CFD方法在核电厂氢气风险分析中的应用

梳理了核电厂氢气风险分析技术的现状;讨论了CFD方法在核电厂氢气风险分析中的优势及局限;介绍了国际上针对CFD氢气风险分析方法开展的实验项目;以EPR核电厂为例说明了CFD方法在核电厂氢气风险分析中的应用。在以上基础上,展望了核电厂氢气风险分析CFD方法的发展方向。     

反应堆一回路卸压中高温蒸汽对设备可用性影响研究

针对压水堆核电厂全厂断电同时叠加汽动给水泵失效典型高压熔堆事故序列评估了一回路卸压策略的有效性,并针对卸压策略实施中影响严重事故管理的实施与效果的关键设备所处的严重事故环境条件进行了分析。结果表明:开启不同列数稳压器安全阀可以使一回路有效卸压;堆芯热电偶能较准确地测量出650℃的堆芯出口温度,可以为一回路卸压等严重事故缓解措施的投入确定时间,但在全厂断电同时叠加汽动给水泵失效事故后期可能发生超量程现象;稳压器安全阀在高温蒸汽作用下有可能发生失效,通过开启较多列数的安全阀有助于降低该风险;在全厂断电同时叠加汽动给水泵失效事故中,为稳压器安全阀供电的蓄电池容量是影响主系统卸压实施效果的重要因素,其容量能否维持长时间的一回路卸压需要进行详细评估。     

模块化小型核反应堆自动卸压系统分析研究

模块化小型核反应堆（SMR）与传统大型压水堆在结构上存在很大差异,导致两者的严重事故进程存在较大差异。因此本文结合SMR自身设计特点,建立反应堆严重事故分析模型,对SMR的典型事故瞬态进行模拟计算,并对严重事故进程、热工水力现象和系统安全进行研究。在此基础上提出了SMR自动卸压系统优化改进方案,通过对自动卸压系统各级卸压管线的位置和阀门有效面积进行深入研究,并对相关参数进行敏感性分析,提出符合反应堆自身特点的卸压阀门有效面积的优化设计方案,为小型核反应堆的严重事故预防和缓解提供有效的依据和参考。     

百万千瓦级压水堆严重事故下局部隔间氢气风险分析

核安全法规要求控制严重事故下核电厂安全壳内的氢气浓度。除安全壳整体外,局部隔间的氢气浓度同样是关注的重点。本文采用一体化严重事故分析程序对百万千瓦级压水堆核电厂安全壳局部隔间进行建模,分析了不同事故下的氢气风险。结果表明,严重事故下部分隔间短时间内可能存在燃烧风险。本文对降低燃烧风险的方法进行分析计算和筛选,得出的结论可以为安全壳隔间的设计优化提供参考依据。     

CAP1000氢气缓解的设计分析和研究

在严重事故下,堆芯燃料棒锆包壳与水蒸气反应产生大量氢气。如果发生压力容器失效,堆芯熔融物与混凝土相互作用,将产生额外的氢气以及一氧化碳等可燃气体。氢气释放到安全壳,达到一定浓度后可能发生燃烧、爆燃甚至爆炸,可能危及安全壳的完整性。本文梳理CAP1000氢气缓解措施设计现状,从序列分析和概率论角度探讨了缓解措施的有效性和可靠性,探索了可能的改进措施并进行效果分析,这些分析和研究有助于对氢气风险的全面理解。     

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。     

严重事故下氢气风险及氢气控制系统的初步分析

采用一体化严重事故分析工具,对600MWe压水堆核电厂严重事故下氢气风险及拟定的氢气控制系统进行分析。结果表明：相对于小破口失水始发事故和全厂断电始发事故工况,大破口失水始发严重事故堆芯快速熔化,在考虑100%锆 水反应产氢量的条件下,大破口失水始发事故氢气风险较大,有可能发生氢气快速燃烧;在氢气控制系统作用下,发生大破口失水始发严重事故时,安全壳内平均氢气浓度和隔间内氢气浓度低于10%,未达到氢气快速燃烧和爆炸的条件,满足美国联邦法规10CFR中关于氢气控制和风险分析的准则,认为该氢气控制系统是可行、有效的。     

压水堆一回路卸压措施影响因素研究

研究压水堆一回路管道小小破口失水事故叠加辅助给水失效导致的高压堆芯熔化严重事故进程，对比验证不同严重事故缓解措施入口温度条件下一回路卸压缓解途径的充分性和有效性，并确认较佳的一回路冷却系统（RCS）降压途径。结果显示，以低于650℃的温度作为降压缓解措施入口条件，可及时恢复可能的堆芯冷却能力。一、二回路卸压效果分析表明，考虑了长期衰变热移出注水流量和堆芯过冷度要求，较佳的卸压配置为初期打开一列稳压器卸压阀，同时迅速恢复辅助给水并开启蒸汽发生器卸压阀。      

