大功率先进压水堆IVR有效性评价中熔池换热研究

熔融物堆内滞留-压力容器外部冷却（IVR-ERVC）是一种重要的核电厂严重事故缓解措施。当前针对IVR有效性评价的方法主要是基于集总参数模型对下封头熔池换热进行分析。在大功率先进压水堆熔池集总参数法计算中,堆芯重量变大、压力容器尺寸增加会导致熔池自然对流换热中的瑞利数Ra ′增大。通过使用集总参数分析程序,对比研究熔池氧化层各换热模型的适用范围,计算大功率先进压水堆高瑞利数条件下稳态熔池的自然对流换热,模拟两层稳态熔池模型中压力容器外壁面的热流密度分布,对其进行选定严重事故序列下的IVR-ERVC有效性评价,并对堆内构件设计提出建议。     

大功率先进压水堆IVR有效性评价分析

熔融物堆内滞留-压力容器外部冷却(IVR-ERVC)是核电厂重要的严重事故预防和缓解措施。目前IVR有效性的评价方法主要基于集总参数模型对下封头熔池的换热分析。通过计算大功率压水堆在典型严重事故序列中的堆芯熔化过程并参考相关法规,确定IVR-ERVC评价所需的输入参数概率密度函数,然后使用集总参数程序抽样计算以评价大功率堆IVR-ERVC有效性。结果表明:根据目前参数设计,大功率先进压水堆的IVR-ERVC有效性超过98%;最后分析各种不确定参数对IVR-ERVC有效性的影响程度并对堆内构件的设计提出建议。     

椭球形与球形下封头压力容器内熔融物滞留传热特性分析

严重事故下堆芯熔融物再分布于压力容器下封头，在衰变热作用下高温堆芯熔融物对压力容器壁面施加较大的热负荷，可能导致压力容器失效。针对压力容器内熔融物滞留下的传热过程，基于Fortran90语言开发了椭球形下封头压力容器内熔融物堆内滞留（IVR）分析程序IVRASA-ELLIP，计算具有椭球形下封头的压力容器在严重事故下稳态熔池的传热过程及IVR特性。利用IVRASA-ELLIP程序计算了VVER-1000压力容器内熔池的传热，分析具有椭球形下封头的压力容器各处的壁面热流密度、氧化物硬壳厚度和压力容器壁厚，并与运用IVRASA程序计算的AP1000稳态熔池传热结果进行对比分析。研究结果表明，在相同初始参数下椭球形下封头内的壁面热流密度较球形下封头内的小，与热流密度的变化趋势相对应，椭球形下封头内压力容器壁的消融量较球形下封头内的小，椭球形下封头内形成的氧化物硬壳厚度较球形下封头内的厚。     

基于ASTEC程序的反应堆严重事故下压力容器下封头传热分析

反应堆压力容器内熔融物滞留是先进反应堆设计严重事故缓解措施中的重要选项之一，在维持反应堆压力容器的完整性，包容堆芯熔融物方面具有重要作用。确保熔融物滞留有效性的关键是保证下封头内壁热负荷不超过下封头外壁面换热能力，而且在整个过程中不发生结构失效，即下封头剩余壁厚能够实现熔融物的承载。应用ASTEC程序，基于大型先进压水堆的设计，针对反应堆压力容器内熔融物滞留系统运行过程中冷却剂热工参数、下封头外壁面临界热流密度和最终下封头厚度进行计算分析，通过研究熔池对下封头的熔蚀和剩余厚度，判断下封头残留厚度对于熔融物的包容，评估系统的有效性。结果表明：在下封头较上部位置的部分区域内，换热较为剧烈，其中热流密度最大值出现在熔融物分两层的交界处，事故过程中下封头内壁将被熔融物金属层熔化，剩余厚度满足包容要求，但是最终剩余厚度十分有限。     

