[发明专利]建立钠冷快堆堆芯解体事故精细热工水力计算模型的方法

说明书

本发明公开了一种建立钠冷快堆堆芯解体事故精细热工水力计算模型的方法，模型建立过程为：1、针对堆芯解体事故初始阶段及过渡阶段的堆芯行为特性，开展耦合分析；2.建立钠池上的三维可压缩两相移动粒子半隐式(MPS)数值模拟方法；3.建立材料应力‑应变本构方程的有限元力学模型；4.进行钠池尺度‑窄隙通道的跨尺度两相流体热工水力特性的迭代更新，实现物理参数相互传递与先进差值耦合计算；5.建立连续表面张力模型、组分输运模型与热传导模型；6.实现窄隙泄放过程的三维两相数值模拟；7.建立一套适用于宽参数范围的两相泄放热工水力机理模型；8.实现同一时层下冲击‑泄放流体域跨尺度耦合，获取两种现象关键热工水力参数的耦合变化趋势。

技术领域

本发明属于钠冷快堆事故安全分析技术领域，具体涉及一种建立钠冷快堆堆芯解体事故精细热工水力计算模型的方法。

背景技术

作为第四代先进反应堆中研发较快、研究较深入的堆型之一，钠冷快堆具有核燃料增殖、长寿命放射性废物嬗变以及固有安全性的优势。池式的钠冷快堆设计减少了冷却剂泄漏，而包容边界功能与结构完整性则是池式钠冷快堆安全特性的核心问题。反应堆一次冷却剂容器中，钠池外侧包围的安全池可容纳事故下泄漏的钠；钠池顶部则依靠屏蔽盖包容液态金属钠及裂变产物，因此评估意外载荷下其贯穿件密封处的泄放机制至关重要。

根据纵深防御原则，堆芯解体极限事故下反应堆边界对放射性物质的包容能力是关注重点。堆芯解体事故的分析方法最初Bethe-Tait提出。张东辉等对B-T模型进行改进，引入堆芯反应性系数分布函数，获得保守的分析结果。Thilak等研究了气腔扩张过程中堆芯气腔-冷却剂粒子的夹带运动特性。ASTARTE和SEURBNUK，分别基于拉格朗日法和欧拉法的有限差分法计算可压缩流体域，耦合固体域有限元法求解。Louvet等在MARA 1-9模型实验的基础上建立了法国凤凰堆容器1:30的缩比实验MARA10，考虑了堆芯支撑及上堆芯结构MARA10，实验验证了有限差分-有限元强耦合的熔融气腔-钠-氩气三相分析程序。上述堆芯解体膨胀阶段研究，更关注堆芯熔融气腔的换热现象及冷却剂与堆容器的整体效应，缺乏高能钠-氩气两相流体瞬态特性研究以及耦合该流体三维速度场、压力场和温度场的顶盖冲击失效机制分析。

有限元和有限体积法都是基于网格的数值方法，模拟大尺度液面变形时可能出现网格畸变扭曲；粒子法是针对不可压缩流体的拉格朗日方法，能够精确模拟追踪复杂的液面变化。现有冷却剂冲击顶盖研究关注地震载荷下近常压效应，采用的粒子法为二维不可压模型，无法分析膨胀阶段高压下气相压缩及流体温压应力载荷的三维流场特性，为密封失效后冷却剂两相泄放的初始状态确定带来困难。Chellapandi等人采用缩比1:13与1:30的钢制容器模拟印度快堆PFBR堆芯解体膨胀过程，并通过开发的有限元计算程序FUSTIN获得了堆容器二维应力-应变特性。上述堆芯解体膨胀阶段研究，更关注堆芯熔融气腔的换热现象及冷却剂与堆容器的整体效应，缺乏高能钠-氩气两相流体瞬态特性研究以及顶盖冲击失效机制分析。

堆芯解体事故后期堆容器冲击失效及冷却剂泄放特性研究是钠冷快堆安全性设计的重要课题，当前研究主要存在以下问题：第一，现有成熟堆芯事故解体分析程序缺乏对堆芯膨胀阶段的系统研究。第二，该阶段冷却剂对堆容器顶盖的冲击现象复杂，两相流场分布特性及多物理场下的流固三维耦合机制缺乏深入研究，而现有研究方法在可压缩两相界面追踪及流体瞬态应力载荷上还有待改进；第三，复杂窄隙通道内的钠-氩气两相泄放机理研究匮乏，需建立大压差下窄隙流道冷却剂泄放特性模型。

发明内容

池式快堆堆芯解体后期，冷却剂冲击堆容器造成失效泄放，破坏第二道包容边界完整性，恶化堆芯冷却能力的同时威胁安全壳结构安全。为研究该冲击失效及冷却剂泄放过程形成机制，掌握该过程两相流动换热特性，揭示过程中冷却剂与一次侧边界相互作用机理。本发明的目的在于提供一种建立钠冷快堆堆芯解体事故精细热工水力计算模型的方法，评估高能冷却剂冲击对堆容器结构完整性的影响，探索液态金属钠与惰性气体两相泄放特征。为我国池式钠冷快堆极端事故下的安全特性研究及反应堆包容边界优化设计提供理论支持与依据。