严重事故下裂变产物气溶胶自然沉积现象研究

以600 MW压水堆核电厂为研究对象,在一体化安全分析模型的基础上建立重力沉降、扩散电泳、惯性碰撞和热电泳4种裂变产物气溶胶的自然沉积模型,选取典型的严重事故序列,分析严重事故下裂变产物气溶胶的自然沉积现象。将MELCOR程序的重力沉降模型植入本文的一体化分析模型,对重力沉降份额进行比较。研究表明,重力沉降对气溶胶沉积的贡献最大;本文采用的重力沉降模型比MELCOR程序重力沉降模型的沉降效应稍强。     

严重事故下吸湿性气溶胶的自然去除研究

反应堆发生严重事故时,堆芯释放出的吸湿性气溶胶会在潮湿的安全壳内增大,从而影响其自然去除过程。本文理论推导了吸湿性气溶胶的增大模型并通过多种方法对其进行了验证。模型计算结果表明,气溶胶的增大过程由于受到溶解度的限制而存在临界湿度值,在该临界值以下时气溶胶不发生吸湿,但这未被其他严重事故分析程序所考虑。同时,基于某三代先进压水堆的特定严重事故工况,本文分析了干颗粒半径及湿度对气溶胶的平衡半径和自然去除系数的影响。结果表明:气溶胶的自然去除系数随干颗粒半径的增大将先减小后增加,并在1μm时达到最小值;相同湿度下,干颗粒半径对气溶胶半径的最大增大比例的影响不大;湿度的增加对不同干颗粒半径气溶胶去除系数的影响不同。     

冷凝冲刷条件下壁面气溶胶去除特性实验研究

核反应堆发生放射性泄漏的严重事故后,弥散在安全壳气相空间的放射性气溶胶等物质会在墙壁、设备表面或地面等位置沉积。蒸汽冷凝液的冲刷去除是沉积放射性气溶胶颗粒离开壁面并再次迁移的主要途径之一,掌握沉积气溶胶颗粒的去除迁移规律,对于核事故后的放射性分析评价有重要意义。本文针对冷凝环境下壁面沉积的不可溶气溶胶去除特性展开实验研究,通过测量冲刷去除的气溶胶质量变化,探究壁面倾斜角度、冷凝速率和沉积密度等变量对气溶胶颗粒去除特性的影响,总结了不同工况环境下的沉积气溶胶的质量去除规律及去除份额。本研究可为放射性气溶胶迁移模型验证及优化提供支持。     

反应堆安全壳高精度气溶胶自然沉积模型的开发及验证

在压水堆严重事故过程中,气溶胶作为裂变产物的主要载体在安全壳内悬浮,有泄漏到外部环境中造成放射性污染的潜在威胁。安全壳气相悬浮的气溶胶会通过自然沉积机理沉降到壁面或地坑水,降低大气放射性。针对ISAA程序气溶胶模型精度不足的问题,改进安全壳气溶胶自然沉积模型。通过引入气溶胶动态形状因子,修正非球形气溶胶自然沉积速率,改进了重力沉积、布朗扩散、热泳和扩散泳沉积模型。选取AHMED(Aerosol and Heat Transfer Measurement Device)、ABCOVE(Aerosol Behavior Code Validation and Evaluation)和LACE(Light Water Reactor Aerosoal Containment Experiments)实验对改进代码进行评估。结果表明：改进模型能够更加精确模拟气溶胶质量峰值,响应安全壳压力温度对气溶胶自然沉积速率的影响,显著地提高了安全壳气溶胶残留质量的计算精度。改进后ISAA程序性能可以满足分析先进压水堆严重事故安全壳内气溶胶自然沉积行为的需要。     

钢制安全壳窄缝内气溶胶冷凝滞留实验研究

目前核电厂安全壳放射性评估中未考虑狭窄裂缝（简称窄缝）对气溶胶的滞留效果,但与常规尺寸相比,窄缝的高表面/体积比对气溶胶泄漏具有可观的滞留,评估结果过于保守。通过开展矩形直通道内气溶胶泄漏实验,获得缝高约100 μm钢制安全壳窄缝内气溶胶滞留效率,观察到窄缝通道入口区域为主要的粒子沉积区域。同时,通过在窄缝流动方向上建立并维持一定的温度梯度,模拟安全壳非能动冷却系统投运时安全壳窄缝内气溶胶泄漏过程。结果表明,窄缝对亚微米粒径气溶胶具有良好的滞留效果,温度梯度引入的蒸汽冷凝能显著提高气溶胶滞留效率至91%左右,且缩小了泄漏面积。      

毛细管内气溶胶沉积特性的实验研究与分析

以核电厂事故期间安全壳内放射性气溶胶通过缝隙向环境释放为研究背景,建立毛细管通道内气溶胶沉积特性研究实验台架并开展实验研究。毛细管内的气体流动由压力驱动,气溶胶为二氧化钛。基于目前的实验结果,毛细管内气溶胶无量纲沉积速度随无量纲松弛时间的变化分为上升区和平台区,两个区域约在无量纲松弛时间为70～100之间分界。与常规管道的气溶胶沉积特性实验结果相比,本文获得的沉积速度偏小。本文在基于欧拉体系的颗粒壁面沉积3层模型中增加了Saffman力,利用改进后的模型评估了颗粒与气体速度差对沉积速度的影响。结果显示,当速度差大于某值后,Saffman力将显著减弱颗粒壁面沉积。     

