堆内捕集器对压力容器中子辐照影响分析

严重事故下为实现堆内熔融物滞留,可采用堆内捕集器(IVCC)的策略。捕集器属压力容器的一部分,属不可更换设备,需长期在堆内受中子辐照。本文通过对典型压水堆压力容器模型和带IVCC的压力容器模型的比较,发现IVCC不会改变压力容器内快中子通量,不会对压力容器的辐照造成影响。且IVCC使得压力容器的热中子通量明显减小,降低了压力容器的整体辐照水平。这说明IVCC对压力容器的辐照性能不会产生不利影响,反而有助于防止压力容器的老化。     

先进压水堆熔融物堆内滞留参数不确定分析研究

压水堆核电厂在严重事故下将发生堆芯熔化事故而形成熔融池。形成熔融池的过程具有很大的不确定性,这影响到反应堆压力容器熔融物堆内滞留（IVR）策略的有效性。本工作以AP1000核电厂两层IVR模型为研究对象,对成功实施反应堆压力容器外部冷却（ERVC）的假想严重事故进行了熔融池参数不确定性分析,包括参数的敏感性分析和使用拉丁超立方抽样的概率分析。结果表明：衰变功率对IVR评价参数影响最大,应采取措施（如上堆腔注水）尽量延缓堆芯熔化的时间;熔融物中不锈钢的质量将对金属层参数造成较大影响,可考虑在压力容器内布置牺牲性材料来减小金属层的集热效应;氧化物层外压力容器失效的概率仅为1.2%,但金属层外压力容器失效的概率高达20%。本结果对今后IVR策略研究和设计具有一定的指导意义,同时也为压水堆核电厂安全评审提供理论支持。     

反应堆压力容器外水冷条件下贯穿件完整性分析

严重事敝下堆芯熔融物坍塌到反应堆压力容器(RPV)下封头时,可能造成贯穿件因高温熔融物热侵袭而失效,使压力容器丧失完整性,熔融物进入到反应堆堆腔中,导致熔融物堆内滞留(IVR)失效.在分析贯穿件脱落和熔融物流入贯穿件两种失效模式基础上,分别运用VTA程序和修正的整体凝固模型(MBF)计算贯穿件焊缝的熔化程度、热膨胀产生的摩擦力,估算贯穿件内熔融物流动的距离.结果表明,在成功实施反应堆压力容器外水冷(EVVC)措施条件下,300 MW压水堆核电厂压力容器的下封头不会因贯穿件失效而丧失完整性,堆芯熔融物小能通过贯穿件失效向堆腔迁移.     

华龙一号反应堆堆腔注水冷却系统设计与安全特性研究

华龙一号反应堆采用堆腔注水冷却系统作为严重亊故的关键缓解措施,通过压力容器外部冷却实现熔融物压力容器内滞留(IVR)。针对系统的安全特性开展了深入的研究论证,包括严重亊故序列分析、熔融物失效迁移行为研究、临界热流密度(CHF)试验以及基于CISER程序的热工有效性论证。结果表明,华龙一号堆腔注水冷却系统(CIS)具有足够安全裕量,在严重亊故下可保证压力容器的完整性。     

大型先进压水堆熔融物堆内滞留初步研究

参考国外熔融物堆内滞留(IVR)稳态包络工况计算编写相关程序,并与ERI、DOE及INEEL的结果进行比较,对程序进行验证。通过对大型先进压水堆熔池参数和不确定性分析可知,如果使用ULPU-2000台架Ⅳ的流道设计,压水堆发生超CHF事故的可能性小于7%,但压力容器壁厚最大熔化量超过15 cm的可能性很大,如果没有其他缓解措施,建议将大型先进压水堆压力容器厚度增加至20 cm以上。热流分配是影响熔池行为的主要因素,建议采取措施调整熔融池热流分配,以缓解氧化物层和金属层交界面处的传热危机。     

