Вестник МГТУ, 2021, Т. 24, № 2.

Амосов П. В. Численное моделирование теплового режима подземного объекта. УДК 536.2 : 519.6 Численное моделирование теплового режима подземного объекта хранения отработавшего ядерного топлива (вариант встроенной конструкции) П. В. Амосов Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦРАН, г. Апатиты, Мурманская обл., Россия; e-mail: p.amosov@ksc.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7725-6261 Информация о статье Поступила в редакцию 14.11.2020; получена после доработки 25.05.2021 Ключевые слова: отработавшее ядерное топливо, объект хранения, объемное численное моделирование, смешанная конвекция, критериальные значения температуры Для цитирования Реферат Представлены результаты исследования методом численного моделирования теплового режима подземного объекта долговременного хранения отработавшего ядерного топлива в варианте встроенной железобетонной конструкции. Построены две компьютерные модели в объемной постановке в программе COMSOL. В основе первой модели лежит приближение несжимаемой жидкости, для второй - приближение "несжимаемого идеального газа". Математическая основа моделей: уравнение неразрывности, уравнения Навье - Стокса, осредненные по Рейнольдсу, стандартная (к - е) -модель турбулентности и общее уравнение теплопереноса. Учет условий смешанной конвекции реализован в приближении "несжимаемого идеального газа", в котором плотность воздуха является функцией только температуры. Исследована наиболее напряженная в тепловом отношении компоновка размещения ядерного топлива: U-Zr - defect - U-Be. Расход воздуха проварьирован в диапазоне от 21 до 0,656 м3/с. Численные эксперименты выполнены на срок до 5 лет хранения топлива. Подчеркнуто принципиальное отличие нестационарной структуры прогнозируемых в модели "несжимаемого идеального газа" скоростных полей от "застывшей" картины аэродинамических параметров в модели несжимаемой жидкости. Показано соблюдение требований по непревышению предельных значений температуры при функционировании объекта в консервативных условиях проветривания (расход 0,656 м3/с) с минимумом затрат по организации вентиляции. Проанализирована динамика тепловых потоков, направленных в скальный массив через основание и с поверхности встроенной конструкции отсека с U-Zr топливом в воздушную среду. Отмечено доминирование теплового потока с поверхности конструкции и различное время выхода кривых динамики теплового потока на максимальные значения. Тепловой поток в массив достигает максимума существенно быстрее, чем в воздух. Амосов П. В. Численное моделирование теплового режима подземного объекта хранения отработавшего ядерного топлива (вариант встроенной конструкции). Вестник МГТУ. 2021. Т. 24, № 2. С. 228-239. DOI: https://doi.org/10.21443/1560-9278-2021-24-2-228-239 Numerical simulation of the thermal regime of an underground spent fuel storage facility (built-in structure variant) Pavel V Amosov Institute o fNorth Industrial Ecology Problems KSC RAS, Apatity, Murmansk region, Russia; e-mail: p.amosov@ksc.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7725-6261 Article info Received 14.11.2020; received in revised form 25.05.2021 Key words: spent fuel storage facility, three-dimensional numerical simulation, mixed convection, the criterion of temperature values F or citation Abstract The results of a numerical simulation of the thermal regime of an underground facility for long-term storage of spent nuclear fuel in a built-in reinforced concrete structure are presented. Two computer models were constructed in a three-dimensional formulation in the COMSOL programme. The first model is based on the incompressible fluid approximation, while the second model is based on the "incompressible ideal gas" approximation. The mathematical basis of models: the continuity equation, Navier - Stokes equations averaged by Reynolds, the standard (k - s) turbulence model, and the general heat transfer equation. Consideration of mixed convection conditions is implemented in the "incompressible ideal gas" approximation, where the air density is a function of temperature only. The most thermally stressful arrangement of spent fuel placement is investigated: U-Zr - defective - U-Be. The air rate is varied in the range from 21 to 0.656 m3/s. Numerical experiments were performed for up to 5 years of fuel storage. The principal difference between the non-stationary structure of the velocity fields predicted in the "incompressible ideal gas" model and the "frozen" picture o f the aerodynamic parameters in the incompressible fluid model is emphasized. It is shown that the requirements for exceeding the temperature limit values are met when the object operates under conservative ventilation conditions (rate 0.656 m3/s) with a minimum of costs for organizing ventilation. The dynamics o f heat flows directed into the rock mass through the base and from the surface of the built-in structure of the U-Zr fuel compartment to the air environment are analyzed. The predominance o f the heat flow from the surface of the structure and the different times when the curves of the heat flow dynamics reach their maximum values are noted. The heat flow to the array reaches its maximum significantly faster than to the air. Amosov, P. V. 2021. Numerical simulation of the thermal regime of an underground spent fuel storage facility (built-in structure variant). Vestnik o f MSTU, 24(2), pp. 228-239. (In Russ.) DOI: https://doi.org/10.21443/1560-9278-2021-24-2-228-239 228