铅基堆SGTR事故下气泡分布与运动行为研究

作     者：袁浩然 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢涛;李海涛

授予年度：2023年

学科分类：082703[工学-核技术及应用] 08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：自然循环 铅冷快堆 蒸汽发生器传热管破裂 离散相模型 气泡轨迹追踪 

摘      要：铅冷快堆由于其良好的嬗变潜力及核燃料增值能力,成为广受看好的第四代反应堆堆型之一。由于铅冷快堆常用的池式结构布置,使得一回路复杂多变的热工水力现象有可能导致蒸汽发生器传热管破裂事故(Steam Generator Tube Rupture,SGTR)。而一二回路工作介质直接接触产生的大量气泡可能会增加堆芯内部的空泡率或影响局部区域的换热能力,进而对反应堆的正常运行构成威胁。因此,对气泡在反应堆内部的运动行为特征进行分析很有必要。本文主要研究蒸汽发生器传热管破裂事故中产生的气泡运动行为及区域分布。研究对象为自然循环铅冷快堆SNCLFR-100,通过构建研究对象的三维模型来运用计算流体力学方法对其进行求解。基于模拟结果总结归纳气泡分布规律,通过改变泄漏点高度及方位,对比分析气泡运动行为特征、气泡尺寸分布以及气泡区域分布。主要研究内容及结论如下:(1)基于自然循环铅冷快堆SNCLFR-100三维模型验证计算流体力学方法对铅基冷却剂流动与传热过程预测的精确度,优选出适合模拟铅冷快堆冷却剂流动与传热的湍流模型及湍流普朗特数模型。不同模型下的计算结果与反应堆设计数据之间的偏差值在±5%以内,以无量纲数θ表征计算结果与设计值的相对误差。经综合考量后选定标准k-ε湍流模型与Jischa湍流普朗特数模型相结合的计算模型进行后续的数值模拟。(2)根据气泡上浮终端速度评估改变曳力系数计算关联式对DPM离散相模型正确性的影响,并使用DPM模型实现对铅冷快堆SGTR事故下反应堆一回路内气泡运动的轨迹追踪,从而研究不同曳力计算模型对气泡运动的影响。根据气泡终端速度计算式验证DPM模型的正确性,并根据自然循环铅冷快堆实际工况设置边界条件以及数值求解方法,通过数值模拟方法对比分析不同曳力系数模型,提取各监测面气泡通过概率选择较为保守的曳力模型来表征气泡跟随冷却剂的受力情况,进而为后续气泡运动规律分析奠定理论基础。(3)根据验证优选后的计算模型及数值方法对气泡运动特征和气泡滞留特性展开研究,从气泡轨迹追踪、气泡尺寸分布及各区域气泡滞留概率等角度对比分析泄漏点不同高度及方位对气泡运动行为特征的影响。得出结论如下:首先随着泄漏点高度的增加,中部工况下进入堆芯的气泡数量减少,而内侧工况下进入堆芯的气泡数量反而增加,旁侧及外侧工况受泄漏点高度的改变影响较小;其次各尺寸气泡的运动行为也受泄漏点高度所影响,其中内侧及外侧的小尺寸气泡进入堆芯的概率会随高度的增加而增加,但中部工况则呈现出相反的趋势,旁侧工况所受影响较小,对于中大尺寸的气泡而言,旁侧工况下积聚于水平隔板下方的气泡会更多;最后对各区域气泡滞留概率进行分析,其中进入堆芯的气泡整体保持随高度的增加而减少的趋势,而下腔室内滞留的气泡也会相应增多,对于同一泄漏点高度下的不同方位,下腔室内滞留气泡概率变化较小,剩下区域内中部及内侧工况会更快达到气泡滞留峰值,外侧工况持续保持增长的趋势。综上所述,本文针对自然循环铅冷快堆SGTR事故下内部气泡运动特征进行了研究,对比分析不同泄漏点高度及方位对其的影响,其结果对后续研究堆芯空泡率上升造成的影响具有一定参考价值。