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反應堆嚴重事故壓力容器下封頭內熔池結構計算方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510276962.4

申請日:

2015.05.27

公開號:

CN104992045A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 19/00申請日:20150527|||公開
IPC分類號: G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G06F19/00
申請人: 中國核動力研究設計院
發明人: 劉麗莉; 余紅星; 鄧堅; 陳彬; 武鈴珺; 張明; 張航
地址: 610000四川省成都市一環路南三段28號
優先權:
專利代理機構: 成都行之專利代理事務所(普通合伙)51220 代理人: 王記明
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510276962.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.10.31|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種反應堆嚴重事故壓力容器下封頭內熔池結構計算方法,包括如下步驟:計算下封頭堆芯熔融物各組分質量,將計算結果與成分系統相圖中的可混溶范圍比較,根據比較結果判斷熔融物是否分層,如果熔融物出現分層,則比較各層中熔融物的密度得出熔融物的分層結果。本發明所提供的方法,與現有的將熔池結構簡單分層的方法相比,區分了堆芯熔融物在不同的遷移方式下的不同計算方法,并在計算過程中充分考慮了成分之間的相互作用,更加準確地判斷出熔池結構,從而更為準確地評價嚴重事故情況下熔融物堆內滯留措施的有效性。

權利要求書

權利要求書
1.  反應堆嚴重事故壓力容器下封頭內熔池結構計算方法,其特征在于,包括如下步驟:計算下封頭堆芯熔融物各組分質量,將計算結果與成分系統相圖中的可混溶范圍比較,根據比較結果判斷熔融物是否分層,如果熔融物出現分層,則比較各層中熔融物的密度得出熔融物的分層結果。

2.  如權利要求1所述的壓力容器下封頭內熔池結構計算方法,當熔融物以側面遷移方式向下封頭遷移時,其特征在于包括以下步驟:
步驟一:當熔融物上表面與堆芯下支撐板下表面接觸時,計算出壓力容器下封頭內熔融物各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的質量,進入步驟二:
步驟二:根據計算結果判斷熔融物成分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,進入步驟三;
如分層分布,將各層中熔融物密度進行比較:
如果金屬層密度小,熔融物分為兩層:金屬層在上,氧化層在下,進入步驟四;
如果金屬層密度大,熔融物分為兩層:金屬層在下,氧化層在上,進入步驟五;
步驟三:待熔融物將堆芯下支撐板淹沒時,計算此時壓力容器下封頭內各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的質量:
根據計算結果判斷熔融物成分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,則判斷熔池結構為熔融物均勻分布,計算結束;
如分層分布,將各層中熔融物密度進行比較:
如果金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束;
步驟四:待熔融物將堆芯下支撐板淹沒時,計算此時壓力容器下封頭內各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的質量,判斷其成分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,則判斷熔池結構為均勻分布,計算結束;
如分層分布,將各層中熔融物密度進行比較:
如果金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束;
步驟五:在堆芯熔融物完全遷移到下封頭后,下層金屬層成分保持不變,待上層氧化層與再進入熔池內的熔融物混合后計算混合物各組分質量,判斷混合物各組分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則混合物均勻分布,如不在,則混合物出現分層如均勻分布,計算混合物密度,與保持不變的金屬層密度進行比較:
如果金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束;
如分層分布則進入步驟六;
步驟六:根據混合物各層熔融物成分密度進行比較:
如果比較結果為金屬層密度小,則分層中金屬層在上,氧化層在下,熔池最終結構為三層:從上到下分布為金屬層-氧化層-金屬層,計算結束;
如果比較結果為金屬層密度大,則分層中金屬層在下,氧化層在上,進入步驟七;
步驟七:氧化層成分保持不變,并計算其密度,待混合物中金屬層與步驟五中下層金屬層混合后,計算混合后金屬層密度,并與混合物中氧化層密度進行比較:
如果混合后金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果混合后金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束。

3.  如權利要求1所述的壓力容器下封頭內熔池結構計算方法,當熔融物以垂直遷移方式向下封頭遷移時,其特征在于包括以下步驟:
步驟一:當下支撐板坍塌進下封頭形成熔池時,計算出壓力容器下封頭內熔融物各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的質量,進入步驟二:
步驟二:根據U-Zr-O-Fe系統相圖判斷熔融物成分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,計算結束;
如分層分布,進入步驟三;
步驟三:將各層中熔融物密度進行比較:
如果比較結果為金屬層密度小,則分層中金屬層在上,氧化層在下,熔池最終結構為上層為金屬層,下層為氧化層,計算結束;
如果比較結果為金屬層密度大,則分層中金屬層在下,氧化層在上,熔池最終結構為上層為氧化層,下層為金屬層,計算結束。