不同管束布置方式下含有空气的蒸汽自然对流冷凝换热特性分析

为研究非能动安全壳冷却系统（PCCS）热交换器管束布置对自然对流条件下含有空气的蒸汽冷凝换热特性的影响,采用气体组分输运方程和冷凝模型耦合,对单管、单排到五排管束通道内冷凝换热过程进行数值研究。研究发现,管束区内存在由于管间高浓度空气层干扰使冷凝换热能力减弱的“抑制效应”,以及由于水蒸气壁面冷凝导致气体横向流动使壁面冷凝能力强化的“抽吸效应”。对不同管束结构下2种效应对冷凝换热的影响进行分析,结果表明,随着管束排数的增加,2种效应对冷凝换热的影响逐渐增强,导致冷凝管周向局部冷凝换热能力不均匀性增加,其中五排管束周向局部冷凝换热系数（HTC）最大值为单管的2.3倍,最小值仅为单管的44.7%。在双排、三排和四排管束中,正四边形布置管束的冷凝换热能力优于正三角形布置,而五排管束中,正三角形布置的冷凝换热能力更强。本研究可对PCCS热交换器管束布置优化提供参考。      

考虑聚并及热泳的微米级气溶胶粒子沉积数值模拟研究

本文基于C++编写的程序对0.5~10 μm气溶胶粒子沉积进行了数值模拟,研究了聚并和热泳对沉积的影响及其耦合作用。结果表明,气溶胶粒子数量浓度小于10¹²m^-3时,聚并可忽略;气溶胶粒子数量浓度为10¹⁴ m^-3时,聚并不可忽略。考虑聚并后,气溶胶粒子的沉积速度显著增加,如在温度梯度为3 000 K/m时,10 μm气溶胶粒子的沉积速度较不考虑聚并时增大了37.2%。不考虑聚并、温度梯度为3 000 K/m时,由于热泳作用,0.5 μm气溶胶粒子沉积速度增大到无温度梯度的5.96倍,考虑聚并后,减小为4.41倍（数量浓度为10¹⁴ m^-3）。聚并和热泳会相互影响,但总体上聚并和热泳均会增强气溶胶粒子的沉积,从而加快气溶胶粒子的损失。     

自然循环条件下竖直管内层流凝结换热特性研究

考虑蒸汽流速的影响,对Nusselt凝结换热模型进行修正,分别采用Nusselt模型和修正模型对自然循环条件下竖直管内层流膜状凝结时的换热特性进行计算并与实验结果比较。研究表明,管内凝结换热受蒸汽流速的影响不能忽略,蒸汽对液膜的剪切作用使液膜减薄,冷凝换热系数增大。由于修正模型合理地考虑了界面剪切力的影响,计算结果与实验相符。     

不同流型下气溶胶水洗效果影响因素实验研究

在核电厂严重事故下,安全壳内混合气体通过喷射器注入到乏燃料水池中以降低安全壳超压失效的风险,同时减少放射性向环境的释放。本文建立了气溶胶水洗去除实验装置,研究水池对气溶胶的去除机制。开展了不同流型下通过喷射器的混合气体质量流率对气溶胶水洗净化系数(DF)的影响以及蒸汽冷凝对气溶胶去除效果的影响。结果表明：在注入流型为射流的情况下,由于射流注入区液滴拦截和惯性碰撞去除机制的增强,导致DF随着质量流率的增大而增大;在注入流型为气泡流的情况下,上升区气溶胶去除占主要作用,随着质量流率增大,气泡上升速度增快,导致气泡在水池内运动时间减少,DF降低。同时,在蒸汽存在的情况下,气溶胶去除效果明显增强,蒸汽冷凝是气溶胶去除的主要机制。     

倾斜条件下一体化反应堆模拟回路单相自然循环实验与数值研究

对一体化反应堆模拟回路开展倾斜条件下单相稳态自然循环实验,并应用RELAP5程序进行数值模拟。结果表明:应用RELAP5 MOD3.2程序可以准确预测倾斜条件下的自然循环流量;模拟回路横倾时,位于高处的换热器一次侧流量大于低处的,换热器偏离加热段的角度越大,两侧换热器一次侧流量差别越大;纵倾时一回路各段质量流量变化规律一致,质量流量随纵倾角度增大而显著减小;相同热工工况,相同倾斜角度的横倾与纵倾,二者的总循环流量非常接近。     

自然循环条件下蒸汽发生器U型传热管倒流分布特性的实验研究

在自然循环工况下蒸汽发生器一次侧入口流量为0.4~0.7 kg/s的参数范围内,开展了蒸汽发生器U型传热管倒流特性实验。针对9种不同长度的U型传热管,分别设置9个倒流监测点,获得了倒流在不同长度U型管中的分布特性。基于传热管压降实测数据和守恒原理,获得了蒸汽发生器一次侧的倒流总流量以及倒流U型管的数目。结果表明,在本实验参数范围内,约有61%的U型管发生倒流,使传热管正向流通面积减小为原来的39%。倒流同时导致正流流量增加60%,与不发生倒流的情况相比,U型管平均流速增大4.2倍。