Вестник МГТУ, 2021, Т. 24, № 2.

Вестник МГТУ. 2021. Т. 24, № 2. С. 228-239. DOI: https://doi.org/10.21443/1560-9278-2021-24-2-228-239 Введение Концептуальная конструктивно-компоновочная схема подземного хранилища отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) разработана в процессе исследований, выполненных специалистами Горного института КНЦ РАН по проблеме безопасного обращения с ОЯТ судовых энергетических установок на Европейском Севере России (Мельников и др., 2003). Подземное хранилище ОЯТ предложено создать в скальном массиве на глубине 100 м; время хранения ОЯТ - около 50 лет. Для сухого хранилища отработавшего ядерного топлива, наряду с общими требованиями ко всем типам хранилищ ОЯТ (ядерная и радиационная безопасность), предъявляется требование обеспечения безопасного температурного режима хранения топлива1 (Калинкин и др., 2009), заключающегося в необходимости организации отвода остаточных тепловыделений ОЯТ и исключения возможности перегрева материалов и конструкций [критериальные значения температуры: в области скального массива 373 К (100 °С); на поверхности железобетонной конструкции 358 К (85 °С)] ( Калинкин и др., 2009; Наумов и др., 2019; Ржевский и др., 1978). Прогнозные расчеты теплового состояния материалов подземного хранилища ОЯТ на длительные сроки принято выполнять на базе методов численного моделирования. Разработчики рассматриваемого проекта использовали программу FFM (Мельников и др., 2010), в которой для получения системы дискретных алгебраических аналогов уравнения теплопроводности применяется метод Патанкара (Патанкар, 1984). В ходе исследований программа была модернизирована с учетом особенностей отвода остаточных тепловыделений ОЯТ в условиях подземного хранилища. С помощью FFM были осуществлены прогнозные расчеты теплового режима одиночного контейнера в зависимости от теплового состояния окружающей его среды под тепловым воздействием системы контейнеров, а также при хранении облученного топлива в отдельных чехлах (Мельников и др., 2010). Вместе с тем известен ряд современных верифицированных компьютерных программ COMSOL2, FlowVision, ANSYS3 (Щеляев, 2018) и т. д., которые могут быть использованы в прогнозах теплового режима подземного хранения ОЯТ в условиях смешанной конвекции. Результаты исследований теплового режима подземного хранилища ОЯТ в вариантах либо встроенной железобетонной конструкции, либо железобетонных контейнеров и естественных (горная порода) защитных барьеров представлены в работах (Амосов и др., 2010a; 2010б; Алексеева и др., 2013a; 2013б). В указанных исследованиях моделирование теплового режима объекта выполнялось с помощью программы COMSOL (Егоров, 2006; Бирюлин, 2006). Первоначально задача решалась в двухмерной постановке (Амосов и др., 2010a; 20106), в дальнейшем - в объемной (Алексеева и др., 2013a; 20136). Математическая модель основывалась на уравнениях неразрывности, Навье - Стокса для вязкой несжимаемой жидкости и общем уравнении теплопереноса. При этом уравнение переноса решалось отдельно (после того как была рассчитана аэродинамика объекта). В реализованной постановке отсутствовал важный член уравнений Навье - Стокса, который учитывает эффект изменения плотности воздуха в зависимости от температуры, что безусловно снизило ценность выполненных исследований. Как отметили авторы работы (Амосов и др. 2010б, с. 134), попытки включить в уравнения Навье - Стокса влияние силы тяжести в приближении Буссинеска для принятого в задаче начального значения мощности остаточных тепловыделений оказались неудачными. Исправляя указанный момент с учетом накопленного за прошедшие годы опыта моделирования аэротермодинамических процессов (Амосов и др., 2014; 2018), в представляемом материале излагаются результаты исследования теплового режима и особенности аэротермодинамики атмосферы подземного объекта долговременного хранения ОЯТ (вариант встроенной железобетонной конструкции) в условиях смешанной конвекции в трехмерной постановке. Описание модели: параметры, управляющие уравнения и исходные данные В процессе исследований рассматривается модуль, представляющий собой камерную выработку для хранения ОЯТ во встроенной железобетонной конструкции (Мельников и др., 2003). Геометрическое представление трехмерной модели подземного объекта хранения неперерабатываемых типов ОЯТ в варианте железобетонной конструкции изображено на рис. 1. Для доставки чехлов в модуле предусмотрен транспортный заезд сечением 42 м2 (вход). С противоположной стороны находится вентиляционная сбойка сечением 18 м2 (выход). Для хранения чехлов в модуле разработана встроенная конструкция, состоящая из железобетонных стен и перекрытий. В перекрытия вмонтированы металлические трубы, в которых размещают чехлы 1 См.: Пункты сухого хранения отработавшего ядерного топлива. Требования безопасности НП-035-02 // Вестник Госатомнадзора России. 2002. № 3. С. 51-58 ; Правила безопасности при хранении и транспортировании ядерного топлива на объектах использования атомной энергии НП-061-05 // URL: https:// files.stroyinf.ru/Data1/47/47340/ (дата обращения: 11.09.2016). 2 Документация COMSOL. URL: https://www.comsol.ru/documentation (дата обращения: 14.12.2019). 3 Release 17.0 Documentations for ANSYS. Swanson Analysis Systems, Inc., 2016. Полная документация доступна на английском языке из меню Help во время работы с программой. 229