大功率先进压水堆IVR有效性评价分析

熔融物堆内滞留-压力容器外部冷却(IVR-ERVC)是核电厂重要的严重事故预防和缓解措施。目前IVR有效性的评价方法主要基于集总参数模型对下封头熔池的换热分析。通过计算大功率压水堆在典型严重事故序列中的堆芯熔化过程并参考相关法规,确定IVR-ERVC评价所需的输入参数概率密度函数,然后使用集总参数程序抽样计算以评价大功率堆IVR-ERVC有效性。结果表明:根据目前参数设计,大功率先进压水堆的IVR-ERVC有效性超过98%;最后分析各种不确定参数对IVR-ERVC有效性的影响程度并对堆内构件的设计提出建议。     

大功率先进压水堆IVR有效性评价中熔池换热研究

熔融物堆内滞留-压力容器外部冷却（IVR-ERVC）是一种重要的核电厂严重事故缓解措施。当前针对IVR有效性评价的方法主要是基于集总参数模型对下封头熔池换热进行分析。在大功率先进压水堆熔池集总参数法计算中,堆芯重量变大、压力容器尺寸增加会导致熔池自然对流换热中的瑞利数Ra ′增大。通过使用集总参数分析程序,对比研究熔池氧化层各换热模型的适用范围,计算大功率先进压水堆高瑞利数条件下稳态熔池的自然对流换热,模拟两层稳态熔池模型中压力容器外壁面的热流密度分布,对其进行选定严重事故序列下的IVR-ERVC有效性评价,并对堆内构件设计提出建议。     

先进PWR堆腔淹没情况下的自然循环研究

在先进压水堆核电厂中,堆腔注水是重要的严重事故管理措施之一。采用RELAP5程序对堆腔淹没情况下反应堆压力容器(RPV)外壁与保温层间隙内的自然循环进行研究。通过对韩国APR1400堆腔注水系统实验的模拟,证明RELAP5程序模拟此类自然循环的适用性。对美国AP1000堆腔自然循环的分析表明,保温层间隙内建立的自然循环有足够的热量排出能力,可以有效防止RPV下封头的热失效。敏感性分析结果表明,冷却水入口面积越大,自然循环的流量越大;为了使产生的蒸汽顺利排出以建立稳定的自然循环,汽-水出口面积应足够大,且汽-水出口应布置在不会被堆腔水淹没的位置;在堆腔注水措施的实施中,应保证堆腔被淹没到足够高的位置以提供足够的循环静压驱动力。     

DVI管线破裂始发严重事故的IVR分析

本文选取了直接注入管线破裂始发的严重事故,分析堆芯熔融物压力容器内保持（IVR）策略实施以后压力容器下腔室内堆芯碎片和压力容器下封头的响应、堆芯碎片与压力容器壁面的传热、压力容器外壁面与堆腔水之间的传热以及压力容器不同区域的热流密度。研究表明,该事故序列下未发生下封头蠕变失效,区域4有最早发生蠕变失效的可能性。     

基于OpenFOAM的熔融池自然对流传热与凝固数值研究

熔融物堆内滞留是第3代核电技术重要的严重事故缓解措施之一,堆芯熔融池在压力容器下封头壁面的热流密度分布直接影响该策略的有效性。本文基于开源的数值计算流体力学软件平台OpenFOAM,应用相变模型和浮升力模型二次开发了用于模拟堆芯熔融物由内热源或温差驱动的自然对流传热与相变求解器。应用该求解器模拟了瑞典皇家理工学院开展的二维氧化池与金属层耦合传热试验,获得了氧化池和金属层硬壳的相场,以及熔融池内的温度分布及沿容器壁面的热流密度分布。计算结果表明,该模型可用于熔融物凝固与自然对流的模拟,为深入分析核电厂采用熔融物堆内滞留措施后熔融池的行为奠定了基础。     

增强IVR有效性的堆内注水策略研究

熔融物堆内滞留（IVR）是一项核电厂重要的严重事故管理措施,通过将熔融物滞留在压力容器内,以保证压力容器完整性,并防止某些可能危及安全壳完整性的堆外现象。对于高功率和熔池中金属量相对不足的反应堆,若下封头形成3层熔池结构,则其顶部薄金属层导致的聚焦效应可能对压力容器完整性带来更大的威胁。本文考虑通过破口倒灌及其他工程措施实现严重事故下熔池顶部水冷却,建立熔池传热模型,分析顶部注水的带热能力,建立事件树,分析顶部注水措施的成功概率及IVR的有效性。结果表明,通过压力容器内外同时水冷熔融物,能显著增强IVR措施的有效性。     

