压水堆核电厂堆腔内蒸汽爆炸风险分析研究

在核电厂严重事故中,压力容器失效后熔融物和冷却剂相互作用,可能引发蒸汽爆炸现象,威胁堆腔完整性,增加裂变产物释放到环境中的风险。保守计算分析显示爆炸后果严重。文章采用风险分析进行评价,考虑事故后果和发生频率。通过概率论与确定论相结合分析堆腔的失效概率。根据影响参数的概率分布进行抽样计算,获得了爆炸载荷的概率分布。将载荷的概率分布结合堆腔混凝土失效曲线,得到可能导致堆腔损坏的概率为1.03%。

1000 MW核电厂发生堆外蒸汽爆炸条件下引发安全壳失效概率分析

堆外蒸汽爆炸发生的可能性很低,但一旦发生,其产生的冲击载荷将有可能损坏安全壳结构的完整性。由于蒸汽爆炸触发概率存在较大不确定性,本文着重研究在假定已经发生了堆外蒸汽爆炸的条件下,爆炸载荷将进一步导致安全壳失效的概率水平。针对某1000 MW压水堆,对选取的初始条件和物理模型参数,根据假设的概率分布进行拉丁超立方抽样,利用MC3D程序计算500个样本工况得到了爆炸载荷的概率分布。通过理论分析得到安全壳脆性曲线后,采用概率论方法计算得到安全壳失效概率以及各失效模式的贡献敏感度。结果表明,在假设已经发生了堆外蒸汽爆炸的条件下,爆炸载荷导致某1000 MW先进压水堆安全壳失效的总概率为0.453。相比于堆坑侧壁失效,压力容器上冲位移是导致安全壳失效的主要模式。本研究的概率分析方法和结论可为安全壳完整性审评提供参考。

蒸汽温度对单滴锡熔融物蒸汽爆炸现象的影响

核电厂严重事故后,堆芯熔融物与冷却水相互作用(FCI)过程中可能会发生蒸汽爆炸现象。在单滴熔融锡与水相互作用实验中发现,随着熔融锡温度升高,蒸汽爆炸现象发生概率呈现先升高后降低的趋势。为研究蒸汽爆炸现象的触发原因,基于实验结果通过FLUENT软件建立了单滴熔融锡FCI数值模拟模型,分析了锡液滴周围气膜中的蒸汽温度对气膜稳定性的影响。数值模拟结果表明,气膜的We数随着锡液滴温度升高呈现复杂的波动状态,而气膜的稳定性与气膜的We数呈负相关性,当生成气膜的We数较高时蒸汽爆炸更容易发生。

锅炉沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(BLEVE)的小尺寸模拟试验

在锅炉运行中,由于各种原因使得在锅筒主体上形成细小裂缝,一旦出现设备材料的老化和故障运行工况,导致裂缝快速扩展,就有可能出现沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(BLEVE)的极端情况。BLEVE是一种物理爆炸,具有严重的破坏性,为研究沸腾液体膨胀蒸汽爆炸的发生机理,建立了小型实验装置进行模拟试验。通过测量爆炸瞬间容器内的温度及压力变化,分析容器内气液两相介质的运动,进而研究造成容器整体性破裂的原因。实验中发现,BLEVE过程中存在由不同原因造成的两个压力峰;其中过热液体的剧烈沸腾,在液体表面形成高速膨胀的两相流层,挤压容器内气相与液相,导致出现第一个压力峰;第二个压力峰主要是由于“液体锤”现象对容器的冲击造成,其中壁面开口处受到的撞击最为猛烈。

液化石油气蒸汽爆炸的模拟实验研究

液化石油气蒸汽爆炸是对其安全储运构成很大威胁的一种观象。本文设计了一个实验装置用以检测液化石油气容器在突然出现裂口后压力急剧变化的过程。该装置可模拟液化石油气容器发生蒸汽爆炸的现象。实验结果表明,液化石油气的突然泄放过程中确实可能出现压力的急剧反弹,有时甚至超过初始压力,很可能导致剧烈的蒸汽爆炸。

热分层对蒸汽爆炸过程影响的实验研究

本文针对液化石油气受热侵袭时出现的热分层及其对蒸汽爆炸的影响进行了模拟实验研究。在不同充装度(85％和45％)下的热响应实验证明,当储罐受到外部热源的侵袭时,在气液相区均存在着热分层。通过两种不同的加热形式,分别得到了分层度ξ>1和ξ=1的液化石油气。在此基础上进行了模拟蒸汽爆炸的泄压实验。通过实验数据的比较发现,由于分层区的存在,减小了液化石油气能量和压力泄放过程中的压力反弹,减小了蒸汽爆炸发生的可能。

