源项驱动氢气在复杂结构中的流动迁移机制研究

The hydrogen produced during severe accident in nuclear power plant may aggregate in local compartments and threat to the nuclear power plant. From the perspective of safety design and risk analysis, the proposed project studies the process of un-expanded jet of mixture of hydrogen and steam in the medium-small scale space by the means of experimental research and theoretical analysis method, analyzes migration patterns of hydrogen driven by source term, illuminates the influence of severe accident mitigation measures, such as spray, passive cooling and venting, on the flow of hydrogen between local compartments, interprets flow and migration mechanism for hydrogen in the complex structures, and suggests mechanism model based on experimental verification for hydrogen safety analysis code for nuclear power plant, which will be the theoretical basis and technical support for the optimal design of hydrogen control system in nuclear power plant. It is of great significance for expanding understanding of hydrogen safety, especially local hydrogen risk, enhancing analysis capability of hydrogen safety and improving the level of severe accident management in nuclear power plant.

核电厂严重事故下产生的氢气可能在局部隔间聚集，威胁核电厂的安全。本项目通过实验研究与理论分析相结合的方法，从安全设计和风险分析的角度，研究中小尺度空间内未充分发展的氢气与水蒸气混合射流过程，分析源项驱动氢气在局部隔间之间的迁移规律，阐明喷淋、外部冷却、卸压等严重事故缓解措施对局部隔间氢气流动迁移分布的影响，解明氢气在复杂结构中的流动迁移机制，为核电厂氢气安全分析程序提供基于实验验证的机理性模型，为优化核电厂氢气控制系统设计提供理论基础和技术支持，对加深核电厂氢气安全理解，增强核电厂氢气安全分析能力，判明局部隔间的氢气风险，提高核电厂严重事故管理水平具有重要意义。

核电厂严重事故下产生的氢气可能在局部隔间聚集，威胁核电厂的安全。本项目通过建立局部隔间氢气流动分布特性实验装置，开展了单隔间氢气流动分布特性实验研究，包括纯氢气喷放研究、氢气与水蒸气混合喷放不同源项特性研究，研究表明：1）氢气浓度以及所形成的分层厚度，主要由氢气射流的位置、方向，射流与周围气体之间的夹带作用以及在空间中形成的对流所决定；2）源项气体向上流动动量增大，对周围气体的穿透能力增强，隔间上部氢气浓度增大，隔间下部氢气浓度减小；3）源项气体中水蒸气含量的增大会减低隔间内氢气浓度，降低氢气风险。在单隔间实验研究的基础上，开展了多隔间氢气流动分布特性实验研究，包括隔间之间驱动因素研究、隔间之间连接方式影响研究。研究表明：1）压差驱动下接收隔间连接管道出口处气体弗劳德数较大，气流处于明显的射流状态，导致接收隔间内氢气浓度分布比较均匀；2）浓度驱动下接收隔间连接管道出口处气体弗劳德数较小，气流处于羽流状态，导致接收隔间内竖直方向上形成了氢气浓度梯度；3）隔间连接通道位于较低位置时，无源隔间内氢气分布较为均匀；连接通道位于较高位置时，无源隔间顶部区域则会发生氢气积聚。此外，开展了冷却措施对氢气流动分布的影响研究，研究表明：随冷却水流量的增大，容器内气体降温增加，水蒸气冷凝量增大，氢气浓度升高幅度亦随之增大。在实验研究的基础上，开展了轻气体浓度分层破坏的模拟研究，模拟结果表明k-ε模型对轻气体层中较高位置处氢气浓度下降预测存在高估，经过改进后的湍流模型对轻气体分层破坏速率的预测有明显的改善效果。此外，开展了壁面传热传质模型研究，将基于近壁面速度理论分布求取对流换热系数的现有模型改进为采用基于大空间自然对流换热的McAdams关联式求取对流换热系数。改进后的对流换热及蒸汽冷凝模型对空间内壁面蒸汽冷凝速率、空间气体压力、气体温度、气体浓度的预测与实验结果更加符合。本项目的相关研究对加深核电厂氢气安全理解，增强核电厂氢气安全分析能力，判明局部隔间的氢气风险，提高核电厂严重事故管理水平具有重要意义。