高溫的熔融物與冷卻劑相互作用(FCI,Fuel Coolant Interaction)會(huì)引起蒸汽爆炸現(xiàn)象。在核電廠發(fā)生堆芯熔化的嚴(yán)重事故時(shí),處于高溫的堆芯熔融物會(huì)與容器內(nèi)的冷卻劑相互作用,發(fā)生蒸汽爆炸,產(chǎn)生巨大壓力,對(duì)周圍的系統(tǒng)及工作環(huán)境帶來嚴(yán)重的破壞。因此,熔融物與冷卻劑相互作用過程是核能方面研究的重點(diǎn)。熔融物與冷卻劑相互作用過程一般分為粗混合、觸發(fā)、壓力傳播和膨脹四個(gè)階段。在粗混合階段,熔融物液柱碎化成熔融物液滴,增大了熔融物與冷卻劑的接觸面積,強(qiáng)化了熔融物與冷卻劑之間的傳熱,對(duì)后續(xù)的三個(gè)階段影響很大。因此,本文結(jié)合上海交通大學(xué)開發(fā)的METRIC程序的粗混合模塊,對(duì)熔融物與冷卻劑相互作用過程的粗混合階段進(jìn)行數(shù)值模擬研究,開展了如下工作:(1)本文結(jié)合典型的FCI粗混合實(shí)驗(yàn)中的K-32與K-38實(shí)驗(yàn),對(duì)新開發(fā)的METRIC程序的粗混合模塊進(jìn)行了合理性驗(yàn)證。通過比較模擬與實(shí)驗(yàn)中冷卻劑液位的膨脹高度及熔融物液柱的入水深度及FCI過程中熔融物液柱碎化過程、熔融物液滴及蒸汽的分布等現(xiàn)象,認(rèn)為METRIC程序能夠比較合理的模擬熔融物與冷卻劑相互作用的粗混合階段;(2)本文對(duì)FCI粗混合階段數(shù)值計(jì)算的主要數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究:熔融物液柱碎化模型中,生成熔滴的初始直徑影響FCI的傳熱過程,計(jì)算時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇熔滴的初始直徑;熔融物液柱碎化的Saito模型與Meignen模型的計(jì)算結(jié)果基本一致;熔融物液滴的粗碎化過程對(duì)冷卻劑的蒸發(fā)影響很大,從而影響后續(xù)的蒸汽爆炸階段;對(duì)傳熱模型分析認(rèn)為對(duì)流換熱在熔融物與冷卻劑相互作用的粗混合階段起主導(dǎo)作用,液柱傳熱過程對(duì)總的冷卻劑蒸發(fā)量及液柱的碎化影響非常小;(3)本文還研究了初始條件對(duì)粗混合現(xiàn)象的影響,分別選擇熔融物液柱直徑、熔融物入水的速度及初始冷卻劑溫度等初始工況為變量,并選擇典型的堆外發(fā)生FCI過程進(jìn)行模擬,分析認(rèn)為:熔融物液柱的直徑越大,其碎化的速率越快,產(chǎn)生的蒸汽量也相對(duì)較多;熔融物入水的速度越大,其與冷卻劑的相對(duì)速度也越大,在不穩(wěn)定波的作用下熔融物碎化的速率也相對(duì)較大;冷卻劑的過冷度越小,熔融物液柱在冷卻劑內(nèi)下落的速度相對(duì)較快。本文結(jié)合新開發(fā)的METRIC程序?qū)CI粗混合階段進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,分析了程序的合理性,對(duì)主要的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析,并研究了初始條件對(duì)粗混合作用的影響,為對(duì)FCI過程的研究提供一定的參考。
【學(xué)位單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM623
【部分圖文】：

