堆積碎片床內多相-多維流動特性研究

《堆積碎片床內多相-多維流動特性研究》是依託西安交通大學，由李良星擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：堆積碎片床內多相-多維流動特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李良星
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

在核反應堆嚴重事故過程中，當熔融堆芯與冷卻水接觸後，就會在反應堆內不同位置形成尺寸不等、結構與形狀各異的顆粒碎片組成的具有多孔介質結構的特殊碎片床。由於含有核輻射材料，會產生衰變熱，因此碎片床必須被及時有效冷卻，否為會危及反應堆安全，造成放射物質泄漏。本研究課題針對輕水反應堆嚴重事故背景下形成的碎片床，在單一尺寸顆粒組成的多孔介質內一維流動與傳熱的傳統研究的基礎上，運用多相流動的理論和知識，通過實驗和理論分析，研究碎片床內的多維、多相流動現象，進而獲得碎片床內流動特性，揭示其流動機理，提出並最佳化其計算預測模型。研究內容一方面為嚴重事故的計算分析模型提供實驗驗證數據和理論支持，另一方面將為提高堆芯熔融碎片床的冷卻能力和分析研究新型冷卻方法提供技術支持。

結題摘要

在反應堆嚴重事故進程中，當熔融堆芯與冷卻水接觸後，會在反應堆內不同位置形成具有多孔介質結構的顆粒堆積碎片床。由於含有核燃料，碎片床會持續釋放衰變熱。如果碎片床不能被及時冷卻，就會威脅反應堆安全。碎片床冷卻進程中，冷卻水通過在顆粒堆積多孔介質結構內的流動和換熱進程，帶走碎片床的熱量，進而冷卻碎片床。因此，研究顆粒堆積多孔介質結構內的單相和兩相流動阻力特性，提高碎片床冷卻性，對抑制嚴重事故進一步發展，維護核電站的安全有重要意義。 項目設計並搭建了碎片床冷卻性常溫流動實驗系統，並首先進行了顆粒堆積床內一維單相流動實驗，驗證並獲得了實驗系統誤差。針對圓柱等非球形顆粒，研究提出了更加準確的等效直徑的計算方法；針對多尺寸顆粒均勻混合堆積床，研究發現多尺寸顆粒混合堆積床的有效直徑與流動雷諾數有關，當雷諾數較低時(Re<7),面積中值直徑可以表征其有效直徑；當雷諾數較高時(Re>7)，長度中值直徑更接近於其有效直徑。 在單相實驗的基礎上，開展了顆粒堆積床內空氣-水兩相流動實驗，並對比驗證了傳統兩相阻力模型。研究發現，對小尺寸顆粒堆積床，Reed模型計算值與實驗值吻合較好。對大尺寸顆粒（＞3 mm）堆積床，相間摩擦力影響顯著，只有考慮了相間摩擦的兩相模型可以預測兩相阻力變化趨勢，但現有模型計算值均與實驗值差別較大。結合理論分析，研究提出了更加準確的顆粒堆積床一維兩相阻力預測模型，降低了碎片床冷卻性分析的不確定性。 基於公開發表的反應堆碎片床顆粒的尺寸分布，設計構建了具有相似尺寸分布的球形顆粒混合堆積床和砂石顆粒堆積床。研究發現，具有寬廣尺寸分布範圍的顆粒堆積床，相似尺寸分布的顆粒床具有近似的有效直徑。 在上述研究的基礎上，設計並構建了顆粒水平分層堆積床，開展多維流動實驗。研究發現，顆粒分層堆積床比相同顆粒均勻混合堆積床產生了更低的流動阻力壓降，這有利於反應堆嚴重事故中碎片床的冷卻。研究結果對研發碎片床冷卻緩解技術有重要意義。