熔堆事故下压力容器下封头烧蚀CFD模拟
作者单位：北京化工大学
学位级别：硕士
导师姓名：卢涛
授予年度：2024年
学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学]
摘 要：在核电厂发生严重事故时可能导致堆芯和构件熔化,形成高温熔融池,烧蚀压力容器下封头,在工程上常常通过外部冷却容器,保持熔融物在容器内,来减轻事故的严重性。研究压力容器内堆芯的熔化与堆积和反应堆压力容器壁面的烧蚀传热对保证压力容器完整性至关重要。当熔化的堆芯物质在下封头内形成分层的熔池结构后,对熔池的热工水力研究是判断容器是否发生烧蚀的关键因素,选择合适的湍流模型来准确描述其热工水力特性是首要任务。 本文以既有实验数据为原型,选用不同湍流模型对压力容器下封头内熔池进行数值模拟,通过拟合度评价不同湍流模型的适用性和准确性,研究了双层熔池在准稳态条件下的温度场、速度场以及液相场的特性,并分析了容器外壁面是否设有冷却流道对压力容器下封头熔池传热效果的影响;应用了WMLES模型和熔化凝固模型,省去了容器外壁面流道,进行了HPR1000反应堆的全尺寸三维仿真,以研究下封头内熔池的热工水力特性以及衰变热功率、顶部边界条件、衰变热分布对下封头烧蚀的影响。主要研究内容和结论如下: (1)基于现有实验数据为基础,采用不同的湍流模型对压力容器下封头内的熔池进行了数值模拟,并通过拟合度来评估了各湍流模型的适用性和准确性。不同湍流模型下的模拟结果与实验值比较,模拟值与实验之间的偏差都在10%以内,说明CFD方法模拟双层熔池流动与传热过程具有较高的精度。以无量纲参数Θ和Φ来表示计算值与实验值的拟合度,选择拟合度较好的WMLES模型进行后续的数值模拟仿真。 (2)根据上述优选的湍流模型,探讨了双层熔池准在稳态下的温度场,速度场和液相场特性,并分析了容器外壁面是否存在流道对熔池传热过程的影响。研究结果表明:在氧化层下部存在热分层现象,中上部温度分布均匀,熔池温度随高度增加而升高,且壁面处的温度较低,金属层的温度低于氧化层。在氧化层上部存在强烈的湍流,而靠近壁的区域,流动速度先增加后减小,在底部糊状区域内,熔液速度缓慢并呈现横向流动趋势。壳层厚度随壁面径向角度增大而减小,熔池底部壳层最厚。当容器外壁面有冷却流道时,流体分层效果更加明显,金属层整体温度上升,氧化层上部湍流更强烈,但对熔池主要部分的温度场和速度场影响不大,证实了即使容器外壁面冷却介质无法流动和冷却容器,熔池的严重事故管理策略(Severe Accident Management,SAM)仍可有效实施。 (3)基于WMLES模型和熔化凝固模型,并简化外壁面流道的结构,对HPR1000反应堆进行了全尺寸的三维模型仿真,探究了下封头内熔池的热工水力特性以及衰变热功率,顶部边界条件,衰变热分布等因素对压力容器下封头烧蚀的影响。研究结论如下:随着时间推移,双层熔池的温度逐渐下降,靠近金属层的容器内壁由于集热效应开始熔化,熔化区域向容器壁内部和上端扩散,但未导致容器烧穿。随着衰变热密度的增加,熔池温度升高,底部分层区域扩大,氧化层中上部和金属层的壁面热流密度增大,容器壁的的烧蚀面积也更大。顶部冷却边界的影响导致金属层温度迅速下降,壁面热流密度降低,发生凝固,避免了由于集热效应导致的壁面烧蚀。然而,金属层额外的衰变热对氧化层的影响不大,仅在金属层中上部区域加剧了集热效应。 综上,本文优选了适用于熔池的湍流模型,对比分析了容器外壁面存在冷却流道的影响,并围绕核反应堆严重事故下压力容器内部熔池的热工水力特性以及对容器壁的烧蚀作用展开了探究,对比分析了不同衰变热功率,顶部边界条件,衰变热分布对下封头烧蚀的影响,为压力容器内熔池自然循环回路数值模拟提供了一定的理论基础,对设计相应的熔融物滞留方案具有一定的应用价值。
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