稳压器卸压阀卸压效果研究

基于国际上模拟严重事故瞬态过程最详细的机理性程序SCDAP/RELAP5/MOD3.1,主要分析研究了核电站未紧急停堆的预期瞬变(ATWS)初因(失去主给水、失去厂外电和控制棒失控提升)叠加辅助给水失效导致的堆芯熔化严重事故进程,并验证阻止ATWS导致堆芯熔化进程的一次侧卸压缓解措施的充分性和有效性.计算分析结果显示,一列稳压器卸压阀不足以充分降低一回路压力,压力仍然停留在10MPa以上,存在很大高压熔堆的风险.增加一列卸压阀可把一回路压力降低到3MPa左右,安注系统得以投入,及时有效地阻止堆芯熔化进程,降低了高压熔堆风险.分析结果还显示高压安注系统的投入对一回路卸压具有重要影响.     

反应堆主回路卸压对压力容器外裂变产物释放的影响分析

本工作耦合建立了600 MW压水堆核电厂热工水力、裂变产物行为和放射性后果评价的分析模型,选取SB-LOCA、SGTR、SBO和LOFW等4个高压熔堆事故序列,研究了主回路卸压对压力容器外裂变产物释放的影响,包括主回路卸压对压力容器外裂变产物释放的缓解效应和其他负面影响。分析表明：实施主回路卸压可缓解高压熔堆事故序列下压力容器外的释放,但卸压工况下事故早期安全壳内的气载放射性活度较基准工况下的大。相关分析结论可作为严重事故管理导则制定的技术基础。     

严重事故下正常余热排出系统向堆芯注水策略分析

选取导致堆芯熔化频率最高的始发严重事故--直接注入（DVI）管线断裂事故,以及典型高压熔堆事故--丧失主给水始发事故(LOFW),利用MAAP4程序,分析反应堆堆芯热工水力行为,并对正常余热排出系统（RNS）堆芯注水策略的有效性与负面效应进行评估。分析结果表明,在DVI管线断裂事故和LOFW严重事故序列中,利用RNS进行堆芯注水可有效终止堆芯熔化进程,维持堆芯长期冷却。但堆芯再淹没会产生更多的氢气,存在增加安全壳氢气燃烧风险的可能性。此外通过分析利用严重事故管理导则中辅助计算文件给出的堆芯最小流量实施堆芯注水策略,讨论注水流量对堆芯冷却的影响,结果表明,在实施堆芯注水策略时,建议在系统允许的情况下采用更高的流速进行堆芯冷却。     

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。     

GOTHIC局部氢气风险三维分析研究

Integrated severe accident code is used to analyze the hydrogen risk in current safety assessment. After Fukushima accident, higher requirements are placed on hydrogen risk analysis. In order to supplement the lumped parameter analysis, three dimension hydrogen risk analysis method using GOTHIC is studied. Local three dimension hydrogen risk model is constructed by GOTHIC. Based on model validation, typical severe accident cases are chosen to analyze the hydrogen distribution. The results show that, hydrogen and other gas are mixed well in the upper compartment of the containment, and hydrogen stratification phenomenon is not obvious. For DVI rupture accident in PXS-B, the lower area of the break is flooded, and the hydrogen concentration for the upper area of the break is large, however, the hydrogen risk is little.     

水力控制棒驱动系统失压工况的实验研究

利用200MW低温核供热堆水力控制棒驱动系统的1：1实验台架模拟系统失压况，进行控制棒步升，步降，开阀落棒及关泵开阀落棒实验，并与正常工况下的提棒，落棒的实验结果进行比较，实验结果表明：在系统失压工况下，控制棒能正常提棒，落棒系统失压工况下的弹棒，系统压力与压力壳压力具有瞬时跟随特性，未出现控制棒弹棒事故，对实验的失压速率和事故分析得到的失压速率进行了比较，验证了系统具有良好的安全性和可靠性。     

先进压水堆核电厂氢气控制策略分析研究

新建核电厂的设计必须做到“实际消除”早期与大量放射性释放的可能性,氢气燃爆导致的安全壳失效是必须要“实际消除”的严重事故工况之一。因此对各种消氢措施的特点进行分析研究,建立联合消氢策略评价方法,可为先进压水堆核电厂氢气控制策略选择设计评价提供支持手段。根据严重事故管理中对氢气控制策略的考虑,研究安全壳内局部位置的可燃性是相关设计评价的关键问题。根据可燃性准则、火焰加速准则、燃爆转变准则,本文使用三维CFD程序对典型严重事故工况下安全壳蒸汽发生器隔间内的可燃性及氢气风险进行模拟分析。研究结果表明,虽然喷放源项中有大量水蒸气,蒸汽发生器隔间中仍有较大区域处于可燃限值以内,合理布置的点火器能在设计中点燃并消除氢气。本研究建立的分析方法能用于对核电厂氢气控制策略选择设计的评价。