核电厂严重事故蒸汽爆炸数值模拟研究

【摘要】：在核电厂严重事故中,堆芯熔化后和冷却水相互作用,可能引发蒸汽爆炸现象,蒸汽爆炸过程伴随巨大的能量和压力波的产生,可能造成安全壳结构失效,导致放射性裂变产物释放到环境中。因此,有必要对核电厂严重事故下的蒸汽爆炸现象进行研究并对其负面效应进行评价分析。此外,由于目前国内尚缺乏熔融物热工水力相关程序的开发,因此对于熔融物热工水力数值模拟程序的开发也十分必要。 本文主要采用数值模拟手段,首先使用法国IRSN开发的三维多相熔融物热工水力程序MC3D针对百万千瓦级核电厂蒸汽爆炸事故负面效应进行分析评价。此外,在二维熔融物热工水力CFD程序JASMINE-PRO源程序基础上进行了修改和优化,并对修改后的程序进行了适用性分析。由于MC3D程序在研究蒸汽爆炸现象方面具有使用模型较新、程序稳定性较好、计算速度较快等优势,因此使用MC3D针对百万千瓦级核电厂蒸汽爆炸事故负面效应进行分析评价,首先建立二维模型,使用较精密网格,针对蒸汽爆炸现象进行计算分析,研究表明高温堆芯熔融物进入冷却水并与之发生相互作用,首先经历粗混合过程,该过程中,在相互作用区域内,压力变化并不大,对堆腔及安全壳完整性影响可忽略不计。蒸汽爆炸过程一旦发生,熔融物与冷却水交混区域会出现一个持续时间很短、峰值很高的压力脉冲,会对堆腔、安全壳结构造成极大损害。此外,蒸汽爆炸过程压力载荷的大小随着距离爆炸触发位置的增加而减小,堆腔中与冷却水接触的熔融液滴的体积总和越大,在该时刻触发蒸汽爆炸产生压力脉冲越大。 考虑在使用熔融物堆内维持,冷却剂外部冷却的严重事故缓解措施(IVR-ERVC)的情况下,针对百万千瓦级核电厂建立三维模型,从几何结构等敏感性参数出发,讨论不同敏感性参数变化对蒸汽爆炸产生的负面效应的影响,并综合导致蒸汽爆炸最大负面效应的各参数值,得到一个最恶劣的事故工况。在该工况下,蒸汽爆炸过程压力峰值很高,持续时间很长,产生冲量大,可能造成堆腔结构失效,十分危险。此外,针对三维模型的核电厂蒸汽爆炸进行了抽样分析,最终获得了蒸汽爆炸载荷的概率分布情况。 由于目前国内还尚未开发出专门计算包括蒸汽爆炸过程在内的熔融物热工水力程序,因此有必要针对此类问题在程序开发方面展开研究。本文从守恒方程和数值方法量方面以JASMINE-PRO程序源代码为基础,进行了程序的优化和修改。首先,由于该程序中使用的压力修正方程根据没有使用一阶迎风格式的连续性方程离散而得,因此与计算各流场体积份额的连续性方程存在一定程度的不吻合,因此,对压力修正方程进行修改,使得程序的守恒性得到较大提高;另一方面,对程序的数值方法进行优化改进,修改成两次压力修正的PISO方法,提升了程序的收敛速度。此外,根据MC3D中使用的熔融物液滴碎裂成熔融物碎粒的模型,对修改后的程序中使用的碎裂模型进行了修改。在完成对程序的优化和修改后,对程序进行了适用性分析。适用性分析表明修改优化后的程序的适用性得到了一定程度的拓展,其收敛速度、稳定性等方面也获得了很大提高。