基于Arrhenius定律的轻水堆氢气燃爆化学反应机制研究

Hydrogen explosion is one of the major phenomenon during the severe accident of light water reactor. Hydrogen explosion is a compressible, all-speed, turbulent reactive flow, the mechanism of which needs further study. In the present study, the mechanism of hydrogen explosion during severe accident is studied. Based on the CFD theory, the numerical method of all-speed reactive flow is derived. Then the changing rules of parameters in Arrhenius law are investigated. Finally, the mechanism of hydrogen explosion is studied concerning the interaction between the pressure wave and chemical reaction. This work is very meaningful because it can sustain the reactor hydrogen explosion analysis from the theoretical aspect.

氢气燃爆是轻水反应堆严重事故过程中的重要现象之一，该过程是一个强可压缩、带化学反应、带湍流、全流速的复杂物理过程，其机制和机理仍存在很多值得研究的地方。本文针对反应堆氢气燃爆的特点，基于现有的计算流体动力学理论基础，推导并实现带反应流的全流速数值理论；在此基础上，对表征化学反应速率的Arrhenius定律进行分析，探究该规律中重要参数的变化规律；最后考虑压力波与化学反应的相互作用，探究氢气燃爆机制。本文的研究能够轻水反应堆严重事故下氢气燃爆数值分析提供理论基础。

氢气爆炸的动态过程对压水堆严重事故下的安全壳完整性至关重要。本研究在完成氢气爆炸全流速数值方法、氢气-氧气化学反应机理模型及实验研究等文献调研的基础上，建立了基于Arrhenius定律的氢气-氧气单步反应模型和亚音速到超音速的反应流数值计算模型，开发了氢气燃爆分析程序，并利用经典的一维激波管问题证明了分析程序流体动力学计算模块的正确性；利用FLAME台架和RUT台架爆炸实验数据对分析程序进行验证，证明了氢气燃爆分析程序用于严重事故下氢气爆炸动态特性分析的可靠性。在此基础上，通过数值研究，考虑反应物的状态条件（如浓度、温度等），明确了氢气燃爆阶段模拟中Arrhenius定律重要经验参数主要受温度影响较大，得到了指前因子随反应物温度的变化模型；利用氢气燃爆分析程序分析了燃爆过程中压力波与化学反应的相互作用过程，进一步揭示了燃爆过程在的主导机制：燃烧过程受湍流和化学反应联合主导，爆炸过程主要受化学反应（尤其是反应温度）主导。最后，利用氢气燃爆分析程序开展了压水堆在假想严重事故下的氢气爆炸分析，揭示了不同点火位置对氢气爆炸结果的影响规律。本项目建立的氢气-氧气化学反应模型、亚音速到超音速的反应流数值计算模型和氢气燃爆分析程序等原创性成果可以为我国压水堆严重事故下氢气爆炸事故对安全壳结构的力学评价提供理论支撑和工具分析手段。