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。     

Churchill-Chu关系式在极薄金属层内传热的适用性研究

在假设的堆芯融毁事故中,反应堆压力容器的下封头内可能会形成分层的熔池结构。底部重金属层的形成会导致熔池顶部的金属层高度逐渐降低,使得顶部金属层的侧壁热聚焦效应逐渐增强,压力容器有可能会失效。本文通过开展HELM?LR试验,针对薄金属层在低高度条件下的传热进行了研究。结果表明,Churchill?Chu径向传热关系式在低高度的条件下依然适用。Churchill?Chu关系式在低高径比且以水为工质的条件下,计算结果偏不保守。将Churchill?Chu关系式运用到反应堆的熔池结构案例中发现,随着氧化物层衰变功率的增大和薄金属层高度的降低,氧化物层的等温边界假设将不再适用;虽然薄金属层侧壁的热聚焦效应仍会随其高度的降低而逐渐增强,但增加速度变缓慢。     

ASTEC程序中反应堆熔池结构对压力容器下封头换热计算的影响

反应堆严重事故工况下堆内环境复杂,针对下腔室内熔融物行为的试验非常有限,因此通常采用假设的熔池结构模型进行事故评价。本文使用ASTEC程序中的3种熔池结构模型,评价典型严重事故工况下不同熔池结构对下封头内壁换热及压力容器完整性的影响。计算结果表明:在外壁绝热且下封头失效仅使用温度限值的条件下,两层熔池结构导致下封头失效时间最短,且由于顶部金属层集热效应,失效位置位于熔池上部;三层熔池结构由于底层金属层的出现,使下封头下部温度持续升高而发生失效,但其失效时间长于两层熔池结构的情况。     

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。     

三层熔池结构对AP1000反应堆压力容器外壁面热流密度的影响

严重事故后期，反应堆压力容器（RPV）下腔室内熔融物（U-Zr-O-Fe）可能发生分层。但目前采用的三层熔池结构分析模型之间有较大差异。本文采用了3种不同熔池结构模型:Esmaili & Khatib-Rahbar模型、Seiler模型、MAAP5程序模型分别计算了AP1000电厂的三层熔池结构并对RPV外壁面热流密度分布进行分析。结果表明，3种计算模型计算的熔池结构差异很大，进而影响了RPV外侧的热流密度分布。相比Esmaili & Khatib-Rahbar模型，Seiler模型更为保守。而MAAP5程序模型虽然在计算氧化物层和重金属层成分时是基于热力学理论，但轻金属层成分的确定方法尚待进一步改进。      

三层熔融池结构情况下反应堆压力容器外水冷有效性分析

通过反应堆压力容器外水冷(ERVC)实现熔融物压力容器内滞留(IVR)是300 MW压水堆核电厂重要的严重事故管理特征。在过去IVR分析中通常对反应堆压力容器(RPV)下封头内两层熔融池结构进行分析,然而核电厂还可能出现一种底部为重金属层的3层熔融池结构,它可能对RPV完整性带来更大的威胁。本文根据建立的模型假设300 MW压水堆核电厂出现的该熔融池结构,并进行分析。结果表明,形成的底部重金属层不会威胁RPV完整性,但厚度变薄的顶部金属层失效裕度较小,可能威胁RPV完整性。     

压力容器下腔室熔池结构计算方法研究

根据堆芯熔融物向下封头迁移的不同路径,给出压力容器下腔室内熔池结构的计算方法,并用MASCA实验结果对该方法进行验证。以百万千瓦级核电厂为对象计算全厂断电(SBO)事故工况下的熔池结构,结果表明,熔融物从侧面迁移到下封头,最终形成的熔池结构为3层。本方法可为熔融物堆内滞留条件下压力容器下封头的完整性判断提供条件。     

先进压水堆熔融物堆内滞留参数不确定分析研究

压水堆核电厂在严重事故下将发生堆芯熔化事故而形成熔融池。形成熔融池的过程具有很大的不确定性,这影响到反应堆压力容器熔融物堆内滞留（IVR）策略的有效性。本工作以AP1000核电厂两层IVR模型为研究对象,对成功实施反应堆压力容器外部冷却（ERVC）的假想严重事故进行了熔融池参数不确定性分析,包括参数的敏感性分析和使用拉丁超立方抽样的概率分析。结果表明：衰变功率对IVR评价参数影响最大,应采取措施（如上堆腔注水）尽量延缓堆芯熔化的时间;熔融物中不锈钢的质量将对金属层参数造成较大影响,可考虑在压力容器内布置牺牲性材料来减小金属层的集热效应;氧化物层外压力容器失效的概率仅为1.2%,但金属层外压力容器失效的概率高达20%。本结果对今后IVR策略研究和设计具有一定的指导意义,同时也为压水堆核电厂安全评审提供理论支持。     

