壓水堆超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故堆芯行為仿真研究.pdf

1、福島核電事故后，超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故已成為核能領(lǐng)域重要的研究課題。超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，堆芯行為復(fù)雜且具有諸多不確定性。為分析超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下堆芯損傷進(jìn)程，制定事故的緩解措施，迫切需要對堆芯現(xiàn)象以及堆芯材料反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)而深入的研究。
　　本文以典型的壓水反應(yīng)堆為研究對象，根據(jù)堆芯行為計(jì)算模型編寫超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故堆芯行為分析程序SAP(Severe Accident Program)并和熱工水力程序RELAP5耦合，對大破口失水事故

2、觸發(fā)的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下堆芯材料的行為進(jìn)行了詳細(xì)分析，進(jìn)而為事故緩解措施的制定和堆芯行為分析程序的自主開發(fā)提供參考。
　　論文的主要工作和研究結(jié)論如下：
　　(1)編寫并驗(yàn)證了超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故堆芯行為分析程序。參考一體化事故分析程序MELCOR1.8.5的模型手冊和計(jì)算流程，建立堆芯行為模型并編寫完成SAP。主程序中專門留有程序接口模塊，為RELAP5程序的耦合提供接口。開發(fā)了堆芯材料物性表格并編寫完成了獨(dú)立的物性參數(shù)查詢子

3、程序，為新型堆芯燃料材料、包殼材料和控制材料物性參數(shù)的添加提供便捷途徑。以韓國蔚珍3和4號(hào)(Ulchin-3&-4)反應(yīng)堆系統(tǒng)為對象，選取完全喪失主給水疊加專設(shè)安全設(shè)施失效作為觸發(fā)事故，在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下利用MELCOR1.8.5對SAP進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明SAP內(nèi)部模型計(jì)算的堆芯部件溫度和材料氧化質(zhì)量和MELCOR1.8.5的計(jì)算值吻合較好，具有較高計(jì)算精度，能夠正確模擬堆芯行為。
　　(2)完成了RELAP5與SAP的

4、耦合。在SAP編寫和驗(yàn)證工作基礎(chǔ)上，完成了熱工水力瞬態(tài)分析程序RELAP5與SAP的耦合。制定了耦合方案和耦合程序運(yùn)行流程，分析了SAP程序的啟動(dòng)判據(jù)，并對RELAP5與S AP耦合需要交換的參量進(jìn)行了梳理和詳細(xì)的討論。此次耦合是對機(jī)理性分析程序和一體化分析程序做出的有益探索，它不僅綜合了程序雙方的優(yōu)勢以提高堆芯事故進(jìn)程的計(jì)算精度，而且為模型的持續(xù)改進(jìn)和程序的自主開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
　　(3)完善了SAP鋯合金包殼行為分析模型。完成了

5、鋯合金外側(cè)氧化模型的驗(yàn)證，對補(bǔ)充的包殼內(nèi)側(cè)氧化反應(yīng)模型和有效應(yīng)力模型進(jìn)行探討，使SAP中鋯合金包殼行為的計(jì)算更加準(zhǔn)確和全面。首先從鋯合金高溫氧化動(dòng)力學(xué)入手，對鋯合金在高溫蒸汽中的氧化反應(yīng)模型進(jìn)行研究分析，利用QUENCH-06試驗(yàn)結(jié)果對鋯合金氧化反應(yīng)關(guān)系式進(jìn)行驗(yàn)證，得出Cathcart-Pawel& Volchek-Zvonarev關(guān)系式在模擬精度上優(yōu)于其他關(guān)系式。其次對鋯合金與二氧化鈾的氧化反應(yīng)行為給予分析，認(rèn)為包殼內(nèi)部的氧化對包殼特

6、性的影響同包殼外側(cè)的蒸汽氧化一樣重要，有必要在SAP中補(bǔ)充包殼內(nèi)側(cè)氧化模型。將燃料包殼有效應(yīng)力計(jì)算模型補(bǔ)充到SAP中以計(jì)算堆芯行為中鋯合金包殼的間隙釋放。
　　(4)改進(jìn)了SAP中堆芯材料共晶反應(yīng)失效模式。在對堆芯典型的材料熔化失效機(jī)制和材料共晶反應(yīng)行為深入研究的基礎(chǔ)上，整合了先進(jìn)的機(jī)理性分析模型，并編寫材料共晶反應(yīng)子程序并補(bǔ)充到SAP中，以改進(jìn)S AP中材料共晶反應(yīng)失效模式。重點(diǎn)探討了相互接觸的部件材料在高溫工況下的復(fù)雜共晶行為

7、，分析了Zr/AgInCd、Zr/SS(Stainless Steel)、Zr/Inconel、Zr/B4C和B4C/SS等材料對的化學(xué)共晶動(dòng)力學(xué)和共晶反應(yīng)模型。共晶反應(yīng)失效模式由給定摩爾比例和共晶溫度的參數(shù)模式改為機(jī)理計(jì)算模式。最后對材料在共晶反應(yīng)后形成的混合材料物性進(jìn)行討論，得到混合物溫度以及混合物性的計(jì)算方法。
　　(5)應(yīng)用RELAP5和SAP耦合程序分析了壓水堆超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故堆芯行為。在完善了堆芯行為模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用RE

8、LAP5和SAP耦合程序?qū)η厣蕉诤穗姀S大破口失水事故觸發(fā)的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故進(jìn)行系統(tǒng)建模和堆芯節(jié)點(diǎn)劃分。借助RELAP5在耦合過程中提供的熱工水力條件，完成超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故堆芯行為的分析和研究。從現(xiàn)象機(jī)理入手，對鋯合金包殼的有效應(yīng)力和蒸汽氧化、包殼與二氧化鈾之間的氧化和材料共晶反應(yīng)給予分析。分析認(rèn)為包殼間隙釋放時(shí)的表面溫度要高于1173 K保守值，包殼的內(nèi)側(cè)表面的氧化作用對包殼的損傷的貢獻(xiàn)等同于外部蒸汽氧化。通過對因科鎳支撐構(gòu)件、控制棒部件