, для реализации которых разработаны 2 расчетные программы, защищенные авторскими свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Теоретическая и практическая значимость исследования.

Результаты экспериментального исследования камер сухого хранения ОЯТ, способствовали расширению понимания влияния внешних факторов на процессы теплообмена внутри хранилища. С использованием численного моделирования выявлены новые аспекты процессов теплопередачи внутри гнезда и камеры хранения ОЯТ, что открывает новые горизонты для оптимизации проектирования и эксплуатации подобных объектов.

Полученные при выполнении диссертации результаты могут использоваться при обосновании безопасности загрузки в ХОТ-2 всего существующего спектра ОЯТ реакторов ВВЭР-1000/1200 в зависимости от времени его выдержки после выгрузки из реактора. Разработанная методика загрузки в ХОТ-2 более «горячего» ОЯТ, чем обосновано при проектировании хранилища, может быть применена при размещении ОЯТ на сухое хранение на ФГУП «ГХК».

Разработанная программа для ЭВМ «Программа расчета остаточного тепловыделения отработавшего ядерного топлива реакторов ВВЭР-1000 для применения в электронных таблицах офисного пакета Libre Office» внедрена на ФГУП «ГХК» актом № 212/25-07-04/76136 от 11.07.2025.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности 1.3.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника», а именно следующим пунктам направлений исследований:

- п.5 «Экспериментальные и теоретические исследования однофазной, свободной и вынужденной конвекции в широком диапазоне свойств теплоносителей, режимных и геометрических параметров теплопередающих поверхностей»;

- п.8 «Разработка методов исследования и расчета радиационного теплообмена в прозрачных и поглощающих средах»;

- п.9 «Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты».

Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись методы экспериментальных исследований с использованием аттестованных приборов измерения температуры, давления, атмосферных параметров. Для обработки экспериментальных данных использовались статистические методы. Расчеты остаточного тепловыделения ОЯТ выполнялись с помощью разработанных программ для ЭВМ. Создание математических моделей и выполнение численных расчетов осуществлялось в программном комплексе ANSYS. Выполнено сравнение результатов экспериментального и численного исследования.

Положения, выносимые на защиту.

1. Массив результатов экспериментальных исследований течения воздуха и теплообмена в камерах сухого хранилища ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000.

2. Математическая модель переноса тепла в гнезде сухого хранения ОЯТ с размещенными в нем двумя пеналами с четырьмя ОТВС ВВЭР в каждом.

3. Математическая модель, описывающая процессы теплообмена в камере сухого хранилища ОЯТ реакторов типа ВВЭР, прошедшая валидацию с помощью полученных в работе экспериментальных данных.

4. Методика загрузки в ХОТ-2 ОЯТ ВВЭР-1000/1200 с остаточным тепловыделением до 900 Вт/ОТВС.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность представленных в работе результатов подтверждается:

- использованием при экспериментах автоматизированной системы управления технологическими процессами действующего предприятия, а также сертифицированного измерительного оборудования;

- согласованностью экспериментальных данных с результатами математического моделирования;

- выполнением проверки сходимости численного решения по расчётной

сетке.

Личный вклад автора. Автор провел экспериментальное исследование конвективного теплообмена в камерах сухого хранилища ОЯТ, включая установку необходимых приборов, средств измерений, регистрацию и обработку результатов измерений. При непосредственном участии автора разработаны модель теплообмена гнезда сухого хранения ОЯТ с размещенными в нем двумя пеналами с четырьмя ОТВС ВВЭР-1000/1200 в каждом, а также модель теплообмена камеры сухого хранения ОЯТ ВВЭР-1000/1200, включающая модели гнезд с ОЯТ. Автор осуществил валидацию модели камеры на основании результатов проведенных экспериментов и, с использованием расчетной модели, разработал методику загрузки ХОТ-2 отработавшим топливом АЭС с повышенными, относительно проектных, параметрами.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы были представлены к обсуждению на следующих конференциях:

