球床式高温气冷堆进气事故机理研究及关键特性分析

Air-ingress accident of the high temperature gas-cooled reactor (HTGR), which will result in graphite corrosion, weakening of the structural strength and failure of the fuel element integrity so as to influence the safety of the reactor, is one of the beyond design basis accident (BDBA) being highly concerned about in HTGR research. This project focuses on the phenomenon that, in case of the double-ended guillotine of the hot-gas duct of the pebble-bed HTGR and after the pressures between the reactor and the cavity reach equilibrium, the air/helium mixture in the cavity will flow into the reactor because of the molecular diffusion, as well as the stratified flow driven by the density gradient. With a certain amount of air in the core, the natural convection will come into being due to the large temperature difference between the inside and outside of the core, so as to result in the continous and stable air ingress and more serious consequence. Based on the theoretical study on the phenomenon of stratified flow and molecular diffusion, the physical mechanism and main influencing factors of them would be analyzed, so as to find out the dominant role for gas flow under different structures and different physical conditions. With the suitable CFD software, the computational model of the whole reactor will be built to determine the onset time of the natural convection and evaluate the time scales of the gas flow in each reactor component. The characteristics and main influencing parameters during the air ingress accident of the pebble-bed HTGR are achieved though the sensitivity analysis. The effective mitigation measure to inhibit the air ingress into the core would be researched and verified, to prove the safety of the HTGR.

高温气冷堆进气事故可导致石墨腐蚀、堆体结构强度减弱、燃料元件完整性破坏，从而影响反应堆的安全，是高温气冷堆研究中重点关注的超设计基准事故。项目以球床式高温气冷堆热气导管发生双端断裂、堆内外压力平衡后，舱室内空气-氦气混合物在密度梯度驱动分层流和分子扩散的作用下进入堆芯的过程为研究对象。一定量的空气进入堆芯后，由于堆内外存在较大的温度差，将会建立起稳定的自然对流，从而开始持续、大量的进空气，并造成较严重后果。通过对分层流现象和扩散现象进行理论研究，明确其物理机制和主要影响因素；研究不同结构和物理条件下两种现象对气体流动的支配作用；利用流体力学计算工具对反应堆进行整体建模分析，确定建立稳定自然对流的时间，评价反应堆内不同结构的进气时间尺度；通过敏感性分析，掌握球床式高温气冷堆进气事故的特性及关键影响参数，研究并验证能有效抑制空气进入堆芯的缓解措施，从而为论证高温气冷堆的安全特性提供可靠依据。

本课题以高温气冷堆（HTGR）重点关注的进气事故为研究对象，基于球床模块式高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）的设计，对进气事故中的相关物理现象开展机理研究，力图全面阐述和掌握进气事故中的关键特性。.课题主要研究内容包括：.（1）分层流和分子扩散机理研究.对密度梯度驱动的分层流现象和分子扩散现象进行了理论研究，分析了自然循环建立过程中各个阶段的对流时间尺度和扩散时间尺度，研究了不同情况下起主导作用的因素。.（2）高温气冷堆进气过程的机理研究和特性分析.首先对国外已开展的实验研究和理论分析结果进行了数值模拟，验证了分析工具、分析方法、计算模型的可靠性；随后根据HTR-PM的设计参数，建立了计算模型评价其自然循环建立的时间以及形成的自然循环流量；最后对影响自然循环建立时间的关键因素进行了分析。.（3）缓解措施研究.根据研究得到的事故发展特点和关键影响因素，研究了能有效抑制空气进入堆芯的事故缓解措施，并利用所建立的模型对其进行了验证分析。.重要结果及科学意义：.研究得到：1）在水平分层流阶段，以及混合气体在堆芯的上升阶段，对流均起绝对主导作用；2）堆芯高度、热气导管尺寸、堆内外温度分布及气体组分分布，均对自然循环的建立过程有影响。特别是舱室空气含量对自然循环建立时间的影响尤为显著；3）从合适的位置向堆内注入不和石墨发生化学反应的气体（如氮气），可以有效缓解事故后果。.通过上述研究，不但掌握了球床式高温气冷堆进气事故中自然循环建立时间的关键影响因素，也解释了此前国内外不同研究机构对自然循环建立时间开展研究所得到的结果差异较大的原因。.课题研究也为进一步掌握高温气冷堆技术、开展相关的事故管理研究提供了有力支持。