4.  如上述任一權利要求所述的壓力容器下封頭內熔池結構計算方法,其特征在于:熔融物為液態,且下封頭無水。

說明書

說明書反應堆嚴重事故壓力容器下封頭內熔池結構計算方法
技術領域
本發明涉及核電廠嚴重事故緩解措施,具體地,涉及一種在反應堆嚴重事故狀態下壓力容器下封頭內熔池結構計算方法。
背景技術
目前的一些核電廠在設計上采用了壓力容器下封頭熔融物堆內滯留技術以緩解嚴重事故,由于在堆芯熔融物形成的熔池出現分層的情況下,金屬層的熱聚焦效應可能造成壓力容器下封頭失效,因此對于熔融物堆內滯留技術而言,分析、判斷出壓力容器下封頭內熔融物形成的熔池結構對該技術的有效性影響很大。
熔池內所含的熔融物主要為金屬和氧化物,根據現有的分析計算方法,熔池結構大致分為兩種:均勻模型和分層模型。在分層模型中公認的方法是分兩層,上層為金屬相層,下層為氧化物層。分層過程簡化處理為成分的混合,即金屬相和氧化相獨立存在。
現有的分析計算方法存在的主要問題是將分層看成是成分之間的混合,過于簡單,沒有充分考慮熔融物之間的相互反應,也沒有結合熔融物在壓力容器中的遷移方式。由于熔池結構的計算涉及到嚴重事故下核反應壓力容器下封頭內熔融物滯留技術的有效性判斷,如不能準確計算熔池結構,則可能會造成嚴重事故緩解技術的實效,進而影響反應堆安全。
為正確評估嚴重事故下核反應堆壓力容器下封頭內熔融物滯留技術的有效性,熔池的結構計算是一個亟待解決的問題。
發明內容
本發明提供了一種反應堆嚴重事故壓力容器下封頭內熔池結構計算方法,利用熔融物系統相圖,在熔池結構計算過程中引入了熔融物在壓力容器內的不同遷移方式以及熔融物之間的相互反應的因素,更為準確地判斷熔池結構,從而更為準確地評價嚴重事故情況下熔融物堆內滯留措施的有效性。
本發明具體實現過程如下:
反應堆嚴重事故壓力容器下封頭內熔池結構計算方法,包括如下步驟:計算下封頭堆芯熔融物各組分質量,將計算結果與成分系統相圖中的可混溶范圍比較,根據比較結果判斷熔融物是否分層,如果熔融物出現分層,則比較各層中熔融物的密度得出熔融物的分層結果。
進一步的,當熔融物以側面遷移方式向下封頭遷移時,包括以下步驟:
步驟一:當熔融物上表面與堆芯下支撐板下表面接觸時,計算出壓力容器下封頭內熔融物各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的質量,進入步驟二:
步驟二:根據計算結果判斷熔融物成分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,進入步驟三;
如分層分布,將各層中熔融物密度進行比較:
如果金屬層密度小,熔融物分為兩層:金屬層在上,氧化層在下,進入步驟四;
如果金屬層密度大,熔融物分為兩層:金屬層在下,氧化層在上,進入步驟五;
步驟三:待熔融物將堆芯下支撐板淹沒時,計算此時壓力容器下封頭內各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的質量:
根據計算結果判斷熔融物成分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,則判斷熔池結構為熔融物均勻分布,計算結束;
如分層分布,將各層中熔融物密度進行比較:
如果金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束;
步驟四:待熔融物將堆芯下支撐板淹沒時,計算此時壓力容器下封頭內各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的質量,判斷其成分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,則判斷熔池結構為均勻分布,計算結束;
如分層分布,將各層中熔融物密度進行比較:
如果金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束;
步驟五:在堆芯熔融物完全遷移到下封頭后,下層金屬層成分保持不變,待上層氧化層與再進入熔池內的熔融物混合后計算混合物各組分質量,判斷混合物各組分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則混合物均勻分布,如不在,則混合物出現分層如均勻分布,計算混合物密度,與保持不變的金屬層密度進行比較:
如果金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束;
如分層分布則進入步驟六;
步驟六:根據混合物各層熔融物成分密度進行比較:
