水蒸气对氢气燃烧影响的数值研究

核电站严重事故下,氢气的燃烧风险是影响安全壳完整性的重要因素,而水蒸气的存在对氢气、空气混合气体的燃烧会产生重要的影响。本文采用CAST3M软件,对局部小空间内氢气的燃烧特性以及水蒸气的影响进行研究。首先对THAI装置的典型实验工况进行模拟,表明了相关燃烧模型的可用性。然后将高度为6 m、直径为2.2 m的圆柱空间作为燃烧域,对其分别计算了8%、10%、12%氢气浓度下的燃烧,并与添加25%水蒸气的相应工况进行了对比。通过对燃烧域的温度、压力以及火焰传播速度的分析,表明添加水蒸气后燃烧产生的最大压力下降,火焰的最大温度下降,火焰传播的速度下降。研究表明,水蒸气的存在对氢气的燃烧具有抑制作用,能有效降低氢气燃烧产生的后果。     

核电厂严重事故下氢气燃烧单步模型研究

通过改变指前因子和活化能系数，构建氢气燃烧单步反应机理，利用构建的单步机理开展严重事故下氢气燃烧计算分析，将计算结果与试验数据进行对比分析，同时利用机理开展不同氢气浓度条件下氢气燃烧数值计算。结果表明:单步机理在氢气火焰传播速度方面计算值与试验值符合很好，修正后的氢气燃烧单步机理可用于核电厂氢气燃烧计算分析。      

氢气-空气混合气体燃烧特性试验分析

为了保证严重事故下安全壳的完整性,氢气点火器燃烧缓解措施被广泛应用于核电站内。本文在1个20m3立式圆柱罐体内进行9.28%浓度下的氢气燃烧试验,结合GASFLOW数值模拟和其他试验数据,对本次试验结果进行了综合分析。试验和模拟结果均表明:9.28%浓度下氢气完全燃烧,罐体内温度和压力快速增加;燃烧过程中罐体内高温气体通过辐射传热、对流换热和相变传热3种方式向罐体结构散热,使得罐体内温度和压力随时间逐渐降低,达到泄压和冷却的作用;燃烧过程有明显的方向性,即点燃后火焰在浮力作用下沿罐体中心线向上传播,到达顶部后转而沿罐体四周向下燃烧,燃烧初期火焰速度为11.15m/s;试验中由于内部构件的影响,火焰传播更为复杂。     

严重事故下氢气爆燃环境模拟试验

核电厂发生严重事故后,氢气迅速释放,在安全壳空间内快速累积,与安全壳内的空气形成爆燃混合物.当氢气浓度超过某一阈值时,安全壳内可能发生氢气爆燃.氢气爆燃会导致安全壳内温度和压力瞬间升高,从而对安全壳内设备造成威胁.针对严重事故氢气爆燃过程,中国船舶集团有限公司第七一八研究所设计搭建了用于模拟氢气爆燃环境的试验平台,建立...     

核电厂严重事故下卸压对氢气产生的影响分析

研究了1000MWe压水堆核电厂在典型的高压严重事故序列下卸压对氢气产生的影响。分析结果表明,开启1列、2列和3列卸压阀进行一回路卸压均会在堆芯熔化进程的3个阶段导致氢气产生率的明显增大：1）堆芯温度1500～2100K;2）堆芯温度2500～2800K;3）从形成由硬壳包容的熔融池（2800K）到熔融物向压力容器下封头下落。开启卸压阀的列数越多,氢气产生率的增大越明显。     

基于CFD的氢气扩散火焰燃烧分析

日本福岛核事故后,氢气风险对于安全壳完整性的挑战成为反应堆安全设计的热点问题.当前的氢气风险分析普遍采用一体化分析程序,对于局部区域氢气扩散火焰的分析存在缺陷和不足.本文依托CFD程序,建立了安全壳内局部隔间的CFD氢气扩散火焰燃烧的分析方法,研究了扩散火焰的燃烧特性,获得了严重事故下的安全壳温度载荷.研究结果表明,安...     