- XVI отраслевая научно-техническая конференция молодых специалистов Государственной корпорации «Росатом» «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе» (Нижний Новгород, 2022);

- I Всероссийская конференция с международным участием «Енисейская теплофизика» - 2023 (Красноярск, 2023);

- XII Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», посвящённая 55-летию НИИ ПММ ТГУ и 145-летию Томского государственного университета (Томск, 2023);

- XIII Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики-2024» (Томск, 2024);

- VII Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Прикладная математика: современные проблемы математики, информатики и моделирования» (Краснодар, 2025);

- Всероссийская конференция молодых ученых «Математическое и информационное моделирование (МИМ-2025)» (Тюмень, 2025).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи в журнале, включенном в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (обе статьи опубликованы в российском научном журнале, входящем в Russian Science Citation Index), 2 публикации в сборниках материалов всероссийских (в том числе с международным участием) научных конференций; получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, символов, сокращений, списка

использованной литературы, включающий 65 пунктов. Работа изложена на 133 страницах, содержит 86 рисунков и 23 таблицы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования. Представлена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также определены основные положения, выносимые на защиту. Кроме того, описана используемая методология и приведены аргументы, подтверждающие надежность и достоверность полученных данных.

Первая глава посвящена аналитическому обзору и анализу существующих систем сухого хранения ОЯТ. Представлено описание метода сухого хранения в хранилище ОЯТ ФГУП «Горно-химический комбинат». Приведены примеры зарубежных исследований систем сухого хранения. В первой главе также освещаются ключевые концепции и подходы к изучению теплообменных процессов в специализированных хранилищах ОЯТ.

Во второй главе описано экспериментальное исследование теплового состояния действующего сухого хранилища ОЯТ камерного типа - ХОТ-2. Выполнены измерения параметров в контрольных точках хранилища в зависимости от параметров внешней среды в разные времена года. Исследовано влияние ветра на тепловой режим хранилища. Получен массив экспериментальных данных за календарный год. Выполнен корреляционный анализ полученных результатов.

В третьей главе представлены результаты численного решения трехмерных задач теплопереноса в гнезде и камере сухого хранения ОЯТ под действием сил естественной конвекции. Исследовано влияние конвективного теплообмена внутри пеналов хранения ОЯТ на распределение плотности теплового потока по высоте гнезда хранения. Выполнена валидация численной модели камеры по результатам эксперимента, описанного в главе 2. Проведены исследования тепловых процессов, происходящих в камере при полной загрузке ОЯТ.

В четвертой главе выполнено сравнение параметров ОТВС реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200. Выполнены расчеты теплового состояния камеры сухого хранения ОЯТ при различных вариантах ее загрузки и подобрано оптимальное распределение ОТВС (в том числе с повышенными характеристиками) внутри камеры, позволяющее максимально загрузить камеру отработавшим топливом без превышения безопасных температур эксплуатации хранилища. Разработана методика размещения ОЯТ реакторов ВВЭР-1000/1200 в камере сухого хранилища.

В заключении представлены ключевые достижения и выводы, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, а также обозначены перспективы будущих исследований по данной теме.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю Ящуку А.А. за помощь и поддержку при изучении численных методов проведения исследования, создании математических моделей и проведении расчетов в программном комплексе ANSYS, а также за оказанную помощь при подготовке материалов диссертации и опубликованных работ. Также автор выражает благодарность за помощь в создании расчетных моделей Бутову В.Г., Солоненко В.А., Кулешову А.А; за поддержку и содействие при выполнении экспериментальных исследований Корнееву М.И., Бычкову С.И., Перминову К.В., Стребкову Н.И., Махиянову В.В. Арефину В.И., Чернышову И.В., за методическую помощь и консультации при подготовке к защите диссертации Крайнову А.Ю., Моисеевой К.М., Усаниной А.С., Лешку А.А.

