多维熔融物与冷却剂相互作用分析程序COSMETRIC的开发与验证

基于MCBA-SIMPLE算法开发了自主化的多维熔融物与冷却剂相互作用分析程序COSMETRIC。为验证该程序,针对熔融物与冷却剂相互作用实验KROTOS的典型工况进行了模拟计算。通过与KROTOS37实验结果对比,验证了程序模拟高温熔融物与冷却剂混合过程中熔融物液柱碎化、熔融物液滴迁移以及冷却剂蒸发的能力;通过与KROTOS21实验结果对比,验证了程序对蒸汽爆炸压力脉冲峰值及传播速度预测的合理性。在此基础上,对KROTOS21爆炸工况计算的初始空泡份额、熔滴水力学碎化无量纲时间和熔融物碎片初始直径等参数进行了敏感性分析,评估了这些参数对最终压力脉冲的影响。敏感性分析结果发现,较大的初始空泡份额会抑制压力峰值和传播速度;增大熔融物碎片初始直径和水力学碎化无量纲时间,会提升压力波传播速度,降低压力峰值。     

基于界面跟踪与两流体模型的耦合模型对金属液柱碎化的数值模拟

针对熔融物与冷却剂相互作用(FCI)过程中多尺度相界面共存的复杂流型,将基于流体体积法(VOF)的界面跟踪模型与两流体模型耦合在一套统一的数值求解框架下,得到一个新的多相流数值模型,可以模拟大尺度界面流体与小尺度界面流体共存的复杂多相流过程。该模型中,对于动量场,流体根据界面尺度分为连续相和离散相。连续相界面通过VOF/PLIC方法进行捕捉,离散相表面积浓度分布通过表面积输运方程模拟。耦合模型的控制方程通过MCBA-SIMPLE算法求解。使用该模型对金属液柱的流动和碎化过程进行模拟,并与实验观测结果进行对比,同时还对液柱碎化速率模型和金属液滴初始直径的影响进行了探讨。结果表明:原液柱碎化模型对液柱贯穿深度有所高估;金属液滴初始直径的选择将对熔融物的冷却效率造成显著影响。     

汽膜对熔滴水力学碎化影响的数值模拟

在熔融物与冷却剂相互作用(FCI)过程中,熔滴的水力学碎化对于后续是否产生蒸汽爆炸以及爆炸的强弱程度有着重要影响。传统的熔滴水力学碎化数值研究通常只考虑液液直接接触的两相系统;而堆芯熔化后,熔融物温度在2 500K以上,熔融物周围会迅速产生汽膜,导致熔滴和冷却剂之间的传热和阻力特性发生改变。本文基于PLIC-VOF(piecewise linear interface construction-volume of fluid)界面跟踪方法对有汽膜存在的三相系统中的熔滴水力学碎化过程进行了数值研究,通过分析熔滴在有无汽膜和不同边界速度触发情况下碎化过程中的界面特性,发现熔滴碎化程度随Weber数的增加而加剧,汽膜对熔滴的水力学碎化存在一定的抑制作用。     

高熔点物质与冷却剂相互作用的机理研究

高温熔融物与低温冷却剂间的相互作用是核反应堆严重事故下的重要现象,关于这一现象,国际上多年来开展了大量实验和数值研究。然而,熔融物与冷却剂热相互作用(FCI)的作用机理至今未能解明,数值模拟的分析结果同实验数据间仍存在较大差距。本研究通过建立中型熔融物与冷却剂相互作用实验台架,研究FCI影响因素及熔融物与冷却剂间的热相互作用机理。本文开展了以304不锈钢及钼铁为熔融物材料,水为冷却剂材料的热相互作用实验研究。该实验研究了高熔点物质质量、材料性质及冷却剂过冷度对热相互作用的影响,通过实验产物的形貌及尺寸分布分析,提出高熔点物质的凝固效应是决定相互作用强弱的重要机制,同时分析了在不同工况下的相互作用机理,为熔融物热能-机械能转化研究奠定基础。     

