PHEBUS FPT0～FPT2实验堆芯降级过程数值模拟

严重事故下,由于堆芯冷却剂丧失引起的堆芯裸露、过热和熔化过程对后期安全壳完整性、裂变产物行为等具有重要影响。法国辐射防护与核安全研究所主导的PHEBUS-FP研究项目旨在研究轻水堆严重事故下堆芯降级过程以及裂变产物行为。本文使用ATHLET-CD程序对PHEBUS-FP中的FPT0、FPT1和FPT2进行建模计算,主要分析堆芯过热,包壳氧化,堆内材料熔化、迁移及再定位过程。计算结果表明:不同蒸汽流量、不同加热功率将导致不同堆芯降级进程,在趋势上计算值与实验值吻合;模型的限制导致了部分计算值的偏差,本文讨论了包壳氧化与燃料再定位现象中的模型参数。     

严重事故条件下堆芯升温模拟

使用FLUENT计算流体程序数值模拟了AP1000在严重事故条件下的堆芯升温过程,目的是对堆芯裸露后并在其显著熔化前对堆芯升温的均匀程度进行比一体化事故程序MAAP更为详尽的研究,进行围筒和吊篮温度分析,同时评估MAAP程序堆芯升温计算结果。分析结果表明：在堆芯显著熔化时刻,堆芯围筒和吊篮已熔化,因此熔融堆芯将从侧面迁移进入下封头,同时对比证明MAAP程序关于堆芯升温的计算结果也是可接受的。     

VVER堆芯捕集器换热特性数值模拟研究

核电厂发生堆芯熔毁严重事故后,堆芯熔融物可能熔穿反应堆压力容器壁面造成第二道屏障失效,此时可通过堆芯捕集器收集并冷却熔融物以防止事故进一步发展。为了探讨俄罗斯VVER(Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor)采用的坩埚式堆芯捕集器中熔融物的冷却过程,本文根据VVER堆芯捕集器设计资料推导参数,采用多物理场耦合软件COMSOL建立相应的计算模型,对堆芯捕集器中熔融池的流场、温度场和结壳情况进行了数值模拟研究。计算结果表明：在分层熔融池结构下,金属层会迅速凝固,含衰变热的氧化物层冷却十分缓慢。为了实现坩埚式堆芯捕集器设计功能,需要相关设备和支持辅助系统在很长时间内保持可运行性。     

应用MECLOR对严重事故实验Phebus FPT3的模拟分析

使用MECLOR1-8.6程序对严重事故实验Phebus FPT3进行了模拟分析。通过建模计算,得到了严重事故过程中燃料棒的行为,氢气的产生,裂变产物的释放、迁移和沉降及安全壳的热工水力响应等相关数据。计算值与实验值的对比分析表明,燃料棒的行为、氢气产生的时间和趋势及安全壳的热工水力响应与实验值吻合良好。由于相应程序模型的限制,最终产氢的总量及裂变产物相关的计算值与实验值有所不同。其中,计算的氢气总量较实验值偏小,计算的裂变产物释放量和在安全壳中的沉降量大多较实验值稍高。此外,还利用快速傅里叶变换方法（FFTBM）对整个建模计算进行了详细的定量化评估。     

严重事故中碎片床形成过程的数值模拟

采用改进的离散要素法(DEM)对严重事故中碎片床的形成过程进行二维数值模拟。针对传统的DEM模型中计算系数选取困难的问题,围绕时间步长对计算参数重新进行推导和组合,改进后的DEM能大大提高应用的效率。通过与一系列的实验在颗粒扩散角度、颗粒下落时间、形成碎片床的形状方面的系统对比,验证了模拟程序的有效性。     

压水堆堆芯熔融物的运动及传热数值分析

针对HPR1000堆型堆芯熔融坍塌问题建立了精确的三维堆芯模型,使用时间推进方法通过求解熔融物的瞬态运动、传热微分方程,确定熔融物在堆芯中的瞬态位置和瞬时温度,以模拟堆芯升温及堆芯熔融进程.研究结果表明:停堆后约2400s开始出现熔融现象,熔融物在堆芯活性区域内下落且发生多重相变过程;在4900s后,熔融物在堆芯底部形...     