IVR中熔融堆芯被牺牲性材料稀释后的传热计算

应用牺牲性材料的堆芯熔融物稀释方案是先进轻水堆中一种新型的严重事故缓解措施。严重事故发生时,掉落的堆芯熔融物被氧化物牺牲性材料（OSM）稀释,导致熔池结构发生翻转,因此计算翻转后熔融池的传热行为是进行牺牲性材料筛选和评价稀释方案可行性的重要研究内容。本文计算了容器内滞留（IVR）中熔融堆芯被Fe₃O₄、TiO₂和Al₂O₃3种候选OSM稀释后压力容器壁面的热流密度分布。研究发现,布置OSM后,上腔室结构在强烈热辐射的作用下会熔化掉落。随着OSM布置量的增大,压力容器壁面最大热流密度减小,当布置15 m³的OSM时,压力容器伸长约2 m,此时壁面最大热流密度较未布置时减小约45%,且当布置相同体积的OSM时,Fe₃O₄导致的壁面最大热流密度减小最多。此外,UO₂-ZrO₂-OSM三元混合物的熔点高低会对氧化物层表面是否结壳产生影响,从而影响壁面最大热流密度。     

压水堆严重事故下封头热斑计算

压水堆堆芯熔化事故情况下,下封头热斑会造成压力容器局部过热,导致临界热流密度发生。利用FLUENT软件对堆芯熔化事故时的下封头热斑进行计算,从流动和换热角度预测热斑导致的下封头薄弱环节。计算结果表明:堆芯熔化事故时,压力容器下封头存在两处最薄弱的位置,分别为下封头正下方正对外部冷却水位置和氧化壳与压力容器交界处。特别是在氧化壳与压力容器交界处,由于多种原因导致临界热流密度发生,使得该处熔化严重。通过设置延伸小管和附加冷却水可延迟压力容器壁面熔穿的时间。     

椭球形与球形下封头压力容器内熔融物滞留传热特性分析

严重事故下堆芯熔融物再分布于压力容器下封头，在衰变热作用下高温堆芯熔融物对压力容器壁面施加较大的热负荷，可能导致压力容器失效。针对压力容器内熔融物滞留下的传热过程，基于Fortran90语言开发了椭球形下封头压力容器内熔融物堆内滞留（IVR）分析程序IVRASA-ELLIP，计算具有椭球形下封头的压力容器在严重事故下稳态熔池的传热过程及IVR特性。利用IVRASA-ELLIP程序计算了VVER-1000压力容器内熔池的传热，分析具有椭球形下封头的压力容器各处的壁面热流密度、氧化物硬壳厚度和压力容器壁厚，并与运用IVRASA程序计算的AP1000稳态熔池传热结果进行对比分析。研究结果表明，在相同初始参数下椭球形下封头内的壁面热流密度较球形下封头内的小，与热流密度的变化趋势相对应，椭球形下封头内压力容器壁的消融量较球形下封头内的小，椭球形下封头内形成的氧化物硬壳厚度较球形下封头内的厚。     

Characterization of heat transfer processes in a melt pool convection and vessel-creep experiment

