Вестник МГТУ. 2016, №1.1.

Мельников Н. Н. и др. Оценка области оттаивания криолитозоны… 28 УДК 624.039:551.34:51-37 Н. Н. Мельников, П. В. Амосов, С. Г. Климин, Н. В. Новожилова Оценка области оттаивания криолитозоны при эксплуатации подземной АСММ на базе численного моделирования в трехмерной геометрии N. N. Melnikov, P. V. Amosov, S. G. Klimin, N. V. Novozhilova Estimation of thawing cryolithic area with numerical modeling in 3D geometry while exploiting underground small nuclear power plant Аннотация. В статье представлены результаты численного решения в трехмерной постановке тепловой задачи, связанной с оценкой области оттаивания при размещении модулей с реакторными и паротурбинными установками атомной станции малой мощности в толще многолетнемерзлых горных пород. Обсуждается влияние коэффициента теплопроводности обделки подземных выработок большого объема и пористости криолитозоны на величину глубины оттаивания и скорости движения фронта оттаивания в различных пространственных направлениях. Abstract. The paper presents results on 3D numerical calculation of a thermal task related to assessing a thawing area when placing modules with reactor and steam-turbine facility of a small nuclear power plant in thickness of permafrost rocks. The paper discusses influence of the coefficient of thermal conductivity for large-scaled underground excavations lining and cryolithic area porosity on thawing depth and front movement velocity under different spatial directions. Ключевые слова: подземные модули большого объема, криолитозона, пористость, коэффициент теплопроводности, фронт и глубина оттаивания. Key words: large-scaled underground modules, cryolithic area, porosity, coefficient of thermal conductivity, front and depth of thawing. Введение В работе авторов [1] на основании ранних исследований были представлены результаты решения задачи по оценке области оттаивания криолитозоны вокруг подземной атомной станции малой мощности (АСММ) с учетом фазового перехода "лед – вода" с использованием двухмерных моделей. При этом рассматривалась следующая компоновка размещаемой в многолетнемерзлых породах подземной АСММ: два (в отдельных выработках) реакторных модуля (с реакторными установками КЛТ-40С), реакторный зал и бассейн выдержки. В указанной публикации [1] приведены результаты анализа теплового состояния многолетнемерзлых горных пород вокруг модулей АСММ (динамика разогрева породы, глубины оттаивания в горизонтальном и вертикальном направлениях). В новом исследовании, направленном на разработку научных основ и методологии создания подземных комплексов для размещения АСММ в условиях Арктики, авторы предприняли попытку численного решения тепловой задачи в трехмерной постановке. С этой целью на основе открытой информации касательно строящейся ПАТЭС [2–4] были оценены размеры наиболее крупных помещений, в которых находятся реакторные и паротурбинные установки. Ориентировочные оценки авторов следующие: для размещения двух РУ типа КЛТ-40С и двух паровых турбин достаточно (с некоторым запасом) двух смежных подземных камер большого объема размерами 30 × 30 × 25 м и 30 × 45 × 25 м соответственно. Отметим, что все необходимые внутренние защитные конструкции, разделяющие РУ и турбины, а также какие-либо помещения внутри указанных объемов, для оценки теплового воздействия на криолитозону роли не играют. Авторы не сомневаются, что при современном уровне техники и технологии подземного строительства создание выработок большого объема не является технически сложной задачей для горняков. Опыт подземного строительства в сложных горно-геологических условиях, в т. ч. и специалистов Горного института КНЦ, позволяет утверждать, что возведение указанных выше подземных сооружений реализуемо. Целями решения задачи являются: 1) создание компьютерной трехмерной модели процессов теплопереноса в криолитозоне с учетом фазового перехода "лед – вода" при размещении в многолетнемерзлых горных породах (ММГП) подземных выработок большого объема, имитирующих модули АСММ; 2) оценка области оттаивания многолетнемерзлых горных пород во времени при функционировании АСММ в режиме нормальной эксплуатации с учетом вариации ряда теплофизических параметров модели (коэффициент теплопроводности, пористость). Описание компьютерной модели На этапе подготовки к запланированным исследованиям были проведены оценки возможностей доступных программных продуктов: COMSOL (опция Conduction in Porous Media), PORFLOW (модель