核电站事故下冷冻防泄漏分析

核电站事故下冷冻防泄漏分析

 在福岛核电站发生事故之后，现已观察到高浓度的放射性核素通过地下水渗入海洋。为了防止放射性核素进一步渗透到地下水中，决定用几米深的冰壁限制汽机和反应堆周围的区域。隔离墙的目的是限制地下水流入放射性区域，以及限制地下水从同一区域逸出，因为其不可避免地被放射性核素污染。因此，垂直冷却装置应位于核电站周围，如下图所示。

福岛核电厂周边的冷却装置布置图

该地区的地质调查使得确定地面的理化性质和地下水替换的速度成为可能（请参阅以下部分）。

福岛附近地面的地质部分

防水岩石层标记为绿色。
发生地下水运动的垃圾填埋场标记为黄色。
R / B和T / B分别是反应堆和汽机建筑物。
水流由蓝色箭头标记。
可以使用Frost 3D专用软件对指定区域中的人工地面冻结进行计算机模拟，以测试建议的设计解决方案，并根据导出的数据确认或拒绝其可行性。
对于根据该区域的几何尺寸以及地面地质和岩性结构的计算机模拟，引入了以下计算域尺寸：长度450 m，宽度210 m，高度30 m。
根据从测试井中获得的信息，将所考虑区域内地面的地质和岩性结构输入到模型。
创建3D几何模型时，考虑了反应堆和汽机的基础。
反应堆和汽机的底座大约10 m深，出于热分析目的，假定它们的温度与建筑物内部的温度相对应。

Frost 3D软件中反应堆和汽机基础的布局

根据初步估算，对于该项目的地面冻结要求，大约需要30 km的垂直冷却装置，每个长度为30 m，间离为1 m，因此将需要在核电站周围安装总共1,073个设备。为冷却提供动力，需要14台容量为400 kW的冷却单元。
因此，在Frost 3D软件包中，根据地面的地质和岩性结构，反应堆，汽机和其他构造的地基和地下室的布置，以及Frost 3D软件包，创建了福岛核电站的3D几何模型。垂直冷却装置的布置（请参见下图）。

Frost 3D中的地面和冷却设备的3D模型

Frost 3D：福岛核电站基础设施的3D几何模型

进行热分析时，应用了以下土壤热物理特性：
表1-福岛核电站周围地形的土壤热物理性质

地质调查数据表明，填埋层的过滤量约为每天0.1 m，而岩石层的过滤量则较低。
在计算域的表面上指定了温度随时间的变化。在这里，我们使用平均最高温度来模拟地面冻结的最坏气候情况。

在Frost 3D中指定温度与时间的关系

在计算域的下边界和侧边界指定了零热通量。模拟区域的边界距离感兴趣区域足够远，以免在所考虑的时间段内干扰热过程的计算。
在模拟热场时，使用包含17,828,087个节点的六面体网格离散了模拟区域的3D几何形状。

使用Frost 3D创建的六面体计算网格

从2014年9月1日开始，仿真期为2年。
Frost 3D软件包在使用Intel Core i7 3770 CPU（以3.4 GHz和16 GB RAM运行）的PC上执行整个计算所需的时间为3小时，而在Nvidia Tesla K20c上则不到6分钟。
以下是在不同时间点所考虑区域中温度分布的模拟结果。

2014年12月1日-冷却装置运行3个月后的温度分布

2016年9月1日-冷却装置运行2年后的温度分布

为了更详细地显示仿真结果，我们考虑了仿真区域受限区域中的温度分布，在下图中用红色矩形标记。

计算域面积（红色），用于进一步分析热场和未冻结的水分布

2014年9月2日-冷却装置运行1天后的温度分布

2014年12月10日-冷却装置运行2个月后的温度分布

2014年10月1日-XZ平面中的温度分布

2014年10月1日-YZ平面中的温度分布

2014年12月10日-XZ平面中的温度分布

2014年12月10日-YZ平面中的温度分布
考虑到地面孔隙中冻结水量的分布时，冻结前沿更清晰可见。

XZ平面中的冻结水分布（2014年12月10日）；未冷冻的水含量标记为蓝色

YZ平面中的冷冻水分布（2014年12月10日）；未冷冻的水含量标记为蓝色

半年后各部分中的冷冻水分配情况表明，冷却装置附近地面完全冻结。
在此之后，冷却设备不再需要在最大功率模式下进一步运行，并且可以将冷却元件切换到温度保持模式。
此外，下面显示的半年运行后的冷冻水量分布表明，进一步冷却不会显着影响冷冻前沿的增长：

2016年8月31日-冷却装置运行2年后的温度分布

总之，现代计算机技术使对福岛核电站周围的温度分布和未冻结的水分含量的预测成为可能。这为核实福岛核电站周边冰墙建设设计方案的充分性提供了关键的机会。