IVR-ERVC下压水堆压力容器下封头传热及应力/应变分析

以某1000?MW压水堆为例，利用二维极坐标热模型分析RPV壁面与双层堆芯熔池和外部冷却水堆腔之间的传热，计算下封头壁面瞬态二维温度场分布和烧蚀情况，同时通过有限元分析程序计算下封头壁面的各瞬态温度场和烧蚀引起的热应力/应变情况，分析压水堆RPV下封头在压力容器内熔融物滞留-压力容器外冷却（IVR-ERVC）下的结构完整性。计算结果表明:①芯熔融坍塌后200?s下封头壁面开始熔融，最薄厚度直线下降；3000?s后熔融区沿下封头内壁呈一片柳叶形状分布；②下封头内表面的吸热热流大于外表面的散热热流，在两层熔池界面处内外表面热流密度达到最大值；③RPV下封头热应力在0~400?s时集中于下封头内壁面；在400 s后，下封头内壁面热应力逐渐减小，形变量逐渐增大，下封头完整性可以得到保证；④2000?s以后，RPV下封头烧蚀损伤处内外壁面均产生应力集中，下封头烧蚀处内外壁应力值均大于许用应力，在2000?s后有可能发生断裂，在烧蚀损伤边缘处可能出现破口。      

熔融物压力容器内滞留瞬态传热特性分析

基于SCDAP/RELAP5程序建立了用于熔融物压力容器内滞留（IVR）瞬态分析的系统简化模型,通过对模块式小型堆IVR过程的瞬态计算与分析,初步探索了IVR策略实施过程中压力容器下封头的瞬态热负荷特性。SCDAP/RELAP5程序的计算结果表明,利用外部冷却实施IVR策略的瞬态传热特性可分为熔融物注入之初的激烈传热阶段和熔融物硬壳形成之后的准稳态传热阶段。模块式小型堆的IVR瞬态分析表明,瞬态过程中的热流密度峰值不会达到临界热流密度,最终形成的稳定熔融池传热具有很大的安全裕量。研究同时发现SCDAP/RELAP5程序用于IVR分析时在模型上存在一定的不足。     

CAP1400熔融物堆内滞留试验验证研究

通过反应堆压力容器外部冷却(ERVC)实现熔融物堆内滞留(IVR)技术是核电厂严重事故缓解的重要措施之一。针对CAP1400 IVR措施实施,开展了提高临界热通量关键因素(FIRM)试验研究,本论文详细介绍了验证试验的台架设计、主要技术参数和试验结果。本试验结果对于研究反应堆压力容器IVR-ERVC条件下的外部临界热流密度(CHF)特性具有重要学术意义,并对提高反应堆压力容器的安全性具有重要工程应用价值。     

真实表面材料及其老化效应对反应堆压力容器ERVC-CHF影响的试验研究

通过反应堆压力容器外部冷却（ERVC）实现熔融物堆内滞留（IVR）技术是核电厂严重事故缓解的重要措施之一。在本文的研究中,建立了二维切片式、全尺寸的试验台架FIRM,开展严重事故条件下反应堆压力容器ERVC-临界热流密度（CHF）试验研究。试验采用去离子水作为试验工质,获得了反应堆压力容器下封头ERVC过程的CHF限值。研究了真实表面材料对CHF的影响及其影响机理,讨论了在去离子水下表面材料SA508 Gr3. Cl.1钢的老化效应。本试验研究对于认识反应堆压力容器IVR-ERVC条件下的CHF行为、提高反应堆压力容器安全性有重要意义。     

ROAAM应用于ACP1000严重事故下实施IVR策略的有效性概率分析

基于堆芯熔融物与压力容器传热的机理分析模型,采用风险导向事故分析方法(ROAAM)分析压水堆在严重事故情况下通过冷却压力容器外部的手段来实施堆芯熔融物滞留在压力容器内(IVR)策略的有效性。以核电厂一级概率安全评价(PSA)分析结果为参考,计算ACP1000典型严重事故序列,分析影响熔融物传热的重要参数不确定性。概率分析结果表明:ACP1000发生假象的严重事故情况下,IVR策略有效性概率大于99%;由于熔融池顶部的金属层出现集热效应,下封头发生传热危险的主要位置出现在金属层。     