反应堆内熔融物冷却的三维数值模拟研究

目前国际上普遍采用堆芯熔融物压力容器内滞留（IVR）策略来缓解严重事故后果。本文基于日本应用能源研究所开发的核电厂事故分析程序SAMPSON,对其压力容器内熔融物冷却分析（DCA）模块进行改进,增加了熔池内金属和氧化物分层模型,开发了熔融物三维直角坐标网格与压力容器三维曲面坐标的交界面几何参数前处理程序,改进了压力容器外冷却的传热关系式。通过AP1000核电机组严重事故下的IVR对改进后的程序进行分析验证,并与实验结果进行对比。结果表明,改进后的SAMPSON程序可对核电厂严重事故下下封头内的熔融物冷却滞留开展有效的模拟分析。     

LOCA事故后堆芯瞬态传热及熔融过程数值研究

获取某压水堆核电厂相关参数,建立堆芯及维护结构三维模型,采用大空间自然对流换热和相邻八棒辐射换热模型,求解二维瞬态导热微分方程,计算事故发生后堆芯温度发展及熔融过程。研究表明:随着事故进程的发展,堆芯水位降低,堆芯温度升高,堆芯最高温度点逐渐下移。在事故进程560 s后,控制棒开始熔融;1200 s后,不锈钢棒开始熔融;燃料芯块在2700 s后开始熔融,7000 s后,堆芯熔融份额超50%。大部分堆芯节点熔融时,围桶结构仍未熔融。熔融物直接掉落,向下封头内发生初始迁移。蒸汽对流换热和辐射换热均能影响燃料棒熔融时刻,且蒸汽对流换热占主导地位,蒸汽的影响不能被忽略。辐射换热具有展平堆芯温度的作用。     

压水堆堆芯熔融物的运动及传热数值分析

针对HPR1000堆型堆芯熔融坍塌问题建立了精确的三维堆芯模型,使用时间推进方法通过求解熔融物的瞬态运动、传热微分方程,确定熔融物在堆芯中的瞬态位置和瞬时温度,以模拟堆芯升温及堆芯熔融进程。研究结果表明:停堆后约2 400 s开始出现熔融现象,熔融物在堆芯活性区域内下落且发生多重相变过程;在4 900 s后,熔融物在堆芯底部形成约1.5 m高的稳定熔池;由于外围组件与低温围栏装置换热,最外围的组件不会发生熔融。本文建立的堆芯熔融物运动与传热分析模型及相关计算结果,可为事故缓解和处理提供技术参考。     

堆芯熔融物对压力容器壁面烧蚀过程的数值模拟

研究堆芯熔融物对压力容器壁面的动态烧蚀,对于反应堆冷却剂严重丧失事故(Loss of coolant accident, LOCA)后果的预测以及缓解方案的设计具有重要意义。本文以AP600为研究对象,在假设冷却剂全部丧失事故工况下,采用堆芯熔融物两层结构模型,计算熔池对壁面的加热;建立压力容器壁面的非稳态二维传热模型,并考虑安全壳水池对压力容器外侧的冷却,采用移动边界模型模拟烧蚀引起壁面局部厚度变薄;计算了堆芯熔融物坍塌后15000s范围内,压力容器下封头壁面温度和厚度的变化。     

中国百万千瓦级核电站严重事故下堆芯损伤评价

应用一体化严重事故分析程序MELCOR1.8.5进行模拟分析,研究了由西屋公司制定、经美国NRC（NuclearRegulatoryCommission）认证的“堆芯损伤评价导则（CDAG）”应用于中国百万千瓦级核电站在严重事故初期评价堆芯损伤状态和程度的有效性。初步分析结果表明,CDAG可较好地评价百万千瓦级核电站无缓解措施的冷却剂丧失事故（LOCA）堆芯损伤状况和损伤程度,对进一步研究和验证CDAG的综合评价能力和适用性、推进现有核电厂建立严重事故管理导则具有重要的参考价值。     

严重事故下大功率先进压水堆IVR-ERVC有效性分析

通过压力容器外部冷却(ERVC)以实现堆内熔融物滞留(IVR)作为反应堆严重事故缓解管理的一项重要举措一直以来广泛受到关注和研究。本文使用严重事故分析程序MELCOR,从瞬态角度对大型先进压水堆进行了IVR-ERVC相关研究。过程中重点关注了堆芯熔毁和重新定位,熔池形成、生长及其传热过程,并且对压力容器外部流动传热进行了分析。MELCOR计算所得下封头热流密度分布的瞬态结果与临界热流密度(CHF)比较和分析表明,1700 MWe大功率压水堆发生严重事故后在IVRERVC条件下能够保证压力容器的完整性,即,IVR-ERVC能够有效带出下封头熔融物的衰变热量,缓解严重事故后果。     

