反应堆严重事故MACE试验熔融物换热数值仿真研究  

反应堆严重事故MACE试验熔融物换热数值仿真研究  

王 ,钦

1.海装沈阳局驻葫芦岛地区某军事代表室，辽宁 葫芦岛,125000

摘要：本文使用MELCOR程序对MACE试验进行建模，通过对比试验数据验证了数值仿真结果。文章先简要介绍了研究熔融物与混凝土相互作用的MACE试验及其建模参数，随后叙述了运用MELCOR程序CAV模块建模的过程，并在堆腔熔穿深度、最终形状、熔融物与冷却水换热三方面对试验与数值仿真结果着重进行对比分析。仿真结果中，轴向和径向最大熔穿深度分别为13.1厘米和16.2厘米，熔融物消融混凝土堆腔的熔穿深度和最终形状，与试验结果较为符合；在计算熔融物与冷却水间换热时，引入冷水浸入模型更符合试验观测，热流密度平均为335kW/m2。

关键词：熔融物与混凝土相互作用；熔融物堆外冷却；数值仿真：MELCOR

中图分类号：TL32    文献标识码：A     文章编号：

熔融物与混凝土相互作用（Molten core-concrete interactions，简称MCCI）是指当发生堆芯熔毁严重事故，核电站相关安全措施未能及时有效将熔融物限制在压力容器内部，熔融物就会落到堆腔中与混凝土相互作用，继而威胁安全壳的完整性。堆腔中堆芯物质与被融化的混凝土牺牲材料混合而成新的熔融物，此时最重要的任务就是确保仍含有剩余衰变反应的熔融物能够持续冷却，不至于熔穿混凝土层，最终被限制在安全壳内。在此过程中，熔融物会不断向混凝土和冷却水传递热量，并使自身冷却。

1   MACE实验简介

上世纪80年代开始，针对熔融物与混凝土相互作用和熔融物在堆腔中冷却的内容，各国学者进行大量实验研究工作。MACE（Melt Attack and Coolability Experiments）是2009年在美国阿拉贡国家实验室开展的分离效应实验，其目的是研究熔穿压力容器严重事故下，堆腔上部有冷却水的条件下熔融物与冷却水之间的换热能力，并分析熔融物外部硬壳的变化情况。

MACE试验台架采用标准石灰石（LCS），在浇筑而成的30×30横截面长方体空腔中进行，测试部分高度长达1.35米。熔融物为常见压水堆核电站堆芯常见组分，包括UO2和ZrO2等，并且还包含少量熔融的混凝土组分，熔融物共有150 kg，在腔体中均匀铺开。熔融物的初始温度为1730 ℃。试验采用电加热方式，模拟衰变热的加热功率为700 W/kg，试验中持续通入冷却水，保证熔融物始终处于被浸没状态。在此过程中，可以多次观测到熔融物表面硬壳周期性破碎并重新形成的现象，这是由于熔融物外部硬壳在与冷却水换热过程中在热应力和冷却水的压力下破碎，而内部熔融物溢出又重新形成新的表面硬壳，成为熔融物传递热量的最大热阻。

2建模与分析

本文采用MELCOR程序建模，1991年美国桑迪亚国家实验室（SNL）为美国核管会（NRC）开发MELCOR程序，MELCOR的作用是进行核电站严重事故一体化分析，属于一维源项分析程序，能够模拟轻水堆核电站严重事故下一系列物理现象。由于MELCOR是源项程序，建立模型的节点多采用集总参数法，不同物理模块间根据机理或经验公式进行耦合，模型在每个时间步长内求解非线性偏微分方程组，直至不同模块、节点间的质量、动量和能量等相关参数实现收敛。

当事故进行到熔融物熔穿第二道屏障，即压力容器下封头时，熔融物进入堆腔中，随后与腔壁混凝土发生作用。在MELCOR程序中，堆腔是一个理想的圆柱体，熔融物在堆腔中持续冷却的模型由CAV（Cavity）模块进行仿真，CAV模块可用来模拟高温状态下（具有衰变热）的熔融物熔穿混凝土墙壁和底板的过程，这中间的主要物理过程有熔融物与混凝土或冷却水之间的热传递、混凝土在轴向和径向上的熔穿深度、熔穿混凝土层时产生的不凝性气体和可燃气体等。其中，熔融物与冷却水、混凝土之间的换热对熔融物的冷却起到关键作用，而熔融物与混凝土换热模型由于直接关系到安全壳完整性，显得更为重要，CAV模块中混凝土的消融与熔融物传递给混凝土的热量直接相关，消融计算模型采用试验得到的经验公式。

MACE系列试验主要目的是模拟出熔融物与混凝土以及表面冷却水之间的换热能力，试验中研究人员测定了熔融物在竖直方向上的熔穿深度，在试验结束后又进行了残余堆腔边界形状的绘制。本次对MACE试验的数值仿真中，先进行堆腔轴向和周向熔穿深度的计算，通过跟踪不同位点随时间的变化，得到堆腔各个方向最终的熔穿深度，进而仿真出堆腔形状，计算时间共100分钟（6000秒）。图1左为试验中堆腔的最终形状，中为本次数值仿真的计算结果，仿真结果轴向最大熔穿深度为13.1厘米，径向熔穿深度为16.2厘米。对比可知，程序采用对称设计，只进行一半堆腔的计算，堆腔整体形状以及最大熔穿深度与试验符合较好。而实际试验中堆腔由于受熔融物质量分布的影响，往往会出现一边偏大一边偏小的情况，体现出随机性和不确定性。

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图1 MACE-0试验熔穿深度与熔融物换热数值仿真结果

CAV模块中熔融物与冷却水间的换热可采用两种计算模型，默认的原始模型采用传统对流换热模式进行仿真，新模型则根据试验结果引入冷水浸入模型，该模型中熔融物外表面硬壳周期性破碎与重新生成。图1右为采用原始模型和冷水浸入模型分别对MACE-0试验进行模拟得到的仿真结果，如图所示，熔融物与上部冷却水之间对流换热的热流密度既有很大差异，原始模型中热流密度为一条光滑的随时间逐渐减小的规则曲线，而引入冷水浸入模型后，可以发现热流密度开始周期性的跳跃，这是由于当熔融物外壳破碎时，冷却水浸入熔融物中，会强化换热作用，导致热流密度瞬间增大，而当熔融物外壳这层热阻重新建立后，热流密度又会和原始模型的对流换热数值基本接近，与试验观测结果吻合较好。引入引入冷水浸入模型后，换热热流密度平均为335kW/m2，约为不引入新模型时的2倍。

3结论

本文通过运用MELCOR程序建立MACE试验模型，仿真了熔融物堆外冷却严重事故中的堆腔最终形状和熔融物与冷却水间的换热，得到如下结论。

（1）MELCOR程序计算结果中，轴向和径向最大熔穿深度分别为13.1厘米和16.2厘米，熔融物消融混凝土堆腔的熔穿深度和最终形状，与试验结果较为符合，最终没有熔穿混凝土层厚度；

（2）MELCOR程序CAV模块在计算熔融物与冷却水间的换热时，引入冷水浸入模型更符合试验观测现象，熔融物外壁面硬壳会周期性的破碎和重新形成，计算得到的热流密度平均为335kW/m2。

参考文献：

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作者简介：王钦，现主要从事核动力装置安全分析研究，海装沈阳局驻葫芦岛地区某军事代表室