堆积碎片床内多相-多维流动特性研究

During the severe accident of nuclear power plant, the debris bed packed with multi-sizes and irregular shapes particles will be formed in the different locations when the molten corium contacted with water. Due to the radioactive material, the decay heat will be generated in the debris bed. If the heat cannot be removed timely and effectively and the debris bed is uncoolable, it will threaten the reactor safety and eventually caused the leakage of radioactive material to the surrounding. This study will focus on the coolability of the debris bed formed in the severe accident. Based on the one-dimensional flow and heat transfer study in the porous media packed with single size particles, with the help of the theory and knowledge in the field of multiphase flow, the multi-dimensional and multiphase flow in the debris bed will be investigated. The emphasis is to achieve flow characteristics in the debris bed and reveals the flow mechanisms, finally to propose and optimize its computation model. The work will contribute to provide high-quality experimental data and theoretical support for the validation of analysis models for two phase flow in porous media during the sever accident of nuclear power plant, on the other hand, as well to provide the technical support for improving the debris bed coolability and the new cooling methods.

在核反应堆严重事故过程中，当熔融堆芯与冷却水接触后，就会在反应堆内不同位置形成尺寸不等、结构与形状各异的颗粒碎片组成的具有多孔介质结构的特殊碎片床。由于含有核辐射材料，会产生衰变热，因此碎片床必须被及时有效冷却，否为会危及反应堆安全，造成放射物质泄漏。本研究课题针对轻水反应堆严重事故背景下形成的碎片床，在单一尺寸颗粒组成的多孔介质内一维流动与传热的传统研究的基础上，运用多相流动的理论和知识，通过实验和理论分析，研究碎片床内的多维、多相流动现象，进而获得碎片床内流动特性，揭示其流动机理，提出并优化其计算预测模型。研究内容一方面为严重事故的计算分析模型提供实验验证数据和理论支持，另一方面将为提高堆芯熔融碎片床的冷却能力和分析研究新型冷却方法提供技术支持。

在反应堆严重事故进程中，当熔融堆芯与冷却水接触后，会在反应堆内不同位置形成具有多孔介质结构的颗粒堆积碎片床。由于含有核燃料，碎片床会持续释放衰变热。如果碎片床不能被及时冷却，就会威胁反应堆安全。碎片床冷却进程中，冷却水通过在颗粒堆积多孔介质结构内的流动和换热进程，带走碎片床的热量，进而冷却碎片床。因此，研究颗粒堆积多孔介质结构内的单相和两相流动阻力特性，提高碎片床冷却性，对抑制严重事故进一步发展，维护核电站的安全有重要意义。. 项目设计并搭建了碎片床冷却性常温流动实验系统，并首先进行了颗粒堆积床内一维单相流动实验，验证并获得了实验系统误差。针对圆柱等非球形颗粒，研究提出了更加准确的等效直径的计算方法；针对多尺寸颗粒均匀混合堆积床，研究发现多尺寸颗粒混合堆积床的有效直径与流动雷诺数有关，当雷诺数较低时(Re<7),面积中值直径可以表征其有效直径；当雷诺数较高时(Re>7)，长度中值直径更接近于其有效直径。. 在单相实验的基础上，开展了颗粒堆积床内空气-水两相流动实验，并对比验证了传统两相阻力模型。研究发现，对小尺寸颗粒堆积床，Reed模型计算值与实验值吻合较好。对大尺寸颗粒（>3 mm）堆积床，相间摩擦力影响显著，只有考虑了相间摩擦的两相模型可以预测两相阻力变化趋势，但现有模型计算值均与实验值差别较大。结合理论分析，研究提出了更加准确的颗粒堆积床一维两相阻力预测模型，降低了碎片床冷却性分析的不确定性。. 基于公开发表的反应堆碎片床颗粒的尺寸分布，设计构建了具有相似尺寸分布的球形颗粒混合堆积床和砂石颗粒堆积床。研究发现，具有宽广尺寸分布范围的颗粒堆积床，相似尺寸分布的颗粒床具有近似的有效直径。. 在上述研究的基础上，设计并构建了颗粒水平分层堆积床，开展多维流动实验。研究发现，颗粒分层堆积床比相同颗粒均匀混合堆积床产生了更低的流动阻力压降，这有利于反应堆严重事故中碎片床的冷却。研究结果对研发碎片床冷却缓解技术有重要意义。