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。     

压水堆核电厂严重事故卸压阀能力评估

在百万千瓦级压水堆核电厂中为防止高压熔堆严重事故发生时发生高压熔喷(HPME)和安全壳直接加热(DCH),参考EPR堆型在稳压器上额外设置严重事故卸压阀(SADV),对主系统进行快速卸压。建立百万千瓦级压水堆核电厂事故分析模型,选取丧失厂外电叠加汽动辅助给水泵失效,一回路管道小破口以及丧失主给水三条典型严重事故序列,进行系统热工水力及卸压能力分析。计算结果表明:如果不开启严重事故卸压阀,三条事故序列在压力容器下封头失效时一回路压力均较高,有发生高压熔喷和安全壳直接加热的风险。根据严重事故管理导则开启严重事故卸压阀,可以有效降低一回路压力,三条事故序列均可以防止高压熔喷和安全壳直接加热发生。针对卸压阀阀门面积的影响进行分析,表明阀门面积减小到4.8×10-3 m2后下封头失效时RCS压力会有所增加,仍然能够满足RCS的卸压要求,且可延迟下封头失效时间。     

秦山一厂严重事故管理导则典型事故缓解对策有效性验证

在日本福岛核事故后,国家核安全局要求核电运营单位提升应对严重事故的能力。按照国家核安全局要求,秦山一厂开发了严重事故管理导则。应用MELCOR程序建立了秦山一厂严重事故分析模型,模拟典型严重事故序列,根据严重事故管理导则的缓解对策,分析实施事故缓解对策对核电厂主要参数的影响,从而验证事故缓解对策的有效性。分析结果表明:在严重事故情况下,按照严重事故管理导则实施缓解对策,可有效地延缓或终止堆芯损坏的过程。     

EPR堆芯严重事故下安全壳内的辐射屏蔽计算

MCNP程序可以从粒子输运、扩散方程的角度来模拟计算堆芯在严重事故下安全壳内的辐射剂量水平。文章以EPR堆芯为例,采用MCNP 5程序及其核数据库CCC-710建立了精确的三维蒙特卡罗模型,在此基础上对EPR严重事故下安全壳内的辐射剂量率进行了计算分析,为判断堆芯情况和制定应急防护行动提供了数据参考。     

严重事故条件下安全壳响应模拟研究

压水堆核电厂发生严重事故期间,从主系统释放的蒸汽、氢气以及下封头失效后进入安全壳的堆芯熔融物均对安全壳的完整性构成威胁。以国内典型二代加压水堆为研究对象,采用MAAP程序进行安全壳响应分析。选取了两种典型的严重事故序列：热管段中破口叠加设备冷却水失效和再循环高压安注失效,堆芯因冷却不足升温熔化导致压力容器失效,熔融物与混凝土发生反应（MCCI）,安全壳超压失效;冷管段大破口叠加再循环失效,安全壳内蒸汽不断聚集,发生超压失效。通过对两种事故工况的分析,证实了再循环高压安注、安全壳喷淋这两种缓解措施对保证安全壳完整性的重要作用。     

蒸汽发生器完全丧失给水引发的压水堆严重事故研究

采用严重事故最佳估算程序SCDAP/RELAP5/MOD3.4,建立了美国Surry核电站的详细计算模型,对完全丧失给水(TLFW)引发的堆芯熔化事故进行了研究分析.为准确预测压力容器内堆芯熔化的进程,给二级PSA提供可信的初始条件,计算中考虑了一回路压力边界的蠕变破裂失效,并评价了人为干预对堆芯熔化进程及事故后果的影响.     

严重事故下气溶胶再悬浮的ECART模型分析

利用中国原子能科学研究院开发的CABSA程序气溶胶再悬浮模块中的ECART模型,对STORM项目的SR11试验进行计算,分析了核电厂严重事故下的气溶胶再悬浮特性。结果表明:气溶胶所受各种力均随直径的增大而增大,其中使气溶胶悬浮的拖曳力和爆发力比使气溶胶附着在结构表面的黏着力和重力增长更快;直径大的气溶胶悬浮率更大;结构表面流体速度能够影响拖曳力和爆发力,速度增大会提高拖曳力和爆发力,最终导致悬浮率增加。利用该特点,可通过降低结构表面流速降低拖曳力和爆发力,从而减小悬浮率,最终减小裂变产物向空间的重新释放。