大型先进压水堆IVR策略评估和裂变产物分布计算

大型先进压水堆通过堆内熔融物滞留(IVR)策略来缓解严重事故后果以降低安全壳失效风险。其中堆腔注水系统(CIS)被引入来实现IVR。本文使用严重事故分析软件计算大型先进压水堆在冷管段双端断裂事故下的事故进程、热工水力行为、堆芯退化过程和下封头熔融池传热行为,评估能动CIS的事故缓解能力。计算结果表明,事故后72 h,下封头外表面热流密度始终低于临界热流密度(CHF),表明IVR策略有效。此外,计算分析了惰性气体、非挥发性和挥发性裂变产物的释放和迁移行为。计算发现,IVR下更多的放射性裂变产物分布在主系统内,壁面核素再悬浮形成气溶胶的行为被消除,安全壳壁面上沉积的核素被大量冷凝水冲刷进入底部水池。总体来说,IVR策略能更好地管理放射性核素分布,减小放射性泄漏威胁。     

Analysis of safety margin of in-vessel retention for AP1000

In-vessel retention (IVR) of core melt is a key severe accident management strategy adopted by most operating nuclear power plants and advanced light water reactors (ALWRs), AP600, AP1000, etc. External reactor vessel cooling (ERVC) is a novel severe accident management for IVR analysis. In present study, IVR analysis code in severe accident (IVRASA) has been developed to evaluate the safety margin of IVR in AP1000 with anticipative depressurization and reactor cavity flooding in severe accident. For, IVRASA, the point estimate procedure has been developed for modeling the steady-state endpoint of two core melt configurations: Configuration I and Configuration II. The results of benchmark calculations of AP600 by IVRASA were consistent with those of the UCSB and INEEL. Then, IVRASA is used to calculate the heat transfer process caused by two core melt configurations of AP1000. The results of calculations of Configuration I indicate that the heat flux remains below the critical heat flux (CHF), however, the sensitivity calculations show that the heat flux in the metallic layer could exceed the CHF because of the focusing effect due to the thin metallic layer. On the other hand, the results of calculations of Configuration II suggest that the thermal failure of the lower head at the bottom location is highly unlikely, but the heat flux in light metallic layer could be higher than that of base case due to the portion of metal partitioning into the lower head. This work also investigated the effect of the uncertainties of the CHF correlations on the analysis of IVR.     

An assessment methodology for in-vessel corium retention by external reactor vessel cooling during severe accidents in PWRs

A consistent probabilistic approach is proposed to evaluate the feasibility of in-vessel retention of the molten corium through external reactor vessel cooling (IVR-ERVC) during severe accidents of pressurized water reactors (PWRs). By combining the results of Level-1 probabilistic safety assessment, a critical heat flux correlation, and wall heat flux distributions calculated by a severe accident code with appropriate adjustment, we can reasonably predict the overall success probability of the IVR-ERVC from the viewpoint of thermal failure. The practicability of the proposed approach is illustrated with a preliminary application to the Korean Standard Nuclear Power Plant. This paper also discusses future developmental needs for more reliable assessment.     

成核密度模型对弧形表面CHF的影响

反应堆发生严重事故时,必须及时对反应堆压力容器（RPV）下封头进行外部冷却以降低下封头损毁可能性,事故期间下封头具有很高的热流分布,在实施外部冷却时可能出现由于过冷沸腾导致的气泡聚集而产生换热恶化从而烧毁。本研究利用ANSYS Fluent软件进行RPV外部冷却的临界热流密度（CHF）数值计算,并通过实验对比发现Basu Warrier和Dhir研究的成核密度模型可以很好地应用于球形表面CHF计算。通过对比球形和椭球形下封头CHF,认为椭球形下封头的CHF特性与球形结构完全不同,并不能用球形结构的实验和计算结果去推测椭球形结构的数值和变化规律。      