1 Аналитический обзор литературы в области исследования процессов теплопереноса в сухих хранилищах отработавшего ядерного топлива

В разных странах сухое хранение ОЯТ реализовано с помощью различных систем: в России основная масса ОЯТ, размещенного на хранение сухим способом, находится в централизованном хранилище камерного типа на ФГУП «ГХК»; за рубежом преимущественно применяются системы контейнерного хранения. Независимо от используемого способа в системах хранения должны выдерживаться такие тепловые параметры, которые обеспечивают сохранность ОТВС, мест размещения и строительных конструкций на весь период эксплуатации хранилища.

В целях оценки теплового состояния хранилищ в разных странах применяются численные методы, как путем самостоятельного решения систем уравнений [7], так и с использованием различных программных пакетов:

- специализированных программ: COBRA [8], HYDRA;

- программ вычислительной гидродинамики общего назначения: ANSYS CFX [9], FLUENT [10, 11, 12, 13, 14], PHOENICS [15, 16], ALGOR [17].

1.1 Способы сухого хранения отработавшего ядерного топлива

В настоящее время в России и за рубежом в основном применяются 2 типа технологий сухого хранения ОЯТ: технология контейнерного хранения и технология камерного хранения. Кроме того, можно выделить сухие хранилища скважинного (шахтного) типа, которые не нашли широкого распространения, и сухие хранилища, представляющие собой монолитные бетонные системы.

Наиболее распространен сухой способ хранения ОЯТ, представляющий собой размещение ОТВС в герметичных контейнерах. Для хранения используются контейнеры разной конструкции, изготовленные из различных

материалов. Целесообразно выделить металлические контейнеры, бетонные и железобетонные контейнеры.

Широкой линейкой представлены металлические контейнеры CASTOR, разработанные немецкой фирмой GNS (Gesellschaft für Nuclear-Service) и контейнеры семейства TN фирмы Transnucleaire (Франция).

К металлобетонным контейнерам относятся контейнеры CONSTOR RBMK, используемые для хранения ОЯТ РБМК-1500 на Игналинской АЭС. Большой выбор металлобетонных систем контейнерного хранения ОЯТ предлагают американские фирмы: компанией HOLTEC International разработаны системы хранения HI-STAR и HI-STORM; фирма NAC-International разработала две двухцелевые системы (хранения и транспортирования ОЯТ): NAC-STC и NAC-UMS; компания Fuel Solutions разработала двухцелевую систему TranStor.

Бетонные контейнеры для хранения ОЯТ используются в разных странах. В Канаде, для хранения ОЯТ реакторов CANDU, разработаны и используются следующие бетонные системы сухого хранения ОЯТ: CC (Concrete Canister), CIC (Concrete Integrated Container), DSC (Dry Storage Container).

В США используются вертикальные бетонные вентилируемые контейнеры VSC (Ventilated Storage Cask). В контейнерах такого типа для охлаждения ОЯТ есть 4 отверстия внизу для впуска воздуха и 4 отверстия вверху для выпуска воздуха. Аналогичные контейнеры используются для хранения отработавшего топлива на Запорожской АЭС. Для сухого контейнерного хранилища Запорожской АЭС выполнен большой объем исследований тепловых режимов хранения ОЯТ в различных ситуациях [16, 18, 19, 20, 21, 22, 23].

Меньшее распространение получил способ камерного сухого хранения ОЯТ. Технология камерного хранения разделяется по признаку размещения или не размещения ОЯТ в пеналах перед загрузкой его в камеры.

Технология сухого камерного хранения по типу MVDS (Modular Vault Dry Store), когда ОТВС помещаются непосредственно в гнезда (трубы) хранения, в бетонных камерах, реализована на АЭС «Пакш» (Венгрия). В камерном хранилище CASCAD (CASemate CADarache) в Кадараше (Франция) пеналы с

ОТВС устанавливаются в гнезда хранения. Размещение пеналов с ОЯТ может быть осуществлено как в вертикальном положении (CASCAD, MACSTOR и др.), так и в горизонтальном (NUHOMS и др.). В сухом хранилище ОЯТ ФГУП «Горно-химический комбинат» пеналы с ОТВС устанавливаются в гнезда хранения в вертикальном положении.

