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对于在福岛核电站四周进行土地冻结来阻止放射性核元素通过地下水扩散的模拟

随着福岛核电站失事以后,有观察显示,大量的放射性核泄露物质通过地下水流入了海洋中。为了预防未来可能的地下水核泄漏,涡轮机和反应堆附近的区域被几米深的冰墙给分隔开了。这堵冰墙的目的是为了限制地下水流入以及流出这片放射性区域。为达到这个目的,垂直冷却设备应安置在核电站周边,如下图所示。

 

在福岛核电站周围的垂直冷却设备规划

在福岛核电站周边的冷却设备安置计划

 

这片区域的地质勘探使得获悉土地的物理化学性质以及地下水位移速度成为了可能(见下图)。

 

在福岛核电站附近地层布置冷却设备计划的地质截面

福岛核电站周围的土地地质切面

 

防水岩石层在图中被标为绿色。

填埋区,在这里有地下水的流动,被标为黄色。

R/B和T/B指的分别是反应堆和涡轮机建筑。

水流被标为蓝色箭头。

 

使用 Frost3D 专业软件特定区域的人工土地冻结的计算机模拟可以被用于测试提出的设计方案,以及在导出数据的基础上确认或否定他们的可行性。

 

对于基于研究区域的几何尺寸以及土地的岩土工程结构的计算机仿真,以下的计算域尺寸被设计好了:长度-450m,宽度-210m,高度-30m。

 

在研究区域的土地的岩土工程结构的重现是基于工程学和地质学钻井得来的数据。

 

当创立3D几何模型时,反应堆和涡轮机的地基和基脚被考虑进去了。

 

反应堆和涡轮机的基脚位于大约深10m的地方,且为了热工程计算的目的,它们的温度被假设为与建筑物内部的温度是一致的。

 

在Frost 3D 软件中反应堆和涡轮发动机的地基和底脚的布局

反应堆和涡轮机的地基和基脚在Frost3D软件环境下的布局

 

根据初步估计,大约总长为30km,每根的长度是30m的垂直冷冻管,需要被安置以满足这个项目的土地冷冻需求。每根冷冻管之间相隔1m;总数为1,073根的冷冻管将需要安插在核电站周围。为了满足冷却所需的功率,14个功率为400kW的冷却设备是必须的。

 

因此,基于土地的岩土工程结构,基于反应堆,涡轮机和其他建筑的地基和基脚布置,以及基于垂直冷冻管的布局,一个福岛核电站的3D几何模型在Frost 3D软件环境中就能够被建立。

 

在Frost 3D中地层和冷却设备安装的3D模型

土地和冷却设备安装在由Simmakers制作的Frost 3D软件中的3D模型

 

在Frost 3D中福岛核电站基础设施的3D模型

福岛核电站基础设施在Frost 3D中的3D模型

 

在执行热工程学计算时,应用了以下关于土地的热物理性质:

 

表1-福岛核电站周围土地的热物理性质

 

地面在解凍狀態下的熱傳導性
[Wtm*K]

土地在融化状态下的导热系数
[Wtm*K]

土地在冻结状态下的导热系数
[MJ/m3*К]

冻结土地的热容量
[MJ/m3*К]

土地填埋

2.20

3.40

2.78

2.03

岩石

2.00

2.16

2.40

1.95

 

地质勘探数据显示在土地填埋区的水滤过速度大概是0.1m/天,在岩石层的滤过速度则要低一些。

 

温度随时间的变化在计算域的表面被定义了。这里我们使用的是最高温度的平均值来模拟土地冻结时可能发生的最坏的可能气候条件。

 

在Frost 3D中温度与时间的相关性的图表

温度与时间相关性在Frost 3D中的详细数据

 

在计算域的下边界和侧边界设定了零热流。模拟区域的边界被放置在离研究区域足够远的地方,这样在研究的时间段中才不会影响到热过程的计算。

 

在模拟热血场的过程中,仿真区域的3D几何模型被离散化成含有17,828,087个节点的六面体计算网格。

 

Frost 3D建立的计算网格

Frost 3D创立的六面体计算网格

 

仿真的时间段是2年,从2014年1月9号开始算起。

 

Frost 3D软件在计算机上完成整个计算所花费的时间为3小时,这台计算机的配置为主频为3.4GHz的Intel Core i7 3770 CPU以及16GB的内存。

 

以下是研究区域在不同时刻的温度分布的仿真结果。

 

在冷却设备工作3个月后的温度分布的模拟结果

2014年1月12号-在冷却设备运转了3个月以后的温度分布

 

在冷却设备工作2年后的温度分布的模拟结果

2016年1月9号-在冷却设备运转了2年以后的温度分布

 

为了让仿真结果更加细节的可视化,我们研究了仿真区域内的一块特定区域的温度分布,在下图中以红框标出。

 

热学域和解冻水分布的深层分析计算域的部分区域

计算域为了进一步分析热学场和解冻水分布区域(在红色区域)

 

在冷却设备工作1天后的指定区域的温度分布

2014年2月9号-冷却设备运转1天以后的温度分布

 

在冷却设备工作2个月后的指定区域的温度分布

2014年10月12号-冷却设备运转2个月后的温度分布

 
 

2014年10月1号在yz平面上的可视化温度分布图

2014年12月10号在xz平面上的温度分布平面图

YZ平面到2014年10月12号的温度分布图

YZ平面到2014年1月10号的温度分布图

 

当考虑到冷冻水量在地下孔中的分布时冷冻锋面能够看的更清楚。

 
 

2014年12月10号在xz平面上的可视化冻结水分布

2014年12月10号在yz平面上的可视化冻结水分布

冷冻水量到2014年10月12号在XZ平面的分布图;未冷冻的水汽被标为蓝色。

冷冻水量到2014年10月12号在YZ平面的分布图;未冷冻的水汽被标为蓝色。

 

冷冻水量在半年以后的分布图显示在冷却设备附近土地被完全冻结了。

 

在此以后,冷却设备不必再在最大功率下运转,然后冷却设备可以换到保温模式。

 

此外,冷冻水量在半年以后的分布图如下图所示,表明了其后的冷却并不会对冷冻锋面的增长造成很大影响:

 

2016年8月31号在冷却设备工作2年后的可视化温度分布

2016年8月31号-冷却设备运转2年以后的温度分布图

 

总之,现代电脑技术能够对温度分布和福岛核电站周围的解冻水量进行预测。这提供了一个重要的机会去证实在福岛核电站周围建立冰墙的妥善性。

 

項目舉例:

 

FROST 3D

土地冻结计算的软件包:

 

  • 在水坝,水力发电厂,泵站,污泥存放处的施工中
  • 为了预防水带来的负面冲击

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從一開始,專家的團隊Simmakers有限公司表現出了高度的敬業精神所開展的問題訂立合同前詳細的初步研究;我們非常欣賞這種做法。

D.G. Dolgikh
副行政總裁
Fundamentstroyarkos RPA Ltd, 俄國

 

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