大型先进压水堆IVR策略评估和裂变产物分布计算

大型先进压水堆通过堆内熔融物滞留（IVR）策略来缓解严重事故后果以降低安全壳失效风险。其中堆腔注水系统（CIS）被引入来实现IVR。本文使用严重事故分析软件计算大型先进压水堆在冷管段双端断裂事故下的事故进程、热工水力行为、堆芯退化过程和下封头熔融池传热行为,评估能动CIS的事故缓解能力。计算结果表明,事故后72 h,下封头外表面热流密度始终低于临界热流密度（CHF）,表明IVR策略有效。此外,计算分析了惰性气体、非挥发性和挥发性裂变产物的释放和迁移行为。计算发现,IVR下更多的放射性裂变产物分布在主系统内,壁面核素再悬浮形成气溶胶的行为被消除,安全壳壁面上沉积的核素被大量冷凝水冲刷进入底部水池。总体来说,IVR策略能更好地管理放射性核素分布,减小放射性泄漏威胁。     

增强IVR有效性的堆内注水策略研究

熔融物堆内滞留（IVR）是一项核电厂重要的严重事故管理措施,通过将熔融物滞留在压力容器内,以保证压力容器完整性,并防止某些可能危及安全壳完整性的堆外现象。对于高功率和熔池中金属量相对不足的反应堆,若下封头形成3层熔池结构,则其顶部薄金属层导致的聚焦效应可能对压力容器完整性带来更大的威胁。本文考虑通过破口倒灌及其他工程措施实现严重事故下熔池顶部水冷却,建立熔池传热模型,分析顶部注水的带热能力,建立事件树,分析顶部注水措施的成功概率及IVR的有效性。结果表明,通过压力容器内外同时水冷熔融物,能显著增强IVR措施的有效性。     

Development of critical heat flux correlation for In-vessel retention

ABSTRACT

In-vessel retention (IVR) is a strategy for severe accident management in which the lower head of the reactor vessel is submerged in a water-flooded reactor cavity. Critical heat flux (CHF) data for IVR are important for estimating cooling capacity of the reactor vessel. The existing CHF data for IVR which were obtained for the specific geometries and thermal-hydraulic conditions of actual plants are difficult to be applied to plants with other specifications. Hence, the purpose of this study is to develop CHF correlations applicable to various pressurized water reactor plants in a wide range of thermal outputs based on newly obtained CHF data. A rectangular test section with a cross-section of 150 mm × 150 mm and length of 600 mm was used for simulating a cooling channel. The thermal-hydraulic conditions expected in actual plants were studied, and the results were used in the experiment. The effects of parameters such as pressure, mass flux, thermodynamic quality, and angle on CHF were investigated . Based on these results, we developed a CHF correlation formula that can be applied to a wider range than previously, up to a maximum heat flux of 3000 kW/m², and that predicts CHF with an error of ± 10%.     

氧化铝纳米流体增强球形下封头IVR能力边际研究

为评价氧化铝纳米流体相对于纯水工质对球形下封头熔融物滞留（IVR）能力边际的拓展程度,采用基于气泡力平衡的氧化铝纳米流体临界热流密度（CHF）机理模型和壁面热通量拆分CHF模型计算球形下封头外表面纳米流体CHF。利用熔融物堆内滞留分析软件CISER开展衰变热分布抽样计算,得到下封头壁面CHF随倾角变化的随机分布,并将其与纳米流体CHF模型的理论值相比,以CHF比值小于1作为IVR成功准则,研判纳米流体对IVR能力边际拓展的影响程度。研究结果表明,若不对下封头内外传热构成采取任何优化措施,仅采用纳米流体替代纯水工质,压水堆核电厂的IVR能力边际能够拓展至1300 MW额定电功率水平。      

基于衰变热不确定性的压水堆IVR能力边际研究

为确定衰变热对高功率压水堆熔融物堆内滞留（IVR）能力边际的影响,采用显著性水平评价与抽样失效率相结合的评价方式,对IVR能力边际进行评价。利用熔融物堆内滞留分析工具CISER开展抽样计算,获得不同核电厂电功率水平、不同衰变热分布参数条件下的下封头壁面热流密度峰值与当地临界热流密度（CHF）的比值,对热流密度比分别开展显著性水平估算与失效率计算,根据小于局部CHF的下封头熔穿准则,判定IVR措施是否有效,以获得IVR能力边际。研究结果表明,若不对下封头内外传热构成进行任何优化措施,电功率超过1400 MW压水堆电厂不推荐单独使用IVR作为严重事故条件缓解措施。