水蒸汽爆炸粗混合阶段机理研究的实验设计

高温颗粒在粘滞性冷液中沸腾蒸发瞬变运动引发蒸汽爆炸的工程安全问题,其流体动力特性与人们熟知的颗粒在粘滞性流体内的运动特性完全不同,是一个多相热物理基础问题,涉及的过程和现象十分复杂。为了验证高温颗粒在粘滞性冷液中下落阻力特性的蒸发曳力模型,设计了高温颗粒下落冷池沸腾可视化实验装置。

蒸汽爆炸粗混合阶段冷液中高温球传热阻力耦合特性的实验研究

采用蒸发曳力模型,设计了高温颗粒同水相互作用的实验装置,进行了一系列单个、多个粒子在不同温度、不同入水初速度和不同冷液过冷度情况下的系列阻力实验。初步实验分析表明,高温颗粒在刚刚穿过冷液表面时的下沉速度明显低于冷态颗粒的速度。实验值与蒸发曳力模型计算值符合较好。

基于TEXAS-Ⅴ的AP1000堆外蒸汽爆炸分析

TEXAS-Ⅴ是一维三相瞬态蒸汽爆炸数学物理分析程序,本文采用TEXAS-Ⅴ程序对AP1000堆外蒸汽爆炸进行分析研究。结果表明:熔融物在粗混合阶段不断碎裂,并与冷却剂发生剧烈热量交换;AP1000堆外蒸汽爆炸的压力波随传播强度逐渐降低,压力波的传播会触发熔融物前沿后的熔融物碎裂产生更强的压力波,峰值可达70 MPa,且熔融物液柱具有合适的粗混合时间,较大的初始注入速度以及较大的注入直径能触发蒸汽爆炸产生更为强烈的压力波,具有更大的危险性。

低温容器的蒸汽爆炸现象初探

拟讨论的蒸汽爆炸现象定义为液体因处于较大的过热度而急剧汽化 ,介质所处空间因大量气体得不到及时释放而使压力骤然升高引发的一种物理爆炸。在低温容器中 ,液氧、液氮等介质可能处于数兆帕的压力下。如果容器的某一位置因某种外在原因出现裂口 ,则其内部的压力会迅速降低 ,导致液体过热。如果过热度较大 ,则不能排除低温容器发生蒸汽爆炸的可能性。本文从介绍蒸汽爆炸的机理入手 ,建立了过热液体中产生均匀核化时汽泡的形成、生长模型 。

冷却剂欠热度对蒸汽爆炸的影响研究

为了研究蒸汽爆炸的爆炸机理,设计建造了低温熔融金属入水碎化的可视化实验装置,采用高速摄像仪拍摄记录熔融金属液柱入水爆炸或碎化的过程。实验研究了冷却水温度对蒸汽爆炸的影响,实验结果表明:冷却水温度对蒸汽爆炸起抑制作用。为了验证该结论,进行了碎化实验。结果表明:冷却水温度对碎裂后颗粒直径范围影响明显,熔融金属液柱在温度高的冷却水中遇到的阻力小,碎裂的颗粒体表比越大,换热能力越弱。后者实验结果与前者相符。

核电站严重事故序列中蒸汽爆炸潜因

本文简要介绍美国三哩岛核电站堆芯熔化事故和前苏联切尔诺贝利核电站堆芯解体事故两类核电站严重事故所对应的事故历程，指出发生蒸汽爆炸潜因及其风险，熔融堆芯－冷却剂相互作用在一定条件下引起蒸汽的爆炸所涉及的主要热物理研究内容和作者开发的ＪＡＳＭＩＮＥ－ｐｒｏ多相流泛用数值计算程序原理。

蒸汽爆炸特性参数测试装置设计

在一些国防厂矿及化工企业中,可燃性气体(或蒸汽)与空气混合所造成的火灾与爆炸事故很多,危害很大。为了进行气体爆炸特性参数的测试,我们设计了本测试装置,利用这套测试装置可以进行爆炸极限,最小点火能及爆炸压力等参数的测定。已有的试验数据表明本测试装置设计合理,安全可靠。试验数据与文献数据有较好的可比性,有些填补了国内空白。

基于MC3D软件对核电厂压力容器蒸汽爆炸的重要参数计算及研究

在福岛核事故核安全问题倍受核工业界及核监管当局重视,蒸汽爆炸是对安全壳完整性的最重要威胁,也对采取堆内熔融物滞留(IVR)造成重大影响,因而成为国内外研究的热点。本文在对蒸汽爆炸机理与现象调研的基础上,使用法国辐射防护研究院(IRSN)开发的MC3D软件对国内自主设计核电厂华龙一号核电厂压力容器外蒸汽爆炸现象进行分析,并对设计方计算结果进行独立计算,所得出的结果验证了设计方的计算,为制定华龙一号核电厂严重事故管理策略提供参考。