1.2 Сухое хранилище отработавшего ядерного топлива ВВЭР-1000 в России

Централизованное сухое хранилище ОЯТ реакторов ВВЭР-1000 (ХОТ-2) расположено на территории ФГУП «Горно-химический комбинат» в ЗАТО Железногорск Красноярского края, вблизи г. Красноярска.

ХОТ-2 ВВЭР-1000 введено в эксплуатацию в 2016 году. Охлаждение хранилища обеспечивается системой отвода тепла, функционирующей за счет естественной конвекции. В ХОТ-2 за основу взят технологический подход, используемый в хранилищах камерного типа: пассивный способ отвода тепла от ОЯТ с помощью воздуха, размещение пеналов с ОЯТ в гнездах хранения, а самих гнезд хранения в железобетонных камерах.

Отделение хранения ОЯТ представляет собой железобетонное сооружение в виде отдельных камер, в которых с шагом 1 м (квадратное разбиение) установлены гнезда хранения, которые представляют собой стальные трубы диаметром 720 мм, толщиной 9 мм и высотой 11,6 м. В этих гнездах в два яруса размещаются герметичные пеналы диаметром 650 мм, толщиной стенки 4 мм, высотой 5 м с установленными в них четырьмя ОТВС ВВЭР-1000, помещенными между разделительными перегородками. Всего в камере 242 гнезда: 22 ряда гнёзд хранения в продольном сечении камеры и 11 рядов в поперечном сечении. Для раздачи холодного воздуха в нижнем перекрытии камеры между гнездами имеются закладные трубы с внутренним диаметром 309 мм (труба с наружным диаметром 325 мм и толщиной 8 мм). Сверху гнездо закрывается пробкой.

Каждая из камер ХОТ-2 оборудована собственной системой отвода тепла (СОТ), включающей впускные и вытяжные воздушные шахты. СОТ обеспечивает

удаление тепла от гнезд с ОЯТ. В конструкции этой системы отсутствуют активные компоненты, оказывающие влияние на характер циркуляции воздуха, что способствует повышенной надежности и простоте эксплуатации. В соответствии с выбранной конструктивной схемой камер, скорость воздушного потока определяется уровнем остаточного тепловыделения ОЯТ, размещенного внутри каждой камеры. Режим функционирования системы - постоянный и сохраняется на протяжении всего срока эксплуатации хранилища, что обеспечивает стабильные условия для теплоотвода и безопасности хранения.

На рисунке 1.1 приведена схема движения воздуха в поперечном сечении камеры сухого хранилища.

Рисунок 1.1 - Схема естественной циркуляции воздуха в камере хранения ХОТ-2

Воздух поступает в каждую камеру хранилища через впускные шахты, расположенные по бокам здания. Затем он перемещается в подкамерное пространство с перфорированными перегородками и направляющими, обеспечивающими равномерное направление потока. Проникая через вертикальные закладные трубы, проходящие через дно камеры, воздух нагревается от размещённых внутри камеры гнёзд с ОЯТ и поднимается вверх.

При достижении перекрытия, разделяющего пространство камеры и зал хранения, поток делится на две части, которые обтекают гнезда в поперечном направлении и движутся в разные стороны к боковым стенам хранилища, в которых расположены выходы из камеры. Далее воздух перемещается вверх по вертикальным вытяжным шахтам и выходит в атмосферу. Для обеспечения правильной циркуляции и снижения турбулентности внутри камеры установлены специальные вертикальные перегородки.

Схема расположения гнезд в камере хранения ОЯТ приведена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Схема расположения гнезд хранения в камере ХОТ-2 [24]

При использовании сухого способа хранения ОЯТ необходимо строго придерживаться требований, гарантирующих его безопасность.

Для предотвращения нежелательной химической реакции между двуокисью урана и кислородом окружающей среды в условиях длительного хранения ОЯТ применяются строгие меры предосторожности и технические требования. Основные меры защиты включают: - контроль температуры;

- состав газовой среды хранения ОЯТ с минимальным количеством свободного кислорода (используются нейтральные газовые среды - такие как гелий или азот);

- герметизацию упаковок с ОЯТ в целях исключения проникновения влаги и газов извне.