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。     

基于耦合CFD-FEM方法的严重事故下RPV蠕变失效风险评估

核电站严重事故发生后，反应堆压力容器（RPV）的剩余固壁在高温差、内压、熔池重量等的作用下可能发生蠕变失效。本文以CPR1000 RPV为研究对象，基于FLUENT软件二次开发求解反应堆压力容器下封头烧蚀温度场，然后基于ANSYS Workbench开展耦合CFD-FEM力学分析，求解严重事故下RPV烧蚀温度场稳定后72 h内的等效应力、等效塑性应变和等效蠕变应变，并评估了RPV的蠕变失效风险。结果表明：当堆坑注水等措施投运后，RPV剩余固壁在72 h内不会发生蠕变失效和塑性变形失效，有效卸压可明显提升RPV结构完整性的安全裕度。     

IVR中熔融堆芯被牺牲性材料稀释后的RPV弹塑性有限元分析

布置氧化物牺牲性材料（OSM）的熔融堆芯稀释方案是一种较有前途的容器内滞留（IVR）增强技术。布置OSM后,堆芯熔融物的质量和体积增大,且熔池结构发生翻转,氧化物层位于反应堆压力容器（RPV）直筒段,因此分析布置OSM后RPV的结构完整性是评价稀释方案可行性的重要研究内容。本文分别对未布置OSM（传统IVR）和布置OSM后的RPV进行弹塑性分析。研究发现,RPV结构不连续区域是结构中最薄弱的位置,未布置OSM时,结构不连续部位进入极限承载状态,但此处外壁面的最大纵向主应变较小（约3.9%）,RPV不会发生塑性撕裂失效;布置OSM后,RPV的结构承载能力显著增强,在远离结构不连续区域的部位,壁面非屈服区厚度增大,即使在结构不连续部位,壁面也未进入极限承载状态,且也不会发生塑性撕裂失效。     

Risk Assessment of Creep Failure for RPV under Severe Accident Condition Based on Coupled CFD-FEM Method

After a reactor core melt accident, creep failure may occur in the residual solid wall of the reactor pressure vessel (RPV) under the influence of high temperature difference, internal pressure and the weight of the molten pool. In this work, the CPR1000 RPV was used as a research object. The ablation temperature field of the lower head of RPV was solved through the secondary development of the FLUENT software. And then, a CFD-FEM coupling analysis was carried out based on ANSYS Workbench software. The equivalent stress, the equivalent plastic strain and the equivalent creep strain of the RPV within 72 h under severe accident after the wall ablation and temperature field distribution formed stably were calculated. The risk of creep failure of the RPV was evaluated. The results show that when the reactor pit water injection measure puts into operation, the residual solid wall of the RPV will not experience creep failure and plastic deformation failure within 72 h, and besides, the pressure relief can significantly increase the safety margin of the structural integrity of the RPV.     

Validation and application of the WABE code: Investigations of constitutive laws and 2D effects on debris coolability

The WABE-2D model aims at the problem of coolability of degraded core material during a severe accident in a light water reactor (LWR) and describes the transient boil-off and quenching behavior of debris beds. It is being developed in the frame of the KESS code system, which is considered to describe the processes of core heatup, melting, degradation and relocation to the lower plenum as well as the subsequent behavior. The models developed in this frame are being integrated in the German system code ATHLET-CD.An emphasis of the present contribution lies on multidimensional aspects of the cooling behavior. From multidimensional features a significant improvement of overall coolability is expected compared to what is concluded based on classical one-dimensional analyses. Such analyses – also mainly oriented at top cooling conditions – additionally miss the expected importance of interfacial drag which should support coolability in co-current flow situations due to bottom flooding. The latter situation plays a role in the multidimensional behavior expected under realistic conditions. Thus, a further emphasis in the present contribution lies on the constitutive drag laws and their effects in such configurations.Calculations comparing top and bottom flooding and the influence of interfacial friction are presented. An explanation for effects observed in related experiments at Forschungszentrum Karlsruhe is provided based on this influence. The significant increase of dryout heat flux with water inflow from below, driven by a lateral water column, is reproduced and understood. Enhanced cooling due to this and in general by lateral inflow is also demonstrated for reactor scenarios, considering particulate debris in the lower head of the reactor pressure vessel (RPV) of a LWR or in a deep water pool in the reactor cavity of a boiling water reactor (BWR). Cooling by steam flow through local dry zones can establish under lateral water supply to regions below and yield a further extension of coolability. Quenching of hot material is also analyzed. Finally, cases with loss of coolability, dry zone formation and melting are considered, especially in the perspective to analyze melt pool formation in the lower head of the RPV and the history of thermal interaction with the lower head wall. The latter will determine failure possibilities and modes of the RPV.     