不同注水方式下混合粒径碎片床冷却特性实验研究

液态堆芯熔融物与冷却剂相互作用（FCI）后破碎形成颗粒床，对颗粒床实施有效的冷却可以实现熔融物的滞留并终止事故进程。本文基于原型熔融物FCI实验后的碎片粒径分布和孔隙率，构建了带内热源的混合粒径砂石碎片床，对不同碎片床强化排热措施（顶部淹没水池、自然循环驱动底部注水、周向进水）下的干涸特性进行了研究，实验中发现：顶部淹没水池条件下，碎片床的中上部率先出现汽泡壅塞区，随后在碎片床中下部出现缺液干涸区；自然循环驱动底部注水条件下，极大改善了碎片床底部的缺液状态，干涸热流密度（DHF）提升2.5倍以上，干涸区域位于碎片床中上部；周向进水方式下，DHF也提升2.5倍以上。     

熔融铅锡合金与冷却剂相互作用热细粒化研究

堆芯熔融物与冷却剂相互作用(Fuel Coolant Interaction,FCI)是核反应堆严重事故下可能发生的严重问题之一。为进一步了解FCI现象及解明热细粒化过程的关键影响因素,本文通过可视化实验方法,采用铅锡合金模拟材料开展实验研究。采用高速摄像系统对反应过程进行图像采集,通过计算熔融物所占像素点的面积得到熔融物的截面积;收集反应碎片,从实验产物形貌、相互作用过程状态及熔融物周围气体分布三个方面对影响热细粒化过程的熔融物初始温度、质量及冷却剂温度展开研究。结果对比分析表明:熔融物温度升高,热细粒化程度先增加后减小;初始水体量一定的情况下,熔融物质量增加,可能导致熔融物细粒化程度降低;冷却剂过冷度增加,热细粒化程度增加。     

两种不同类型FCI的机理对比研究

高温熔融物质和冷却剂之间相互作用(FCI现象)时,会引起蒸汽爆炸.反应堆中经常使用的冷却剂是水和钠.为了解决反应堆安全性问题,国外分别对不同堆型做了一系列FCI的实验,但对水和钠在FCI中起的不同作用并未见到系统研究的报道.我国尚没有条件做这种耗资大、难度高的实验,对FCI的研究也几近空白.本文试图通过冷却剂为水和冷却剂为钠的FCI现象的机理分析,提取实验数据并建立数值模型,为快堆安全分析提供可靠的判断依据.     

熔融物液柱碎化模型对先进压水堆堆外蒸汽爆炸计算的影响分析

在堆外蒸汽爆炸计算中,液柱碎化模型影响着熔融物液滴生成速率、液滴直径、液滴分布、液滴凝固和气泡比例等粗混合参数和现象,从而影响了蒸汽爆炸的冲击载荷。本文基于MC3D V3.8程序,采用不同的液柱碎化模型（CONST模型和KHF模型）对先进压水堆堆外蒸汽爆炸进行计算分析,探讨了CONST和KHF模型对蒸汽爆炸计算的影响。结果表明,两种模型计算的粗混合状态类似;在熔融物触底时刻,爆炸性准则几乎相同,此时触发爆炸得到的冲击载荷差别很小,表明该时刻触发爆炸时不同液柱碎化模型对爆炸冲击计算的影响较小;在本文所定义的工况下,先进压水堆堆坑墙体承受的最高压力约为20 MPa,最大冲量小于0.2 MPa•s。     

基于边界层剥离机理的水力学细粒化模型研究

基于边界层剥离机理对燃料与冷却剂相互作用(FCI)中的水力学细粒化过程进行研究,通过理论建模与实验拟合的方法,得到预测水力学细粒化质量率与细粒化碎片平均直径的半经验关系式,关系式直观地反映出水动力学主导下的细粒化过程与相对韦伯数(We)的关系。通过与典型实验结果的比较,验证了关系式的合理性,为后期应用于实际程序进行了理论铺垫。     

气腔夹带作用下射流碎化过程实验研究

熔融物射流落入水面后的碎化行为是决定蒸汽爆炸威力的重要现象,这一过程可能受气腔夹带的影响。本文通过可视化实验研究了气腔夹带作用下苯甲酸苄酯和水银2种液体射流的水力学碎化特性。开展了不同入射速度下射流碎化行为的定性定量研究。实验发现苯甲酸苄酯射流(与水密度比为1.118)的碎化过程中伴随明显的气腔夹带现象。气腔可以阻碍水与射流的接触,抑制碎化过程,导致碎化长度模型的预测值远低于实验值。而水银(与水密度比为13.6)的碎化过程中气腔夹带不明显,碎化长度符合碎化长度模型的预测。实验表明:气腔夹带现象会影响射流碎化过程,导致碎化长度模型无法准确模拟气腔夹带作用下的碎化长度。     