Приведенные данные указывают на исключительную важность определения температурного состояния топлива и относительно узкие пределы, в которых может быть обеспечена сохранность топлива в зависимости от состава среды.

В выбранном в ХОТ-2 способе хранения температура ОЯТ определяется двумя ключевыми аспектами, которые различаются в зависимости от механизма теплоотдачи от топлива к окружающей среде:

- термическим сопротивлением на внешней границе гнезда и воздуха, определяемым конвективной передачей тепла и зависящим от коэффициента теплоотдачи;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Казюлин Андрей Николаевич, 2025 год

Список использованной литературы

1. Шубнов К.И. Действующие и строящиеся атомные станции в России, их принцип работы / К.И. Шубнов // Современные проблемы энергетики и экологии: материалы докладов и сообщений заочной студенческой научно-практической конференции. Севастополь, 26 мая 2022 г. / под общей редакцией Ю.А. Омельчук.

- Севастополь : Севастопольский государственный университет, 2022. - С. 26-33.

2. АО «Концерн Росэнергоатом» [электронный ресурс]. - [М.], 2025. - URL: https://www.rosenergoatom.ru/stations_projects/atomnye-elektrostantsii-rossii (дата обращения: 26.01.2025).

3. International Atomic Energy Agency, IAEA [electronic resource]. - [Vienna], 2025. - URL: https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalReactors ByCountry.aspx (access date: 26.01.2025).

4. Квятковский С.А. Методы обращения с ОЯТ энергетических реакторов / С.А. Квятковский, О.А. Мансуров, П.Б. Птицын. - Москва : ЦАИР, частное учреждение «Наука и инновации». - 2021. - 192 c. - DOI: 10.36535/0202-61202021-02-39-2021.

5. Руководство по безопасности при использовании атомной энергии «Радиационные и теплофизические характеристики отработавшего ядерного топлива водо-водяных энергетических реакторов и реакторов большой мощности канальных» (РБ-093-20) (в редакции приказа Ростехнадзора от 04.02.2021 № 46 ; утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11 марта 2020 г. № 106). - М. : 2020. - 104 c.

6. Хранение отработавшего ядерного топлива энергетических реакторов. Препринт / В.И. Калинкин, В.Г. Крицкий, А.И. Токаренко [и др.]. - СПб : ОАО «ГИ «ВНИПИЭТ», 2009. - 122 с.

7. Крайнов А.Ю. Численное исследование течения и теплообмена воздуха в камере хранения сухого хранилища ОЯТ / А.Ю. Крайнов, Л.Л. Миньков, И.Н. Сеелев, Э.Р. Шрагер / Вестн. Том. гос. ун-та. Математика и механика. - 2017.

- № 47. - C. 75-86. - DOI: 10.17223/19988621/47/8.

8. DeVoe R.R. Sensitivity analysis for best-estimate thermal models of vertical dry cask storage systems / R.R. DeVoe, K.R. Robb, S.E. Skutnik // Nucl. Eng. Des. -

2017. - № 320. - Р. 282-297.

9. Lee S. Y. Thermal Modeling and Performance Analysis of Interim Dry Storage and Geologic Disposal Facilities for Spent Nuclear Fuel / S. Y. Lee, R. L. Sindelar, D. C. Losey // Nuclear Technology. - 2000. - № 131 (1). - Р. 124-151.

10. Herranz L.E. CFD analysis of a cask for spent fuel dry storage: model fundamentals and sensitivity studies / L. E. Herranz, J. Penalva, F. Feria // Ann. Nucl. Energy. - 2015. - № 76. - Р. 54-62.

11. Thermal design investigation of a new tube-type dry-storage system through CFD simulations / Y.-S. Tseng, J.-R. Wang, F. P. Tsai [et al.]. // Ann. Nucl. Energy. -2011. - № 38. - P. 1088-1097.

