压水堆核电厂安注管线内不凝结性气体聚集现象仿真研究

核电厂发生失水事故和蒸汽管道断裂事故时,安全注入系统用来执行堆芯应急冷却功能。在正常运行工况下,系统将长时间处于备用状态,导致安注管线内易出现不凝结性气体聚集产生死管段,因此,需定期检查安注管线是否处于满水状态。本文基于流体仿真软件COMSOL建立管道模型,综合考虑温度波动对空气在水中溶解度的影响,对充水管道内不凝结性气体聚集现象进行仿真研究。结果表明,外界温度在一天之内呈现正弦规律小幅度波动时,管道内的空气随温度升高而析出,随温度降低而溶解。约25d后,管道内每天的最大和最小空气体积分数趋于稳定,因此,安注系统管线的排气操作应以不低于每25d一次的频度执行。

VVER堆芯捕集器换热特性数值模拟研究

核电厂发生堆芯熔毁严重事故后,堆芯熔融物可能熔穿反应堆压力容器壁面造成第二道屏障失效,此时可通过堆芯捕集器收集并冷却熔融物以防止事故进一步发展。为了探讨俄罗斯VVER(Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor)采用的坩埚式堆芯捕集器中熔融物的冷却过程,本文根据VVER堆芯捕集器设计资料推导参数,采用多物理场耦合软件COMSOL建立相应的计算模型,对堆芯捕集器中熔融池的流场、温度场和结壳情况进行了数值模拟研究。计算结果表明:在分层熔融池结构下,金属层会迅速凝固,含衰变热的氧化物层冷却十分缓慢。为了实现坩埚式堆芯捕集器设计功能,需要相关设备和支持辅助系统在很长时间内保持可运行性。

开式自然循环系统不稳定性实验研究

核电站非能动安全系统依靠自然循环将热量导出,然而系统中的驱动压头、流动阻力、流量等相互影响,容易引发流动不稳定性,导致流动沸腾临界热流密度大幅降低,带来安全问题。因此,流动稳定性是自然循环热力系统的重要研究对象。本文以开式竖直加热圆管为实验本体,通过实验和物理建模的方法,研究了自然循环条件下管内间歇沸腾现象和流动不稳定特性。研究结果表明:随着热流密度的升高,系统将经历初始状态、低频脉动、高频脉动和稳定的自然循环四个阶段。基于实验数据,建立了不稳定边界的预测模型,预测值和实验值符合良好,误差在±10%内。

基于COMSOL的COPRA熔融池实验仿真研究

基于COMSOL Multiphysics软件的非等温流动模块建立了一种适用于熔融池的仿真计算模型。采用相变材料模型模拟实验中的非共晶摩尔比例20%NaNO_(3)-80%KNO_(3)熔融物,通过将实验台架顶端封闭腔的辐射换热转化为表面对外界环境辐射边界条件,对COPRA(COrium Pool Research Apparatus)实验的湍流场和传热相变过程进行了仿真模拟。仿真结果表明:熔融池内除了存在明显的自然对流外还存在大量的涡流,且在稳态下熔融池内会出现明显的热分层结构。受自然对流和重力影响,冷却壁面附近熔融物结壳的厚度沿冷却壁面随熔融池圆弧壁面径向角度增加而减小。

气泡微细化沸腾触发温度数值模拟研究

气泡微细化沸腾(MEB)现象具有极高的换热能力,成功工程化应用后将极大提升核电厂中高热负荷设备的安全裕量。本文参照以往研究获得的可视化研究结果,采用Fluent建立相关模型,综合考虑气膜附近Marangoni对流、蒸发冷凝作用以及温度对物性参数的影响,结合数值模拟手段和沸腾不稳定性分析对MEB现象的发生机理进行了研究。结果表明,在不同过冷度下,汽液界面处的蒸汽平均流速随着壁温升高而增大。蒸汽平均流速达到该过冷度下Helmholtz失稳极限速度时对应的壁温与在实验获得的MEB触发壁温十分接近,说明Helmholtz失稳可能是导致MEB现象中气膜发生破裂的原因。

严重事故熔融池实验热工水力特性仿真分析

本文基于LIVE(Late In-Vessel Phase Experiments)三维压水堆熔融池模拟实验,采用COMSOL Multiphysics软件建立了适用于熔融池的仿真计算模型。通过非等温流动模块耦合流体传热和湍流流动过程,使用相变材料模型模拟实验中的非共晶摩尔比例20%NaNO_(3)-80%KNO_(3)熔盐,湍流模型设置为低雷诺数k-ε模型。仿真结果表明,稳态下熔融池内存在较强的沿冷却壁面向下的自然对流,同时还伴随着大量的涡流,在涡流搅拌作用下温度场形成了明显的热分层结构。仿真得到的熔融池中部和顶部区域温度分布以及冷却壁面上的结壳厚度与实验值十分接近,说明COMSOL软件适用于熔融池仿真工作。