熔融金属液滴热细粒化过程研究

熔融液滴的细粒化是决定燃料与冷却剂相互作用破坏后果的关键过程,它决定最终的热能与动能的转化比,是预测事故后果的重要因素之一。然而目前对该过程中基于本身内能的热细粒化机理尚不清楚。本工作通过单个熔融金属液滴与水相互作用的实验,借助高速摄像系统对熔融液滴的热细粒化现象进行拍摄,观察发现熔融金属液滴与水的相互作用经历了若干次加速膨胀细粒化过程,测量到熔融液滴的细粒化时间为0.8ms,两次细粒化的时间间隔为0.8ms,细粒化加速膨胀时间仅为0.4ms。根据实验观察和分析,提出了一种由熔融液滴与水接触面不稳定沸腾效应引起的热细粒化机理。     

钠冷快堆堆芯熔融物射流碎裂特性理论研究

在钠冷快堆严重事故下,堆芯熔融物可能掉入冷却剂中并与液态金属钠相互作用,导致熔融物的碎裂及凝固,并在堆芯捕集器或下封头内重定位形成堆芯碎片床。熔融物的射流碎裂特性直接关乎堆芯碎片床的冷却及再临界行为。本文基于线性稳定性理论、运动学方程和交界面修正拉普拉斯定律,推导出考虑沸腾和凝固效应的熔融物射流表面不稳定性增长方程,建立了液态金属钠中熔融物射流碎裂模型,并提出了典型环境中熔融物射流碎裂准则。随后使用熔融物射流碎裂模型对COSA实验结果进行了对比分析。本研究结果将为钠冷快堆严重事故的评估论证提供可靠工具,对严重事故缓解措施的设计也具有重要的指导意义和参考价值。     

液态金属与冷却剂相互作用机械能释放模型分析

基于熔融金属与冷却剂相互作用蒸汽爆炸粗混合理论分析,本文对高化学活性液态金属与冷却剂相互作用过程的化学反应及金属液滴细粒化过程进行了分析,建立了液态金属与冷却剂相互作用爆炸的机械能释放模型及爆炸压力峰值模型,研究表明溶解在金属液滴表面热边界层的氢气快速释放将导致熔融金属液滴表面细粒化,使高化学活性液态金属与冷却剂相互作用面积瞬间增大,快速释放的化学反应热使能量释放量级增加,模型计算结果与实验结果符合较好,能够分析不同液态金属初始温度和液态金属初始质量对能量释放及爆炸强度的影响。     

熔融锂液滴与冷却剂在不同温度下的相互作用实验研究

针对未来聚变装置中严重事故时可能发生的液态锂与冷却剂相互作用及爆炸过程,建立实验装置并在其上开展了熔融锂液滴与冷却剂相互作用实验研究。观测了不同初始温度下锂液滴与冷却剂相互作用的爆炸过程,对不同工况下的峰值压力进行了比较,并分析了熔融锂液滴初始温度和冷却剂初始温度对爆炸作用的影响。研究结果表明,熔融锂液滴与冷却剂接触面积的显著增大是产生压力峰值的关键因素,当熔融锂液滴温度超过300℃,冷却剂温度超过50℃时,熔融锂液滴与冷却剂相互作用爆炸强度明显增大;但是当冷却剂温度超过70℃时,爆炸反应反而受到了抑制。同时,在评估熔融锂液滴与冷却剂相互作用风险时,蒸汽爆炸作用的影响不可忽视。     

