壓力容器下封頭內熔融物動態分層行為的機理研究

《壓力容器下封頭內熔融物動態分層行為的機理研究》是依託西安交通大學，由李根擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：壓力容器下封頭內熔融物動態分層行為的機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李根
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

核反應堆嚴重事故下，熔融物在壓力容器下封頭內的分層行為是影響壓力容器失效方式的關鍵問題。本項目採用理論分析、實驗研究與數值模擬相結合的方法，對熔融物的動態分層行為展開研究。首先建立與熔融物動態分層相關的衰變熱模型、固液混流模型、動態固液相變模型、共晶反應模型和化學反應模型，同時開展動態分層模擬實驗，結合文獻實驗數據，對理論模型進行驗證；進而採用具有組分與相界面捕捉優勢的無格線MPS方法，耦合各理論模型，實現對熔融物組分流動傳熱和物理化學反應信息的準確追蹤；研究熔融物內部動力學、熱力學和化學不平衡對動態分層行為的耦合作用規律，分析分層結構的形成與演變過程，揭示熔融物的分層機理；最後研究熔融物參數和事故條件對動態分層行為及內部傳熱特性的影響規律，獲得多因素耦合影響機制，提出反應堆嚴重事故下最具可能性的事故進程。本研究對提升核反應堆安全性及應對核電站嚴重事故具有重要意義。

結題摘要

熔融物在壓力容器下封頭內的遷移與分層行為是核反應堆嚴重事故進程中的重要現象，直接影響壓力容器的失效、熔融物的泄漏及後續事故現象。然而，熔融物具有多組分和多相態特徵，且組分與相界面比較複雜，使得熔融物遷移與分層行為機理的研究變得比較困難。本研究採用具有界面捕捉優勢的MPS方法，建立了熔融物衰變熱釋放、固液相變、固液混流、共晶反應、湍流和表面張力等模型，對熔融物在壓力容器下封頭內的行為開展了研究。首先，對熔融物的動態分層行為進行了研究，獲得了不同的熔融物物性（粘度、表面張力）、溫度和遷移方式對分層形態的影響規律。結果表明，金屬與氧化物間較大的表面張力有助於分層的進行，但較大的粘度會延長分層時間；熔融物溫度較低時，在完全分層前氧化熔融物出現凝固，阻礙了分層的進一步進行，而在較高溫度時，分層可以充分發展；在氧化熔融物消熔金屬固態層過程中，隨著熔融物的相變和遷移，分層結構呈現了兩層-三層-五層-三層的演化過程；在高溫金屬和氧化熔融物同時遷移時，熔融物迅速形成兩層分層結構。其次，對熔融物在碎片床內的遷移行為進行了研究，獲得了碎片床孔隙率、碎片床溫度和熔融物溫度對熔融物遷移形態和遷移距離的影響規律。結果表明：金屬熔融物在氧化物碎片床內遷移距離首先迅速增加，然後逐漸變緩，最後由於熔融物硬殼的形成而終止遷移，並且在碎片床上部形成熔池；熔融物的遷移距離隨著碎片床孔隙率和熔融物溫度的增大而增大。最後，對熔融物射流消熔壓力容器的現象開展了研究，得到了不同過熱度的金屬和氧化熔融物對壓力容器壁面消融速率。結果表明，高熔點的熔融物射流在與壓力容器相互作用時，在接觸界面處會形成一層硬殼，並且硬殼厚度隨著熔點的升高而增加，同時硬殼下面存在一層熔融層；當熔融物熱度較低時(10K, 100K)，氧化熔融物對壓力容器的損傷較大，而在較高過熱度時(300K)，金屬熔融物對壓力容器的損傷較大；因此嚴重事故下壓力容器的損傷主要來自於高溫金屬熔融物。