如果比較結果為金屬層密度小,則分層中金屬層在上,氧化層在下,熔池最終結構為三層:從上到下分布為金屬層-氧化層-金屬層,計算結束;
如果比較結果為金屬層密度大,則分層中金屬層在下,氧化層在上,進入步驟七;
步驟七:氧化層成分保持不變,并計算其密度,待混合物中金屬層與步驟五中下層金屬層混合后,計算混合后金屬層密度,并與混合物中氧化層密度進行比較:
如果混合后金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果混合后金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束。
進一步的,當熔融物以垂直遷移方式向下封頭遷移時,包括以下步驟:
步驟一:當下支撐板坍塌進下封頭形成熔池時,計算出壓力容器下封頭內熔融物各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的質量,進入步驟二:
步驟二:根據U-Zr-O-Fe系統相圖判斷熔融物成分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,計算結束;
如分層分布,進入步驟三;
步驟三:將各層中熔融物密度進行比較:
如果比較結果為金屬層密度小,則分層中金屬層在上,氧化層在下,熔池最終結構為上層為金屬層,下層為氧化層,計算結束;
如果比較結果為金屬層密度大,則分層中金屬層在下,氧化層在上,熔池最終結構為上層為氧化層,下層為金屬層,計算結束。
進一步的,熔融物為液態,且下封頭無水。
本發明所提供的方法,與現有的將熔池結構簡單分層的方法相比,區分了堆芯熔融物在不同的遷移方式下的不同計算方法,并在計算過程中充分考慮了成分之間的相互作用,更加準確地判斷出熔池結構,從而更為準確地評價嚴重事故情況下熔融物堆內滯留措施的有效性。
附圖說明
圖1 為U-Zr-O-Fe系統相圖。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明:
當發生核電站嚴重事故時,例如:某百萬千瓦級核電廠發生全場斷電事故。
此時,由于堆芯受熱熔化,堆芯熔融物在壓力容器內遷移,其遷移方式有兩種:一種是熔融物在熔穿堆芯圍板后從堆芯側面遷移進入下封頭并不斷積累,最終將堆芯下支撐板浸沒并將其熔化,即熔融物的側面遷移;另一種是大部分熔融物垂直向下遷移,在堆芯下支撐板聚集并逐漸將其溶解,最終下支撐板失效,掉入下封頭內形成熔池。
在此過程中,利用嚴重事故計算程序,得到熔融物在各個階段的成分和質量。核電站嚴重事故計算程序是一種比較成熟的事故計算程序,常用的有MAAP、MELCOR等計算程序,在以下的實施例中均是以使用MAAP程序為例。
發生嚴重事故時,堆芯熔融物主要為UO2、ZrO2、Zr和Fe,從相圖手冊或文獻中查閱得到為U-Zr-O-Fe系統的相圖,針對反應堆堆芯材料的特點,由于U/Zr的比例相比O、Fe而言是固定的,因此選取了如圖1所示的以U/Zr為三角形一角的平面相圖,在以下實施例中,需要用到該系統相圖進行熔融物的分層判斷,具體的判斷方法為:圖1中曲線為可混溶范圍的分界,如果根據嚴重事故計算程序計算得到的成分值在L+L區,則判斷熔融物分層,如成分點在曲線右側的L區,則判斷熔融物均勻分布。
在熔融物出現分層時,根據相圖中的平衡態連線,即直線LA和LC,得出各成分的比例,然后根據密度判斷分層情況。
實施例一
在本計算方法中,假設堆芯熔融物為液態,且堆芯無水。
反應堆嚴重事故壓力容器下封頭內熔池結構計算方法,當熔融物以側面遷移方式向下封頭遷移時,包括以下步驟:
步驟一:根據嚴重事故計算程序的計算生成文件判斷,當熔融物上表面與堆芯下支撐板下表面接觸時,用該程序計算出壓力容器下封頭內熔融物各成分(UO2、ZrO2、Zr和Fe)的質量,進入步驟二:
步驟二:根據計算結果判斷熔融物成分是否在(U-Zr-O-Fe)系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,進入步驟三;
如分層分布,將各層中熔融物密度進行比較:
如果金屬層密度小,熔融物分為兩層:金屬層在上,氧化層在下,進入步驟四;
如果金屬層密度大,熔融物分為兩層:金屬層在下,氧化層在上,進入步驟五;
步驟三:待熔融物將堆芯下支撐板淹沒時,用嚴重事故計算程序計算此時壓力容器下封頭內各成分(UO2、ZrO2、Zr和Fe)的質量
根據計算結果判斷熔融物成分是否在(U-Zr-O-Fe)系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,則判斷熔池結構為熔融物均勻分布,計算結束;
如分層分布,將各層中熔融物密度進行比較:
如果金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束。
步驟四:由于堆芯熔融物中金屬含量相對較少,金屬層較薄,隨著熔融時間的增加,熔融物往下遷移,再進入下封頭熔池內的熔融物對之前的熔池結構產生影響。因此,在熔融物將堆芯下支撐板淹沒時,需要重新計算熔池內所有熔融物成分,得出計算結果后,判斷其成分是否在(U-Zr-O-Fe)系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則熔融物均勻分布,如果不在,則出現分層:
如均勻分布,則判斷熔池結構為均勻分布,計算結束;
如分層分布,將各層中熔融物密度進行比較:
如果金屬層密度較大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度較小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束。
步驟五:上層氧化層由于堆芯熔融物中氧化相含量相對較多導致其厚度較大,再進入下封頭熔池內的熔融物對之前的熔池結構不產生影響。因此,在堆芯熔融物完全遷移到下封頭后,下層金屬層成分保持不變,待上層氧化層與再進入熔池內的熔融物混合后計算混合物各組分質量,判斷混合物各組分是否在U-Zr-O-Fe系統相圖中可混溶范圍之內,如果在可混溶范圍內,則混合物均勻分布,如不在,則混合物出現分層如均勻分布,計算混合物密度,與保持不變的金屬層密度進行比較:
如均勻分布,計算其密度,與之前金屬層密度進行比較:
如果金屬層密度較大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度較小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束。
如分層分布則進入步驟六;
步驟六:根據各層熔融物成分密度進行比較:
如果比較結果為分層中金屬層在上,氧化層在下,熔池最終結構為三層:從上到下分布為金屬層-氧化層-金屬層,計算結束;
如果比較結果為分層中金屬層在下,氧化層在上,進入步驟七;
步驟七: 氧化層成分保持不變,并計算其密度,待混合物中金屬層與步驟五中下層金屬層混合后,計算混合后金屬層密度,并與混合物中氧化層密度進行比較:
如果金屬層密度大,熔池最終結構為兩層:金屬層在下,氧化層在上,計算結束;
如果金屬層密度小,熔池最終結構為兩層:金屬層在上,氧化層在下,計算結束。
實施例二
由于在熔融物向下封頭的遷移方式為側面遷移時,其熔融物是通過壓力容器側面向下封頭遷移,使得下封頭內熔融物水平面逐漸上升,慢慢接近堆芯下支撐板下表面,隨著熔融物的積累,逐漸將下支撐板淹沒并將其溶解。在這個過程中熔融物的情況變化比較復雜,尤其是Fe的含量變化差別很大,需要在整個階段中對熔融物進行多次計算和判斷,才能最準確得出熔池結構,并準確判斷下封頭失效的風險。
而當熔融物的遷移方式為垂直遷移時,是大量的熔融物現在堆芯支撐板上聚集,慢慢將其熔化后一起掉入下封頭,之前雖有少量熔融物是通過下支撐板上貫穿件或熔穿小孔進入下封頭,但都不足以導致下封頭的失效,因此不需要對熔池結構進行判斷,只有下支撐板被熔融物完全溶解時,上部聚集的大量熔融物一起掉入下封頭內,這時才可能對下封頭的有效性造成威脅,此時才需要對熔池結構進行判斷和分析。
在本計算方法中,同樣假設堆芯熔融物為液態,且堆芯無水。
反應堆嚴重事故壓力容器下封頭內熔池結構計算方法,當熔融物以垂直遷移方式向下封頭遷移時,包括以下步驟:
步驟一:熔融物在堆芯下支撐板上積累,并將其逐漸溶解,當最終下支撐板坍塌進下封頭形成熔池時,利用“嚴重事故計算程序”計算熔融物的成分和質量,進入步驟二:
步驟二:根據計算結果判斷熔融物成分點是否在系統相圖可混溶范圍之內,如果在,則熔融物為均勻分布;如果不在,則進入步驟三;
步驟三:將各層中熔融物密度進行比較:
如果比較結果為金屬層密度小,則分層中金屬層在上,氧化層在下,熔池最終結構為上層為金屬層,下層為氧化層,計算結束;
如果比較結果為金屬層密度大,則分層中金屬層在下,氧化層在上,熔池最終結構為上層為氧化層,下層為金屬層,計算結束。
本發明所提供的方法,與現有的將熔池結構簡單分層的方法相比,區分了堆芯熔融物在不同的遷移方式下的不同計算方法,并在計算過程中充分考慮了成分之間的相互作用,更加準確地判斷出熔池結構,從而更為準確地評價嚴重事故情況下熔融物堆內滯留措施的有效性。

關 鍵 詞:
反應堆 嚴重 事故 壓力容器 下封頭內 熔池 結構 計算方法
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