Ex-vessel fuel-coolant interaction experiment in the DISCO facility in the LACOMECO project

In the frame of the LACOMECO (large scale experiments on core degradation, melt retention and containment behavior) project of the 7th European Framework Program, a test in the DISCO (dispersion of corium) facility was performed in order to analyze the phenomena which occur during an ex-vessel fuel–coolant interaction (FCI). The test is focused on the premixing phase of the FCI with no trigger used for explosion phase. The objectives of the test were to provide data concerning the dispersion of water and melt out of the pit, characterization of the debris and pressurization of the reactor compartments for scenarios, where the melt is ejected from the reactor pressure vessel (RPV) under pressure. The experiment was performed for a reactor pit geometry close to a French 900 MWe reactor configuration at a scale of 1:10. The corium melt was simulated by a melt of iron–alumina with a temperature of 2400 K. A containment pressure increase of 0.04 MPa was measured, the total pressure reached about 0.24 MPa. No spontaneous steam explosion was observed. About 16% of the initial melt (11.62 kg) remained in the RPV vessel, 60% remained in the cavity mainly as a compact crust. The fraction of the melt transported out of the pit was about 24%.     

池式研究堆回路系统总体配置分析

池式研究堆的回路系统配置存在一定的共性,对于相同的堆型,大部分回路配置是可相互借鉴的.通过对国内外几座池式研究堆(法国ORPHEE堆、德国FRM-Ⅱ、韩国HANARO堆、中国先进研究堆(CARR))的回路总体配置情况进行比较,分析其各自的特点,归纳出池式研究堆回路总体配置分为4个部分:与堆芯冷却相关的系统、与重水相关的系统、与池水相关的系统及辅助系统.     

三维MORN试验能量分配比和安全裕量研究

MORN试验对三维氧化物层的熔池传热进行了试验研究,试验工质为水和硝酸盐。结果表明,不同下冷却边界会影响熔池温度和能量分配比。水冷条件下,熔池壁面热流密度分布差异很大,最大值为最小值的6.5～7.9倍。当熔池上下冷却边界相同时,向上/向下的能量分配比近似为100%。能量分配比不仅取决于上下冷却边界的种类,可能还取决于上下冷却边界是否进行了充分冷却,即能量分配比并不一定总为100%。将MORN-Nitrate的壁面热流密度分布经验关系式运用到AP1000压力容器下封头壁面热流密度计算中,结果表明,AP1000在出现堆芯融毁事故时,下封头不会失效,IVR有效。     

三层熔池结构IVR分析程序开发及验证

目前对熔融物堆内滞留（IVR）进行分析时，主要采用两层熔池模型进行点估算分析。然而随着研究的深入，已有IVR分析程序不能准确模拟三层熔池模型。为此，本文采用三层熔池模型开发了模块化IVR分析程序SPIRE，并对计算结果进行了验证。结果表明，SPIRE程序的计算结果与文献结果吻合较好，适用于IVR分析。利用SPIRE程序进行分析可知，与两层熔池相比，三层熔池结构下压力容器底部和轻金属层热流密度均会有明显增强。敏感性分析结果表明，铀氧化份额和不锈钢总质量会显著影响热流密度分布及最大临界热流密度比。     

堆芯熔化严重事故下反应堆压力容器下封头高温蠕变分析

核电厂在发生堆芯熔化严重事故时，采用堆内熔融物滞留（IVR）策略将熔融物包容在反应堆压力容器（RPV）内是一项重要缓解措施。在IVR策略期间，RPV下封头在熔融物的极高温度载荷和力学载荷的共同作用下很有可能因过度蠕变变形而失效。因此，有必要对熔融物滞留条件下RPV下封头进行蠕变变形分析，以保证RPV结构完整性。该文在假定IVR条件下，采用有限元方法对RPV下封头进行热-结构耦合分析，通过计算得到容器壁的温度场和应力场，以及下封头的塑性和蠕变变形，并结合塑性和蠕变断裂判据对下封头进行失效分析。结果表明，考虑蠕变影响后，结构的变形将大大增加；严重事故下采取熔融物滞留策略期间，RPV下封头的主要失效模式为蠕变失效而非塑性失效；内压对蠕变变形量和蠕变失效时间有较大影响。该文为严重事故下RPV下封头的蠕变和失效研究提供了分析方法。      

严重事故IVR下反应堆压力容器耦合传热数值模拟分析

堆芯熔化严重事故下保证反应堆压力容器（RPV）完整性非常重要,高温蠕变失效是堆芯熔化严重事故下反应堆压力容器的主要失效模式。在进行严重事故堆芯熔化物堆内包容（IVR）下RPV结构完整性分析中,RPV内外壁和沿高度方向的温度分布以及剩余壁厚是结构分析的重要输入。本文采用CFD分析方法对RPV堆内熔融物、RPV壁以及外部气液两相流动换热进行热-固-流耦合分析,获得耦合情况下的温度场、流场、各相份额分布以及RPV的剩余壁厚,为RPV在严重事故IVR下的结构完整性分析提供依据。