１．１研究背景??核電廠發(fā)生堆芯熔化的嚴(yán)重事故時(shí)，有可能在堆內(nèi)或堆外發(fā)生蒸汽爆炸現(xiàn)象，如??圖１－１所示ｍ。蒸汽爆炸的過程中會(huì)有強(qiáng)大的壓力波產(chǎn)生，對(duì)周圍的系統(tǒng)形成毀滅性??的破壞，從而給整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)及工作環(huán)境帶來嚴(yán)重的安全隱患，核能利用方面發(fā)生過??多起蒸汽爆炸事故是由于熔融狀態(tài)下的燃料與冷卻劑直接接觸引發(fā)的Ｗ。切爾諾貝利??核電站發(fā)生的嚴(yán)重事故中，大量的放射性物質(zhì)被釋放到周圍環(huán)境就是由蒸汽爆炸導(dǎo)致??的，給人類及自然環(huán)境帶來嚴(yán)重的威脅Ｗ。??ｎ?ｉｐｉｉ??■■■■■■■Ｉ?ｐ?Ｉ?ｐ??＼Ｊ?ｆ?Ｉ?１１??（ａ）堆內(nèi)蒸汽爆炸?（ｂ）堆外蒸汽爆炸??圖１－１蒸汽爆炸現(xiàn)象ｍ??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｓｔｅａｍ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ??高溫的培融物與低溫的冷卻劑相互接觸（ＦＣＩ，Ｆｕｅｌ?Ｃｏｏｌａｎｔ?Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）時(shí)，在水??力學(xué)與熱力學(xué)的作用下熔融物會(huì)碎化成小液滴，增加了熔融物的表面積，其與冷卻劑??的接觸面積也隨之增大，加劇了熔融物與冷卻劑之間的熱量傳遞，冷卻劑將會(huì)發(fā)生劇??１??

Ｂｏａｒｄ和Ｈａｌｌ［７，８］通過對(duì)熔融物與冷卻劑相互作用過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為ＦＣＩ過??程分為粗混合（Ｐｒｅｍｉｘｉｎｇ）、觸發(fā)（Ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ）、壓力傳播（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）和膨脹??（Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）四個(gè)階段，如圖１－２所示。粗混合過程比較平緩，作用過程可以以秒的??量級(jí)進(jìn)行，然而后面三個(gè)階段作用過程比較急促，時(shí)間比較短暫，因此通常將后三個(gè)??階段合起來稱為爆炸階段，即將熔融物與冷卻劑相互作用過程分為粗混合階段與爆炸??階段［９，１０］。??調(diào)??丨調(diào)關(guān)??ａ、粗混合?ｂ、觸發(fā)?ｃ、壓力傳播?ｄ、膨脹??圖１－２ＦＣＩ過程的四個(gè)階段示意圖［ｎ］??Ｆｉｇ．?１－２?Ｆｏｕｒ?ｓｔａｇｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ?ｏｆ?ＦＣＩ??在ＦＣＩ粗混合階段，高溫的熔融物液柱與低溫冷卻劑直接接觸時(shí)，由于水力學(xué)作??用將會(huì)發(fā)生碎化，形成熔融物液滴。在膜態(tài)沸騰傳熱的作用下，熔融物被形成的蒸汽??膜包圍，使熔融物與水間傳熱受到阻礙，持續(xù)的時(shí)間可以以秒為量級(jí)，稱之為粗混合??階段。在此階段由于流動(dòng)的馬赫數(shù)相對(duì)比較低，可以近似地認(rèn)為此過程為一個(gè)不可壓??縮的過程

另外，基于熔融物液滴表面氣膜不穩(wěn)定性，科研工作者們也建立了一些研宄熔??融物粗碎化過程的模型，例如：Ｐａｐｕｃｃｕｏｇｌｕ模型［３９］、Ｋｉｍ模型［４Ｑ］以及Ｃｉｃｃｏａｒｅｌｌｉ模??型［４°］等。Ｐａｔｅｌ也在氣膜界面Ｒ－Ｔ不穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提出了如圖１－３所示的邊界剝離、??波峰剝離及穿透碎化三種熔融物粗碎化的情況［４１］。??＝０１?二二參二？??（ａ）邊界剝離?（ｂ）波峰剝離?（ｃ）穿透碎化??圖１－３熔融物液滴碎化三種情況［４１］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｒｅｅ?ｃａｓｅｓ?ｏｆ?ｄｒｏｐｌｅｔ?ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｆｕｅｌ??６??
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 黃偉峰;;運(yùn)用MC3D程序計(jì)算分析堆坑內(nèi)堆芯熔融物與冷卻劑反應(yīng)[J];原子能科學(xué)技術(shù);2011年08期

2 黃熙;楊燕華;王溪;;堆外蒸汽爆炸堆腔壓力沖量分布計(jì)算分析[J];核動(dòng)力工程;2011年03期

3 許志紅;李天舒;楊燕華;;冷卻劑欠熱度對(duì)蒸汽爆炸的影響研究[J];原子能科學(xué)技術(shù);2010年S1期

4 李小燕,楊燕華,陳宏,徐濟(jì)鋆;蒸汽爆炸粗混合階段冷液中高溫球傳熱阻力耦合特性的實(shí)驗(yàn)研究[J];核動(dòng)力工程;2003年05期

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