严重事故下水蒸气凝结对气溶胶扩散泳影响研究

基于模拟AP系列非能动安全壳冷却的气溶胶迁移机理试验平台,开展了在干燥及潮湿气氛下的气溶胶沉积试验。结果表明:在潮湿气氛下,气空间内气溶胶浓度会由于扩散泳沉积作用而衰减得更快,且水蒸气的凝结质量流量越大,气溶胶浓度衰减越快。证实了非能动安全壳冷却设计能够通过提高扩散泳沉积作用而强化气空间的气溶胶衰减。利用该特点,可针对性地采取措施增强水蒸气凝结,强化气溶胶扩散泳作用,提高安全壳内的放射性去除效果。     

小型堆严重事故下安全壳内氢气行为分析

采用MELCOR程序,对小型堆破口叠加全部电源丧失的典型严重事故进行计算,并对安全壳内发生氢气燃烧、爆炸的可能性进行分析。结果表明:主管道直径3.72%的破口叠加全部电源丧失后,堆芯裸露,出现熔堆事故;同时锆水反应产生的大量氢气进入安全壳,使安全壳内氢气含量上升,在安全壳局部空间、屏蔽水箱内出现氢气燃烧。但由于小型堆安全壳净容积较小,水蒸气含量较高,氧气含量较少,不会导致氢气爆炸。     

圆柱罐体内氢气-空气混合气体燃烧特性的CFD分析

点火器广泛应用于核电站以实现氢气低浓度下的控制性燃烧,缓解核电站严重事故下的氢气风险。本文应用三维计算流体力学程序GASFLOW对一圆柱罐体内不同浓度的氢气-空混合气体的燃烧特性进行分析。低浓度氢气混合气体只有极少部分燃烧,大于8%的情况下出现明显的氢气燃烧和温度、压力的上升。根据火焰加速σ准则和燃爆转换D/7λ准则,大于11%的情况下可能会出现火焰加速,大于12%的情况下有燃爆转换的可能。不同浓度混合气体燃烧的火焰传播路径也不同,较低浓度气体燃烧火焰先向上再向下传播,较高浓度气体燃烧火焰向四周传播。     

安全壳内氢气燃烧特性数值研究

本文基于计算流体力学(CFD)方法,采用涡耗散概念(EDC)模型耦合P1辐射模型,对德国开展的ThAI-HD12氢气燃烧实验进行了数值模拟验证,与实验符合良好.同时通过修正反应机理,获得了更符合实验的结果.通过改变点火位置、氢气浓度,计算得到安全壳内压力、温度等的变化,结果表明:在安全壳空间内,浮力对氢气燃烧火焰传播影...     

严重事故下核电站安全壳内氢气分布及控制分析

使用安全壳分析程序CONTAIN计算分析了百万千瓦级压水堆核电站严重事故下安全壳内的氢气浓度分布.分别对一回路冷段大破口失水(LB-LOCA)叠加应急堆芯冷却系统(ECCS)失效(不包括非能动的安注箱)事故和全厂断电(SBO)叠加汽轮机驱动的应急给水泵失效事故两个严重事故序列进行了计算.计算结果表明,不同严重事故下,安全壳各隔间对氢气控制系统的要求不同.氢气控制系统的设计必须满足不同事故下的法规要求,提高电站的安全性.     

压水堆严重事故过程中堆内氢气源项分析

采用一体化严重事故分析程序ASTEC,分别对丧失给水事故(LOFA)和全场断电事故(SBO)进行了模拟。结合丧失给水事故阐述了Zr、Fe、B4C与水氧化反应的机理,比较了Zr、Fe、B4C氧化反应释放的氢气的质量、速率和氧化反应开始的时间。结果表明,事故早期氢气主要来自Zr的氧化反应,Fe氧化反应产生的氢气约占氢气总产量的10%。另外,还比较了LOFA和SBO事故过程中氢气的释放。结果表明,同一反应堆在不同的严重事故进程中产生的氢气的质量、速率、氧化开始的时刻以及堆内氢气分布可能有很大的差别。因此,在进行事故早期氢气源项风险评价的时候要根据不同的事故进程,具体问题具体分析。     

AP1000严重事故下安全壳内消氢措施的研究

核电厂发生严重事故时,氢气的大体积氢燃爆可能会严重威胁安全壳的完整性.本文以福岛核电厂氢气爆炸为引题,分析了安全壳氢气产生的来源,给出了氢气的缓解措施,重点分析了AP1000的消氢方案.最后,对比了AP1000与EPR的消氢方案.     

先进压水堆大破口始发严重事故下安全壳内氢气风险分析

本文采用集总参数法,在先进非能动压水堆核电厂严重事故一体化分析模型基础上,考虑先进压水堆非能动安全特性以及严重事故下采取熔融物堆内滞留(IVR)措施等特性对氢气风险的影响,开展了典型严重事故下安全壳内氢气风险分析。分别选取了冷段双端剪切断裂大破口、冷段大破口叠加IRWST重力注水有效以及ADS-4误启动三个典型大破口失水事故序列,对事故进程中的氧化温度、产氢速率以及产氢质量等特性进行了研究。选取产氢量最大的冷段大破口叠加IRWST重力注水有效事故序列,分析了氢气点火器系统的消氢效果。结果表明,堆芯再淹没过程产生大量氢气,采用点火器可有效去除安全壳内的氢气,从而降低氢气燃爆风险。     