The results of an integral experiment on melt pool convection and vessel-creep deformation are presented and analyzed. The experiment is performed on a test facility, named Failure Of REactor VEssel Retention (FOREVER). The facility employs a 1/10-scaled 15Mo3-(German)-steel vessel of 400-mm diameter, 15-mm wall thickness and 750-mm height. A high-temperature (1300 °C) oxide melt is prepared in a SiC-crucible placed in a 50 kW induction furnace and is, then, poured into the 1/10th scale vessel. A MoSi₂ 50 kW electric heater is employed in the melt pool to heat and maintain its temperature at 1200 °C. The vessel is pressurized with argon at the desired pressure. In the FOREVER/C1 experiment, the vessel wall, maintained at about 900 °C and pressurized to 26 bars, was subjected to creep deformation in a 24-h non-stop test. The FOREVER/C1 test is the first integral experiment, in which a decay-heated oxidic naturally-convecting melt pool was maintained in long-term contact with the hemispherical lower head of a pressurized, creeping, steel vessel. A sizeable database was obtained on melt pool temperatures, melt pool energy split, heat transfer rates, heat flux distribution on the melt (crust)–vessel contact surface, vessel temperatures and, in particular the vessel wall creep rate as a function of time. The paper provides information on the FOREVER/C1 measured thermal characteristics and analysis of the observed thermal behavior. The coupled nature of thermal and mechanical processes, as well as the effect of other system conditions (such as depressurization) on the melt pool and vessel temperature responses are analyzed.     

Simulant melt experiments on performance of the in-vessel core catcher

In order to enhance the feasibility of in-vessel retention (IVR) of molten core material during a severe accident for high-power reactors, an in-vessel core catcher (IVCC) was designed and evaluated as part of a joint United States-Korean International Nuclear Energy Research Initiative (INERI). The proposed IVCC is expected to increase the thermal margin for success of IVR by providing an “engineered gap” for heat transfer from materials that relocate during a severe accident and potentially serving as a sacrificial material under a severe accident. In this study, LAVA-GAP experiments were performed to investigate the thermal and mechanical performance of the IVCC using the alumina melt as simulant. The LAVA-GAP experiments aim to examine the feasibility and sustainability of the IVCC under the various test conditions using 1/8th scale hemispherical test sections. As a feasibility test of the proposed IVCC in this INERI project, the effects of IVCC base steel materials, internal coating materials, and gap size between the IVCC and the vessel lower head were examined. The test results indicated that the internally coated IVCC has high thermal performance compared with the uncoated IVCC. In terms of integrity of the base steel, carbon steel is superior to stainless steel and the effect of bond coat is found to be trivial for the tests performed in this study. The thermal load is mitigated via boiling heat removal in the gap between the IVCC and the vessel lower head. The current test results imply that gaps less than 10 mm are not enough to guarantee effective cooling induced by water ingression and steam venting there through. Selection of endurable material and pertinent gap size is needed to implement the proposed IVCC concept into advanced reactor designs.     

熔融物压力容器内滞留瞬态传热特性分析

基于SCDAP/RELAP5程序建立了用于熔融物压力容器内滞留（IVR）瞬态分析的系统简化模型,通过对模块式小型堆IVR过程的瞬态计算与分析,初步探索了IVR策略实施过程中压力容器下封头的瞬态热负荷特性。SCDAP/RELAP5程序的计算结果表明,利用外部冷却实施IVR策略的瞬态传热特性可分为熔融物注入之初的激烈传热阶段和熔融物硬壳形成之后的准稳态传热阶段。模块式小型堆的IVR瞬态分析表明,瞬态过程中的热流密度峰值不会达到临界热流密度,最终形成的稳定熔融池传热具有很大的安全裕量。研究同时发现SCDAP/RELAP5程序用于IVR分析时在模型上存在一定的不足。     

严重事故下反应堆压力容器下封头耦合烧蚀传热分析

核电站严重事故发生后，反应堆压力容器（RPV）固壁在熔池作用下会发生烧蚀、减薄。开展RPV下封头耦合烧蚀传热分析对堆坑注水有效性论证和RPV剩余壁厚确认有重要的理论指导意义。本文以CPR1000反应堆压力容器为研究对象，在FLUENT 17.2平台下，基于动态网格方法和UDF二次开发，构建了综合考虑RPV固壁瞬态烧蚀与导热、RPV内壁热流密度再分布及RPV外壁过冷沸腾的全耦合计算模型，获取了9 000 s内的堆坑两相流场分布和RPV固壁烧蚀温度场，分析确定了最小剩余壁厚和发生位置。结果表明：使用动态网格捕捉壁面烧蚀的方法可行，本文全耦合计算模型在分析RPV固壁瞬态烧蚀过程方面有一定优势。