压力容器下封头内熔融物动态分层行为的机理研究

Under the severe accident of nuclear reactor, melt stratification behavior in Reactor Pressure Vessel (RPV) lower head is an important problem, which affects the failure mode of RPV. In this project, the melt dynamic stratification behavior will be studied through theoretical analysis, experiment and numerical simulation. Firstly, the melt dynamic stratification related models, such as decay heat, solid-liquid mixing flow, dynamic solid-liquid phase transition, eutectic reaction and chemical reaction will be established, and simultaneously a simulant experiment of melt dynamic stratification and literature survey will be carried out, to obtain the experimental data for theoretical models validation. Then, the meshless Moving Particle Semi-implicit (MPS) method with the advantage of interface capturing in multi-component and multi-phase flow, coupled with all the theoretical models, will be employed to accurately track the flow, heat transfer and physical-chemical reaction of the melt compositions. The coupling effect of melt internal dynamic, thermodynamic and chemical imbalance on stratification behavior and the formation and evolution processes of the melt layers will be investigated in detail, to understand the mechanism of melt stratification. Finally, a sensitivity study of the influence of melt parameters and accident conditions on stratification behavior and internal heat transfer will be performed, to understand the multi-factor coupling interaction mechanism and to conclude the most likely severe accident progression. This research is of significance for enhancing nuclear reactor safety and responding to the severe accident of nuclear power plant.

核反应堆严重事故下，熔融物在压力容器下封头内的分层行为是影响压力容器失效方式的关键问题。本项目采用理论分析、实验研究与数值模拟相结合的方法，对熔融物的动态分层行为展开研究。首先建立与熔融物动态分层相关的衰变热模型、固液混流模型、动态固液相变模型、共晶反应模型和化学反应模型，同时开展动态分层模拟实验，结合文献实验数据，对理论模型进行验证；进而采用具有组分与相界面捕捉优势的无网格MPS方法，耦合各理论模型，实现对熔融物组分流动传热和物理化学反应信息的准确追踪；研究熔融物内部动力学、热力学和化学不平衡对动态分层行为的耦合作用规律，分析分层结构的形成与演变过程，揭示熔融物的分层机理；最后研究熔融物参数和事故条件对动态分层行为及内部传热特性的影响规律，获得多因素耦合影响机制，提出反应堆严重事故下最具可能性的事故进程。本研究对提升核反应堆安全性及应对核电站严重事故具有重要意义。

熔融物在压力容器下封头内的迁移与分层行为是核反应堆严重事故进程中的重要现象，直接影响压力容器的失效、熔融物的泄漏及后续事故现象。然而，熔融物具有多组分和多相态特征，且组分与相界面比较复杂，使得熔融物迁移与分层行为机理的研究变得比较困难。本研究采用具有界面捕捉优势的MPS方法，建立了熔融物衰变热释放、固液相变、固液混流、共晶反应、湍流和表面张力等模型，对熔融物在压力容器下封头内的行为开展了研究。首先，对熔融物的动态分层行为进行了研究，获得了不同的熔融物物性（粘度、表面张力）、温度和迁移方式对分层形态的影响规律。结果表明，金属与氧化物间较大的表面张力有助于分层的进行，但较大的粘度会延长分层时间；熔融物温度较低时，在完全分层前氧化熔融物出现凝固，阻碍了分层的进一步进行，而在较高温度时，分层可以充分发展；在氧化熔融物消熔金属固态层过程中，随着熔融物的相变和迁移，分层结构呈现了两层-三层-五层-三层的演化过程；在高温金属和氧化熔融物同时迁移时，熔融物迅速形成两层分层结构。其次，对熔融物在碎片床内的迁移行为进行了研究，获得了碎片床孔隙率、碎片床温度和熔融物温度对熔融物迁移形态和迁移距离的影响规律。结果表明：金属熔融物在氧化物碎片床内迁移距离首先迅速增加，然后逐渐变缓，最后由于熔融物硬壳的形成而终止迁移，并且在碎片床上部形成熔池；熔融物的迁移距离随着碎片床孔隙率和熔融物温度的增大而增大。最后，对熔融物射流消熔压力容器的现象开展了研究，得到了不同过热度的金属和氧化熔融物对压力容器壁面消融速率。结果表明，高熔点的熔融物射流在与压力容器相互作用时，在接触界面处会形成一层硬壳，并且硬壳厚度随着熔点的升高而增加，同时硬壳下面存在一层熔融层；当熔融物热度较低时(10K, 100K)，氧化熔融物对压力容器的损伤较大，而在较高过热度时(300K)，金属熔融物对压力容器的损伤较大；因此严重事故下压力容器的损伤主要来自于高温金属熔融物。