金属物性与冷却剂温度对蒸汽爆炸的影响

为了模拟研究核电站严重事故蒸汽爆炸,本研究设计建造了低温熔融金属入水碎化的可视化实验装置。采用高速摄像仪拍摄记录熔融金属液柱入水碎化的过程。实验研究了不同熔融金属材料,冷却水温度对蒸汽爆炸的影响。实验结果表明熔融金属热扩散系数对蒸汽爆炸有重要影响,热扩散系数越大,越容易发生蒸汽爆炸;冷却水温度则相反,冷却水温度的提高,使金属碎化颗粒增加,降低了熔融金属的传热,抑制了蒸汽爆炸。

堆外蒸汽爆炸堆腔压力冲量分布计算分析

使用三维多相计算流体力学(CFD)计算程序MC3D,对1000 MW级核电厂岭澳核电站二期安全壳内部结构建模。对包括粗混合和蒸汽爆炸过程在内的压力容器外熔融燃料与冷却水相互作用过程进行研究,主要研究蒸汽爆炸过程中堆腔内不同位置的压力、冲量变化趋势以及触发时间对爆炸产生冲量大小的影响。计算结果表明,粗混合阶段堆腔内压力变化较小,持续时间长;蒸汽爆炸过程持续时间短,压力变化极大,且距离蒸汽爆炸触发位置越接近,压力峰值和冲量越大。蒸汽爆炸过程产生巨大压力波,将对堆腔结构的完整性造成极大威胁。此外,区域中与冷却水接触的熔融液滴的体积总和越大,在该时刻触发蒸汽爆炸所产生压力脉冲也就越大。

沸腾液体扩展蒸汽爆炸初期演化过程的数值模拟

对沸腾液体扩展蒸汽爆炸发生初期,容器顶部突然出现开口,压力快速泄放导致容器内介质过热沸腾的过程进行了模拟研究。选取过热水及饱和水蒸气为容器内介质,分析了该过程中气液两相的变化过程。探讨了初始温度(初始压力)、初始充装量及开口大小等因素对前述物理过程及容器内压力、温度的影响。结果表明:容器内过热沸腾的过程中,温度逐渐下降,压力响应会出现两次压力峰和一个压力平台期,两个压力峰值都会随初始温度的增加而增加,压力平台持续时间随初始温度先增大后减小;第一个压力峰值随初始充装量的增加先增大后减小,第二个压力峰值则随初始充装量的增加而增大,压力平台的持续时间和液体充装量成正比关系;开口越大两个压力峰值也越大,压力平台持续时间越短。

铸造工艺中蒸汽爆炸事故形成机制分析

为了揭示金属铸造工艺中蒸汽爆炸事故形成原因,建立了大质量熔融铝液遇水自触发爆炸反应模拟装置,研究了铝液-水爆炸体系的温度变化特征和冲击波传播规律,并对产物进行回收分析。结果表明:爆炸反应的触发与铝-水的相对质量比、水温等因素相关;爆炸越剧烈,产物粒径越小;爆炸场的最高温度为520 K,且冲击波超压衰减较快;现有条件下铝液碎化放热形成过热亚稳态水,短时间内快速汽化是爆炸事故发生的主要原因。

蒸汽爆炸中熔融物液滴直径敏感性分析

为了减少熔融物液滴直径对计算蒸汽爆炸的破坏力造成的不确定性,本文基于MC3D软件进行建模,在典型工况下对熔融物液滴直径进行敏感性分析,并计算了熔融物液滴直径变化、液滴总能量、液滴碎化速率、爆炸压力。通过理论分析和计算探求熔融物液滴直径影响爆炸压力的机理。结果表明:蒸汽爆炸的压力对熔融物液滴直径非常敏感,改变液滴直径会使得爆炸压力成倍变化;这主要与熔融物液滴总能量,熔融物液滴碎化速率相关。

堆内蒸汽爆炸下玉力容器下封头结构完整性分析

非能动压水堆核电厂发生严重事故时采用堆芯熔融物堆内滞留的办法，并冷却压力容器外壁防止结构失效使堆芯熔融物外流．但是掉落的堆芯熔融物或熔融金属与下腔室内的冷却剂混合可能会产生堆内蒸汽爆炸。堆内蒸汽爆炸产生的巨大压力脉冲可能会威胁到压力容器下封头的结构完整性．一旦失效将会使情况变得更加复杂和难以控制。本文以某电厂压力容器下封头为例进行蒸汽爆炸下的结构完整性研究及分析．首先运用能量法建立了蒸汽爆炸载荷下等效塑性应变计算的数学模型，然后基于Bodner—Symonds材料模型运用有限元软件计算了蒸汽爆炸下压力容器下封头的动态响应．研究了不同压力脉冲大小、脉冲类型、脉冲范围下结构的响应情况．同时考虑了应变率对结构完整性的影响，．最后采用较为保守的方法对下封头蒸汽爆炸载荷下的完整性进行了分析计算。本文所采用的分析方法可供其它容器类设备蒸汽爆炸分析作参考，具有一定的实际指导意义。