M310核电厂严重事故下稳压器隔间氢气风险分析

基于GASFLOW程序,选取对M310核电厂稳压器隔间内氢气风险极为不利的两种事故工况,对安全壳内氢气风险进行了分析计算。模拟结果显示:在所研究的工况条件下,卸压箱隔间、波动管隔间、稳压器隔间及穹顶区域内,只有波动管双端断裂事故在早期氢气集中释放阶段,出现了稳压器隔间内FA准则数大于1的情况,其他隔间及其他工况下所有隔间内的FA准则数和DDT准则数均不会超过1。即,所研究隔间内均可以排除燃爆转变风险。破口隔间内部氢气浓度分布主要受源项氢气浓度以及混合气体夹带作用的影响,不同位置的氢气浓度变化存在显著差别。安全壳大空间的氢气浓度呈层状结构,随着时间推移,层状结构向下推移,安全壳大空间氢气浓度分布呈均匀化趋势发展。     

国产先进压水堆严重事故下氢气行为及控制系统分析

严重事故下的氢气控制是核电厂安全需要考虑的重要问题之一。采用一体化严重事故分析程序对国产先进压水堆核电厂进行系统建模,选取大破口触发的严重事故序列,对严重事故工况下的氢气产生情况及氢气控制系统的性能进行分析评价。结果表明:大破口事故序列下氢气的产生主要有两个阶段,分别是早期锆包壳与水反应产生氢气及堆芯熔融物迁移至下腔室产生氢气,其中燃料包壳的氧化是产氢的主要阶段,氢气释放时间较早,氢气产生速率较大。氢气控制系统的设计能够有效缓解可能的氢气风险,满足相关法规标准的安全要求,确保安全壳的完整性。     

严重事故下安全壳内氢气浓度场分布

利用计算流体力学程序FLuENT和GASFLOW,采用不同的湍流模型,研究了核电站严重事故下氢气在安全壳内的传输与混合过程.计算结果表明,FLUENT中的RNG k-ε模型能够较好的模拟氢气的质量扩散,动量扩散和湍流脉动特征;FLUENT中的标准k-ε模型和GASFLOW中的k-ε模型能得到工程上可以接受的计算结果;而GASFLOW中代数模型未能较好地模拟氢气的质量扩散和动量扩散,氢气的浓度场分布与其他模型的计算结果存在较大的差别.同时,本文对混合气体中的水蒸汽浓度和气体的质量流速对安全壳内氢气浓度分布的影响进行了初步研究.研究表明,破口气体的密度和流速是影响氢气浓度场的重要因素;混合气体密度越小、流速越大,则有更大的浮力和初始动量作用于气体.湍流模型的选择和对浮力驱动的湍流射流的模拟是影响严重事故下氢气在安全壳内的分布模拟结果的重要因素.     

严重事故下安全壳内氢气浓度场分布影响因素的初步研究

利用计算流体力学程序FLUENT和GASFLOW，采用不同的湍流模型，研究了核电站严重事故下氢气在安全壳内的传输与混合过程。计算结果表明，FLUENT中的RNGk-ε模型能够较好的模拟氢气的质量扩散，动量扩散和湍流脉动特征；FLUENT中的标准k-ε模型和GASFLOW中的k-ε模型能得到工程上可以接受的计算结果；而GASFLOW中代数模型未能较好地模拟氢气的质量扩散和动量扩散，氢气的浓度场分布与其他模型的计算结果存在较大的差别。同时，本文对混合气体中的水蒸汽浓度和气体的质量流速对安全壳内氢气浓度分布的影响进行了初步研究。研究表明，破口气体的密度和流速是影响氢气浓度场的重要因素；混合气体密度越小、流速越大，则有更大的浮力和初始动量作用于气体。湍流模型的选择和对浮力驱动的湍流射流的模拟是影响严重事故下氢气在安全壳内的分布模拟结果的重要因素。     

核电厂严重事故工况下氢气浓度监测装置研制

研究解决了电化学测氢气浓度传感器中电极涂覆、结构设计等关键技术问题,设计制造了严重事故工况下氢气浓度在线监测装置样机,开展了不同压力、温度、氢气浓度条件下测试试验,正常工况下的性能测试试验和环境适应性试验。结果表明研制的氢气浓度监测装置具有选择性强、能实现在线监测、响应时间快、测量范围宽、测量精度高等特点,可用于我国的“华龙一号”（HPR1000）和大型先进压水堆（CAP1400）核电厂严重事故工况下氢气浓度在线监测。