液态金属与冷却剂相互作用机械能释放模型分析

基于熔融金属与冷却剂相互作用蒸汽爆炸粗混合理论分析,本文对高化学活性液态金属与冷却剂相互作用过程的化学反应及金属液滴细粒化过程进行了分析,建立了液态金属与冷却剂相互作用爆炸的机械能释放模型及爆炸压力峰值模型,研究表明溶解在金属液滴表面热边界层的氢气快速释放将导致熔融金属液滴表面细粒化,使高化学活性液态金属与冷却剂相互作用面积瞬间增大,快速释放的化学反应热使能量释放量级增加,模型计算结果与实验结果符合较好,能够分析不同液态金属初始温度和液态金属初始质量对能量释放及爆炸强度的影响。     

快堆组件盒壁破损机理模型的建立与验证

快堆内发生超设计基准事故后，故障组件盒会发展到沸腾池，事故下一步的传播取决于池壁破损。文章采用机理建模方法，对3种主要盒壁破损机理建立模型，并在法国SCARABEE堆内实验中的BE+3和PV-A实验以及堆外GEYSER实验上进行了模型验证，模型计算结果与实验结果吻合较好。根据模型计算结果，对PV-A实验的池壁破损给予了合理解释，总结出快堆池壁破损的相关结论，并对堆内发生燃料-冷却剂相互作用（FCI）的可能性进行分析，给出了相关结论。     

初混合阶段熔融金属的热工水力特性

采用高速摄像仪拍摄记录熔融金属液柱入水碎化的过程.实验研究了熔融金属温度、入水事度、冷却水温度对熔融金属液柱下过得程的影响.实验结果表明,无量纲碎化长度与公式吻合得很好;熔融金属温度对金属下落速度没有影响;提高冷却水温度对熔融金属液柱的下降速度有一定的促进作用;大直径金属液柱的平均下降速度明显大于小直径的平均下降速度.     

快堆沸腾池数学模型

单组件盒内的沸腾池是快堆燃料组件瞬时堵流事故发展的一个重要阶段,这个阶段之后将会导致熔融物向组件盒外的传播.为了了解沸腾池的内部机理,本文建立了单组分沸腾池机理模型:采用漂移速度模型预测池内空泡份额的分布,用焓方法求解包裹沸腾池的燃料固化壳的温度场及厚度.根据不同的流型,对沸腾池和壁面间的换热Greene关系式进行了一些修正.结果表明,沸腾池的形成是由于冷却剂的排热能力降低,而形成的内部产热量和外部排热量的不平衡而导致的;这个热量的不平衡量是产生气泡的根源.Greene经验关系式适用于没有产生气泡之前的熔融池,形成沸腾池之后,要根据不同的流型对其做相应的修正.     

高温颗粒下落冷液中沸腾运动过程实验研究

高温颗粒在粘滞性冷液中沸腾蒸发瞬变运动引发蒸汽爆炸的工程安全问题,其流体动力特性与人们熟知的颗粒在粘滞性流体内的运动特性完全不同,是一多相热物理基础问题,涉及的过程和现象十分复杂.利用本实验室设计和建立的研究高温颗粒与冷却剂相互作用的实验装置,通过高速摄影记录小球的下落过程,分别进行了单个、多个粒子在不同温度和不同冷液过冷度条件下的系列试验,获得了下落小球运动过程曲线,从中得出一些有意义的结论,并为进一步研究高速瞬态蒸发传热奠定了实验基础.     

MELCOR2.2冷水入侵和熔融物喷出模型在MCCI计算中的应用

堆芯熔融物-混凝土相互作用（MCCI）产生的大量不凝气体导致安全壳压力快速升高，威胁安全壳的完整性。最新版本MELCOR2.2程序增加了冷水入侵和熔融物喷出模型以完善堆芯熔融物-混凝土相互作用现象的模拟。本文建立了大功率非能动压水堆堆腔几何模型，针对程序中添加的冷水入侵和熔融物喷出模型进行了应用分析。结果表明：在混凝土的消融过程中，冷水入侵和熔融物喷出模型的开启对熔融物和水接触面之间的硬质壳层有一定的影响；硬质壳层的反复形成和裂解加快了水的汽化，减弱了混凝土的消融速度；堆腔熔融物上部和侧部硬质壳层形成后，熔融物向下传热加强，混凝土的消融速度增加。新增模型能从细节上模拟堆芯熔融物-混凝土相互作用现象，为压水堆核电厂严重事故安全审评提供可靠技术保障。