核電犧牲混凝土與堆芯熔融物相互作用研究.pdf

1、在能源、環(huán)境危機日益凸顯的今天，核能作為一種清潔、穩(wěn)定、高效且唯一可大規(guī)模替代化石燃料的能源，越來越受到重視。歷史上三次大的核電嚴(yán)重事故增大了公眾對核電安全性的顧慮，但也推動了核電技術(shù)的發(fā)展，目前核電技術(shù)已發(fā)展到第三代。核電嚴(yán)重事故中，第三代核電站通過壓力容器內(nèi)和壓力容器外兩種方式穩(wěn)定堆芯熔融物，從而大大降低了放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏的可能性。其中，堆外穩(wěn)定通過設(shè)置堆芯捕集器實現(xiàn)，典型代表為第三代EPR堆型。犧牲混凝土是堆芯捕集器的重要組成部

2、分，EPR堆型中采用了兩種不同的犧牲混凝土:硅鐵和硅質(zhì)混凝土。本文以課題組自主開發(fā)的硅鐵和硅質(zhì)兩種不同類型的核電犧牲混凝土為研究對象，首先研究了核電犧牲混凝土高溫力學(xué)性能演化規(guī)律，并利用DSC、SEM、MIP技術(shù)分析揭示了高溫性能演變機理;其次，試驗研究了犧牲混凝土與模擬高溫熔融物作用過程中混凝土外觀、熔蝕深度和熔蝕速率的變化，并通過XRF、XRD分析揭示了MCCI過程中熔融物與混凝土的混合與反應(yīng)情況;最后，通過MELCOR程序計算分析

3、了犧牲混凝土分解產(chǎn)生的氧化物是否參與化學(xué)反應(yīng)、混凝土熔蝕焓、混凝土中Fe2O3和H2O含量對MCCI相關(guān)現(xiàn)象的影響規(guī)律。本文得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)隨著溫度的升高，犧牲混凝土不斷失水、分解，混凝土內(nèi)部裂紋增多，孔隙率增大，使得抗壓強度不斷降低。400℃以前，抗壓強度降低不大;400℃～800℃間，抗壓強度大幅降低;800℃時，未摻加纖維的犧牲混凝土的殘余抗壓強度僅為30％左右。聚丙烯纖維在160℃左右熔化，在混凝土內(nèi)留下孔

4、道，這有利于水蒸汽和CO2的逸出，減弱了氣體對孔結(jié)構(gòu)的壓力，因而摻加纖維后，400℃～800℃間混凝土殘余抗壓強度提高了6％～10％左右，且在高溫下試塊不爆裂，裂紋密度降低。
　　(2) MCCI模擬試驗中，硅質(zhì)混凝土水膠比較低、粉煤灰摻量較大，因而結(jié)構(gòu)更致密、滲透性更低，且硅質(zhì)混凝土中由于SiO2集料晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積膨脹更大，因而硅質(zhì)混凝土產(chǎn)生的裂紋條數(shù)和最大寬度高于相同條件下的硅鐵混凝土。另外，摻加聚丙烯纖維后，混凝土坩堝裂

5、紋產(chǎn)生條數(shù)和最大寬度降低，以細小裂紋為主，裂紋連接少，可較好地保持坩堝完整性。由此可知，可通過在合理范圍內(nèi)提高水膠比、控制粉煤灰摻量并摻加聚丙烯纖維以提高混凝土抗高溫熔蝕開裂性能。
　　(3)硅質(zhì)犧牲混凝土的最大熔蝕深度略大于硅鐵犧牲混凝土，但兩者熔蝕速率相差不大。對固化熔融物的分析結(jié)果表明，混凝土分解產(chǎn)物與熔融物混合均勻且相互作用生成了鐵鋁尖晶石等新物質(zhì)。
　　(4)與混凝土分解產(chǎn)生的氧化物不參與氧化還原反應(yīng)相比，混凝土分

6、解產(chǎn)生的氧化物參與氧化還原反應(yīng)時，混凝土熔蝕速率和氫氣產(chǎn)生速率更高，熔穿底層混凝土所用時間比不參與氧化還原反應(yīng)情況下短14.46％，熔蝕進入的混凝土質(zhì)量高59.2％，熔融物密度降低15.2％，最終熔融物溫度低60K，產(chǎn)生的氫氣總質(zhì)量低4.97％。由此可見，化學(xué)反應(yīng)放出的熱量對MCCI過程有著重要影響。
　　(5)混凝土熔蝕焓越大，混凝土越難熔蝕，熔蝕速率和氫氣產(chǎn)生速率越低，熔穿底層混凝土所用時間越大，使得最終熔蝕的混凝土質(zhì)量越高，

7、熔融物密度與溫度越低，但不同熔蝕焓情況下最終產(chǎn)生的氫氣質(zhì)量相差不大。
　　(6)與硅質(zhì)集料相比，鐵礦石熔蝕焓更低，且與鋯發(fā)生氧化還原反應(yīng)時放出的熱量更大，因而隨著混凝土中Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，混凝土熔蝕速率和氫氣產(chǎn)生速率增大，熔穿底層混凝土所用時間降低，熔融物溫度降低更快。
　　(7)混凝土中H2O含量對MCCI過程的影響與熔池的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)輕氧化物層存在時，散失到表面的熱量快速降低，傳遞到混凝土的熱量快速增大，因而