12. Conceptual Design, Development, and Preliminary Safety Evaluation of a PWR Dry Storage Module for Spent Nuclear Fuel / T. Kim, K. Kim, D. Lee [et al.]. // Appl. Sci. - 2022. - № 12. - Article number 4587. - 14 p. - URL: https://www.mdpi.com/2076-3417/12/9/4587 (access date: 26.01.2025).

13. Li J. Thermal modeling of a vertical dry storage cask for used nuclear fuel / J. Li, Y.Y. Liu // Nucl. Eng. Des. - 2016. - № 301. - Р. 74-88.

14. Безюков О.К. Численное моделирование теплового состояния пенала с отработавшим ядерным топливом при хранении в сухом хранилище камерного типа / О.К. Безюков, П.М. Афанасьев // Современная наука и инновации. - 2019. -№ 1. - Р. 44-55. - DOI: 10.33236/2307-910X-2019-25-1-44-55.

15. Chang H. Y. Numerical simulation of the thermal performance of a dry storage cask for spent nuclear fuel / H. Y. Chang, R. H. Chen, C. M. Lai // Energies. -

2018. - № 11 (1). - Article number 149. - 9 р. - URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/11/1/149 (access date: 26.01.2025).

16. Алехина С.В. Тепловое состояние вентилируемого контейнера хранения отработавшего ядерного топлива в условиях натекания внешнего воздушного потока / С.В. Алехина, В.Н. Голощапов, А.О. Костиков, Ю.М. Мацевитый // Ядерная физика и энергетика. - 2009. - Т. 10, № 2. - С. 171-177.

17. Poskas R. Thermal analysis of CASTOR RBMK-1500 casks during long-term storage of spent nuclear fuel / R. Poskas, V. Simonis, P. Poskas, A. Sirvydas // Ann. Nucl. Energy. - 2017. - № 99. - Р. 40-46.

18. Alyokhina S. Comparative analysis of numerical methods used for thermal modeling of spent nuclear fuel dry storage systems / S. Alyokhina, Y. Matsevity, V. Dudkin [et al.]. // Problems of Atomic Science and Technology. - 2019. -№ 5 (123). - Р. 75-79. - DOI: 10.46813/2019-123-075.

19. Алёхина C.B. Анализ тепловых режимов сухого хранения отработавшего ядерного топлива в аварийных ситуациях / С.В. Алёхина // Журнал Харьковского национального университета. - 2013. - № 1059. - С. 110-114.

20. Alyokhina S. Unsteady heat exchange at the dry spent nuclear fuel storage / S. Alyokhina, A. Kostikov // Nuclear Engineering and Technology. - 2017. - № 49. -Р. 1457-1462.

21. Alyokhina S. Safety issues of the dry storage of the spent nuclear fuel / S. Alyokhina, A. Kostikov, S. Kruhlov // Problems of Atomic Science and Technology. - 2017. - № 2 (108). - Р. 70-74.

22. Alyokhina S. Thermal analysis of certain accident conditions of dry spent nuclear fuel storage / S. Alyokhina // Nuclear Engineering and Technology. - 2018. -№ 50. - Р. 717-723.

23. Alyokhina S. Scientific basis of thermal safety analysis of dry storage of spent nuclear fuel on zaporizhska NPP / S. Alyokhina, A. Kostikov, I. Koriahina // Problems of Atomic Science and Technology. - 2020. - № 2 (126). - Р. 81-84. - DOI: 10.46813/2020-126-081.

24. Калинкин В.И. Обоснование метода сухого хранения отработавшего ядерного топлива АЭС с реакторами РБМК-1000 и ВВЭР-1000 : дис. ... канд. техн. наук / В.И. Калинкин. - СПб., 2007. - 172 с.

25. Численное моделирование течения и теплообмена при смешанной конвекции в ячейке хранилища ОЯТ камерного типа, включая аналитический обзор литературных данных. - Инв. № 00356. - Санкт-Петербург : ЗАО НПО «ГАММА-С», 2002. - 135 с.

26. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справочное пособие / С.С. Кутателадзе. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

27. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. - М. : Атомиздат, 1979. - 415 с.

28. Себиси Т. Конвективный теплообмен / Т. Себиси, П. Брэдшоу. - М. : Мир, 1987. - 590 с.

29. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике / С.С. Кутателадзе. Новосибирск : Наука. - 1982. - 280с.

30. Крайнов А.Ю. Конвективный теплоперенос и теплообмен : учеб. пособие / А.Ю. Крайнов, К.М. Моисеева. - Томск : STT, 2017. - 80 с.

31. Теплотехнический справочник / под ред. С.Г. Герасимова. - М.-Л. : Госэнергоиздат, 1957. - Т. 1. - 728 с.

32. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. -М. : Энергия, 1977. - 344 с.

33. Кутателадзе С.С. Справочник по теплопередаче / С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский. - М.-Л. : Госэнергоиздат, 1958. - 414 с.

34. Брюханов О.Н. Тепломассообмен / О.Н. Брюханов, С.Н. Шевченко. -Москва : ИНФРА-М, 2022. - 464 с.

35. Исаченко В.П. Теплопередача. Энергия / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - М., 1975. - 486 с.

36. Kraussold H. Wärmeabgabe von zylindrischen Flüssigkeitschichten bei natürlicher Konvektion / H. Kraussold // Forschung Auf Dem Gebiete Des Ingenieurwesens. - 1934. - № 5 (4). - Р. 186-191. - DOI: 10.1007/bf02578823.

37. Казюлин А.Н. Экспериментальное исследование пассивного теплоотвода из камеры сухого хранилища отработавшего ядерного топлива при различных параметрах внешней среды / А.Н. Казюлин, А.А. Ящук // Тепловые процессы в технике. - 2024. - Т. 16, № 3. - С. 116-126.

38. Термопреобразователи универсальные ТПУ 0304. Руководство по эксплуатации НКГЖ.411611.001РЭ. НПО Элемер. - 52 с.

39. Датчик давления Метран-150. Руководство по эксплуатации СПГК.5225.000.00РЭ. Версия 2.8. - 94 с.

40. Термометры сопротивления ТС и ТСР. Паспорт КТШЛ 421140.011.ПС. -

4 с.

41. Научно-производственное предприятие ЭЛЕМЕР [электронный ресурс]. - [М.], 2025. - URL: https://www.elemer.ru/catalog/datchiki-temperatury/termopreobrazovateli-s-unifitsirovannym-vykhodnym-signalom/tpu-0304-m1 (дата обращения 09.03.2025).

42. Группа компаний «МЕТРАН» [электронный ресурс]. - [Челябинск], 2025. - URL: https://metran.ru/catalog/pressure/metran-150 (дата обращения 09.03.2025).

43. Группа компаний «Новые технологии» [электронный ресурс]. - [Томск], 2025. - URL: https://termodat.nt-rt.ru/price/product/1538801 (дата обращения 09.03.2025).

44. АРК «Энергосервис» [электронный ресурс]. - [СПб], 2025. - URL: https://www.kipspb.ru/catalog/6556/element1750703.php (дата обращения 09.03.2025).

45. Станция автоматическая метеорологическая «Сокол-М1». Паспорт и руководство по эксплуатации МС1.41631.002 ПС. Редакция от 19.05.2021. ГК «Эскорт». - 56 с.

46. Группа компаний «Эскорт» [электронный ресурс]. - [М.], 2025. - URL: https://sokolmeteo.ru/weather-station/ (дата обращения 09.03.2025).

47. Казюлин А. Н. Влияние метеорологических параметров на отвод тепла из камер сухого хранилища отработавшего ядерного топлива / А. Н. Казюлин, А. А. Ящук // Енисейская теплофизика : тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием. Красноярск, 28-31 марта 2023 г. - Красноярск, 2023. - С. 273-275.

48. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2025615227. Программа расчета остаточного тепловыделения отработавшего ядерного топлива реакторов ВВЭР-1000 для применения в

электронных таблицах офисного пакета Libre Office / А. Н. Казюлин (RU); правообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие «Горнохимический комбинат» (RU). - Заявка № 2025613723; дата поступления -24.02.2025; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ -03.03.2025.

49. Демин С.Е. Математическая статистика : учеб.-метод. пособие / С.Е. Демин, Е.Л. Демина. - М-во образования и науки РФ ; ФГАОУ ВО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Нижнетагил. технол. ин-т (фил.). -Нижний Тагил : НТИ (филиал) УрФУ, 2016. - 284 с.

50. Сила связи. Сообщение 2. Градации величины корреляции / А.Н. Котеров, Л.Н. Ушенкова, Э.С. Зубенкова [и др.]. // Медицинская радиология и радиационная безопасность. - 2019. - Т. 64, № 6. - С. 12-24. - DOI: 10.12737/1024-6177-2019-64-6-12-24.

51. Казюлин А. Н. Численное моделирование теплового состояния камеры сухого хранения отработавшего ядерного топлива реакторов ВВЭР / А. Н. Казюлин, В. А. Солоненко, А. А. Ящук, В. Г. Бутов // Тепловые процессы в технике. - 2025. - Т. 17, № 1. - С. 31-40.

52. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К. Флетчер. - М. : Мир, 1991. - 552с.

53. Пасконов В.М. Численное моделирование процессов тепло-массообмена / В.М. Пасконов, В.И. Полежаев, Л.А. Чудов. - М. : Наука, 1984. - 288 с.

54. Андерсон Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Д. Андерсон, Дж. Таннехил, Р. Плетчер. - М : Мир, 1990. - 726 с.

55. Численное решение многомерных задач газовой динамики / под ред. С. К. Годунова. - М. : Наука, 1976. - 400 с.

56. Многомасштабная модель турбулентных течений / Д.К. Уилкокс // Аэрокосмическая техника. - 1989. - № 11. - С. 47-60.

57. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications / F.R. Menter // AIAA Journal. - 1994. - Vol. 32, № 8. - Р. 1598-1605. - DOI: 10.2514/3.12149.

58. Zitzmann T. Simulation of steady-state natural convection using CFD / T. Zitzmann, M. Cook, P. Pfrommer [et al.] // Proc. of the 9th International IBPSA Conference Building Simulation 2005. Montréal, Canada, 15-18 August, 2005. -Montréal : IBPSA, 2005. - Р. 1449-1456.

59. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник / В.С. Чиркин. - М., 1968. - 484 с.

60. Казюлин А. Н. Разработка математической модели процесса передачи тепла в камере сухого хранения отработавшего ядерного топлива / А. Н. Казюлин, А. А. Ящук // Математическое и информационное моделирование : материалы всероссийской конференции молодых ученых. Тюмень, 22-30 апреля 2025 г. -Тюмень, 2025. - С. 19-22.

61. Андрушечко С.А. АЭС с реактором типа ВВЭР-1000. От физических основ эксплуатации до эволюции проекта / С.А. Андрушечко, А.М. Афров, Б.Ю. Васильев [и др.]. - М. : Логос, 2010. - 604 с. + цв. вклейки.

62. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2025661084. Программа расчета тепловыделения облученных ТВС реакторов ВВЭР-1200 для использования в электронных таблицах Libre Office / А.Н. Казюлин (RU); правообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие «Горно-химический комбинат» (RU). - Заявка № 2025618698; дата поступления - 11.04.2025; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ - 29.04.2025.

63. Швер Ц.А. Климат Красноярска / Ц.А. Швер, А.С. Герасимова. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1982. - 231с.

64. Архив погоды [электронный ресурс] - [Б. м.], 2025. - URL: https://arhivpogodi.ru/arhiv/krasnoyarsk (дата обращения 29.04.2025).

65. Погода и климат : справочно-информационный портал [электронный ресурс]. - [Б. м.], 2025. - URL: http://www.pogodaiklimat.ru/history/29479.htm (дата обращения 29.04.2025).