[發明專利]建立鈉冷快堆堆芯解體事故精細熱工水力計算模型的方法

在審

• 申請號: 202210407443.7
• 申請日: 2022-04-19
• 公開（公告）號: CN114757122A
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 章靜;張譽川;王明軍;巫英偉;蘇光輝;秋穗正;田文喜
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/23;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明公開了一種建立鈉冷快堆堆芯解體事故精細熱工水力計算模型的方法，模型建立過程為：1、針對堆芯解體事故初始階段及過渡階段的堆芯行為特性，開展耦合分析；2.建立鈉池上的三維可壓縮兩相移動粒子半隱式(MPS)數值模擬方法；3.建立材料應力?應變本構方程的有限元力學模型；4.進行鈉池尺度?窄隙通道的跨尺度兩相流體熱工水力特性的迭代更新，實現物理參數相互傳遞與先進差值耦合計算；5.建立連續表面張力模型、組分輸運模型與熱傳導模型；6.實現窄隙泄放過程的三維兩相數值模擬；7.建立一套適用于寬參數范圍的兩相泄放熱工水力機理模型；8.實現同一時層下沖擊?泄放流體域跨尺度耦合，獲取兩種現象關鍵熱工水力參數的耦合變化趨勢。

技術領域

本發明屬于鈉冷快堆事故安全分析技術領域，具體涉及一種建立鈉冷快堆堆芯解體事故精細熱工水力計算模型的方法。

背景技術

作為第四代先進反應堆中研發較快、研究較深入的堆型之一，鈉冷快堆具有核燃料增殖、長壽命放射性廢物嬗變以及固有安全性的優勢。池式的鈉冷快堆設計減少了冷卻劑泄漏，而包容邊界功能與結構完整性則是池式鈉冷快堆安全特性的核心問題。反應堆一次冷卻劑容器中，鈉池外側包圍的安全池可容納事故下泄漏的鈉；鈉池頂部則依靠屏蔽蓋包容液態金屬鈉及裂變產物，因此評估意外載荷下其貫穿件密封處的泄放機制至關重要。

根據縱深防御原則，堆芯解體極限事故下反應堆邊界對放射性物質的包容能力是關注重點。堆芯解體事故的分析方法最初Bethe-Tait提出。張東輝等對B-T模型進行改進，引入堆芯反應性系數分布函數，獲得保守的分析結果。Thilak等研究了氣腔擴張過程中堆芯氣腔-冷卻劑粒子的夾帶運動特性。ASTARTE和SEURBNUK，分別基于拉格朗日法和歐拉法的有限差分法計算可壓縮流體域，耦合固體域有限元法求解。Louvet等在MARA 1-9模型實驗的基礎上建立了法國鳳凰堆容器1:30的縮比實驗MARA10，考慮了堆芯支撐及上堆芯結構MARA10，實驗驗證了有限差分-有限元強耦合的熔融氣腔-鈉-氬氣三相分析程序。上述堆芯解體膨脹階段研究，更關注堆芯熔融氣腔的換熱現象及冷卻劑與堆容器的整體效應，缺乏高能鈉-氬氣兩相流體瞬態特性研究以及耦合該流體三維速度場、壓力場和溫度場的頂蓋沖擊失效機制分析。

有限元和有限體積法都是基于網格的數值方法，模擬大尺度液面變形時可能出現網格畸變扭曲；粒子法是針對不可壓縮流體的拉格朗日方法，能夠精確模擬追蹤復雜的液面變化。現有冷卻劑沖擊頂蓋研究關注地震載荷下近常壓效應，采用的粒子法為二維不可壓模型，無法分析膨脹階段高壓下氣相壓縮及流體溫壓應力載荷的三維流場特性，為密封失效后冷卻劑兩相泄放的初始狀態確定帶來困難。Chellapandi等人采用縮比1:13與1:30的鋼制容器模擬印度快堆PFBR堆芯解體膨脹過程，并通過開發的有限元計算程序FUSTIN獲得了堆容器二維應力-應變特性。上述堆芯解體膨脹階段研究，更關注堆芯熔融氣腔的換熱現象及冷卻劑與堆容器的整體效應，缺乏高能鈉-氬氣兩相流體瞬態特性研究以及頂蓋沖擊失效機制分析。

堆芯解體事故后期堆容器沖擊失效及冷卻劑泄放特性研究是鈉冷快堆安全性設計的重要課題，當前研究主要存在以下問題：第一，現有成熟堆芯事故解體分析程序缺乏對堆芯膨脹階段的系統研究。第二，該階段冷卻劑對堆容器頂蓋的沖擊現象復雜，兩相流場分布特性及多物理場下的流固三維耦合機制缺乏深入研究，而現有研究方法在可壓縮兩相界面追蹤及流體瞬態應力載荷上還有待改進；第三，復雜窄隙通道內的鈉-氬氣兩相泄放機理研究匱乏，需建立大壓差下窄隙流道冷卻劑泄放特性模型。

發明內容

池式快堆堆芯解體后期，冷卻劑沖擊堆容器造成失效泄放，破壞第二道包容邊界完整性，惡化堆芯冷卻能力的同時威脅安全殼結構安全。為研究該沖擊失效及冷卻劑泄放過程形成機制，掌握該過程兩相流動換熱特性，揭示過程中冷卻劑與一次側邊界相互作用機理。本發明的目的在于提供一種建立鈉冷快堆堆芯解體事故精細熱工水力計算模型的方法，評估高能冷卻劑沖擊對堆容器結構完整性的影響，探索液態金屬鈉與惰性氣體兩相泄放特征。為我國池式鈉冷快堆極端事故下的安全特性研究及反應堆包容邊界優化設計提供理論支持與依據。