基于MPS方法的铅基反应堆严重事故下燃料元件失效熔化及燃料迁徙行为研究

In Lead-based reactor severe accident, fuel element failure, high temperature melting, fuel disruption and relocation inside the reactor core will lead to fuel concentration, which may further cause re-criticality. This complicated accident with multi-physical, multi-component, multi-phase and multi-dimension characteristics has been one of the key and knotty issues in the development of Lead-based reactor. Therefore, theoretical and experimental investigations on fuel element failure and fuel relocation behavior will be performed to satisfy the safety requirement for commercial development of Lead-based reactor. Based on advanced moving particle semi-implicit (MPS) method, physical, thermal and mechanical coupling numerical simulation method will be developed for the Lead-based reactor severe accident analysis. The experiments of fuel element melting and relocation will be carried out utilizing the Wood's metal/ water and stainless steel/Pb-Bi or other alternative material combinations, and the experimental results will be used to validate MPS model. Furthermore, the rules of fuel pellet disruption, cladding disruption and core material high temperature melting, as well as fuel relocation dynamic process will be numerically studied with MPS method which has the advantages in coping with crack propagation and interface capture. In general, the present study is indispensable to discover the physical mechanism of fuel element failure, melting and fuel relocation behavior. It will lay a solid theoretical and experimental foundation for the research and development of Lead-based reactor. Besides, it will provide reference for further application of MPS method in nuclear reactor severe accident analysis.

铅基反应堆严重事故中，燃料元件破损失效、高温熔化及解体燃料在堆芯内迁徙可引起燃料聚集，导致反应堆重返临界。该事故涉及多物理场、多组分、多相态和多维度的复杂物理化学过程，其机理研究是铅基反应堆发展中亟需解决的难点问题之一。本研究面向铅基反应堆商业化发展的安全需求，围绕燃料元件失效熔化及燃料迁徙行为开展基础理论与实验研究。基于先进的移动粒子半隐式（MPS）方法建立适用于铅基反应堆严重事故特点的物理、热工和机械耦合数值模拟方法；利用伍德合金/水和不锈钢/铅铋等材料组合开展燃料元件熔化及燃料颗粒迁徙实验以验证MPS模型；利用MPS在处理裂纹扩展和捕捉相界面方面的优势获得燃料芯块碎裂、包壳破裂和堆芯材料高温熔化规律及燃料迁徙的动态过程。本研究有助于揭示燃料元件失效熔化及燃料迁徙行为机理，为我国铅基反应堆的自主研发和安全分析提供理论依据和数据支撑，也为MPS进一步应用于严重事故研究奠定基础。

铅基反应堆燃料元件失效熔化及燃料在堆芯内迁徙再分布行为对严重事故的发展进程及其后果将产生极其重要的影响。该事故涉及多物理场、多组分、多相态和多维度的复杂物理化学过程，其机理研究是铅基反应堆发展中亟需解决的难点问题之一。本研究面向铅基反应堆安全需求，围绕燃料元件失效熔化及燃料迁徙行为开展基础理论与实验研究。基于MPS方法，针对铅基反应堆燃料元件失效行为，建立了燃料元件失效熔化及燃料迁徙行为关键现象理论模型，包括燃料元件功率模型、传热相变模型、共晶消熔模型、表面张力模型、多相密度和粘度模型、湍流模型、DEM模型和机械变形模型，满足项目模拟需求，并对关键模型进行了验证。设计搭建了基于伍德合金替代材料的燃料元件熔化实验装置、基于替代材料燃料元件在液态铅铋合金中的高温熔化实验装置、铅铋合金携带金属颗粒流动凝固特性实验装置，研究了燃料元件在水中的熔化流动迁徙特性、燃料元件在铅铋中的熔化流动迁徙特性、液态铅铋合金在通道内的流动凝固特性及其夹带金属颗粒的流动凝固特性。开发了一套适用于多尺度、多物理场耦合的高效、稳定的铅基反应堆严重事故关键现象粒子法分析程序PANDA，采用高阶离散模型、高精度压力模型和先进边界条件设置方法提高了数值精度，提出了稳定性判定准则并采用粒子移位策略和高精度表面识别提高了数值稳定性，开发了多分辨率MPS方法降低计算消耗，开发了基于OpenMP/MPI的CPU并行加速和基于OpenACC的GPU并行加速技术，显著提高程序计算能力。采用铅基反应堆严重事故关键现象相关机理实验数据对开发的MPS数值模拟方法和程序进行充分验证。基于验证的程序对铅基反应堆燃料元件失效熔化及燃料迁徙行为开展数值模拟研究，获得了铅基堆内燃料元件熔化过程中燃料元件及铅铋冷却剂的升温特性、熔融物及燃料颗粒从包壳和芯块间隙向冷却剂通道运动的行为特征、堆芯材料熔融物及燃料颗粒在冷却剂通道内的流动、扩展和凝固行为的动态特性及规律。本研究成果有助于揭示燃料元件失效熔化及燃料迁徙行为机理，提高现有铅基反应堆严重事故分析程序的置信度和可靠性，为我国铅基反应堆的自主研发和安全审评提供理论依据和实验数据支撑。