反應(yīng)堆瞬態(tài)熱工分析簡(jiǎn)介.ppt

第五章 反應(yīng)堆瞬態(tài)熱工分析簡(jiǎn)介,事故分析,堆芯欠冷事故 冷卻劑喪失事故（LOCA）,反應(yīng)堆堆芯欠冷事故簡(jiǎn)介-失流事故,失流事故：當(dāng)主回路中的閥門由于偶然原因突然關(guān)閉，主循環(huán)泵因機(jī)械故障卡死或失去動(dòng)力電源而被迫停止運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)堆的冷卻劑流量就要減少，甚至中斷。 冷卻劑失流后，反應(yīng)堆燃料元件的溫度變化是由冷卻劑流量下降過(guò)程和堆芯釋熱率下降過(guò)程這兩個(gè)因素決定的。 在主循環(huán)泵失去動(dòng)力電源時(shí)，冷卻劑的流量會(huì)立即開始下降。 由于反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的響應(yīng)存在滯后，控制棒的下插也需要時(shí)間，因而反應(yīng)堆不可能在斷電后馬上停堆。 停堆以后，燃料元件表面熱流量下降是比較緩慢的。,在停堆之后，燃料元件表面熱流密度下降的速度是否與燃料剩余釋熱率的下降速度相同？為什么？可能導(dǎo)致怎樣的結(jié)果？,答：不相同，釋熱率下降快，熱流密度下降慢。 這是因?yàn)樵谕６押螅瓉?lái)溫度很高的燃料芯塊降溫，要釋放出許多熱量來(lái)，元件表面?zhèn)鞒龅臒崃渴侨剂鲜Ｓ噌専岷托緣K降溫放出的熱量之和。如圖。 特別是用二氧化鈾作燃料的反應(yīng)堆，由于二氧化鈾的導(dǎo)熱能力很差，燃料元件的中心溫度很高。當(dāng)燃料元件表面?zhèn)鳠釔夯瘯r(shí)，元件內(nèi)的熱量要重新分配，中心溫度雖然降低，但包殼溫度卻要升高。,采取措施,一是緊急停堆。然而停堆的速度受到控制系統(tǒng)能力的限制，只能快到一定程度。 二是設(shè)法減緩冷卻劑流量在泵斷電后的下降速度，并設(shè)法在泵停止運(yùn)行后的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持一定的冷卻劑流量，以去除衰變熱。 水堆：可以用加大冷卻劑主循環(huán)泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法（例如在泵轉(zhuǎn)子上加惰轉(zhuǎn)飛輪）來(lái)延長(zhǎng)泵的惰轉(zhuǎn)時(shí)間。在惰轉(zhuǎn)停止以后，可以利用一回路的自然循環(huán)來(lái)保證適當(dāng)?shù)睦鋮s劑流量。為了增大自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)壓頭，在這些類型堆的設(shè)計(jì)中，總是設(shè)法加大蒸汽發(fā)生器與堆芯之間的高度差。 船用動(dòng)力壓水堆：要用由備用電源供電的應(yīng)急冷卻水泵來(lái)給堆芯提供冷卻劑流量,對(duì)冷卻劑失流事故進(jìn)行熱工水力分析的主要任務(wù),確定安全保護(hù)系統(tǒng)允許的動(dòng)作滯后時(shí)間 確定主循環(huán)泵（或風(fēng)機(jī)）惰轉(zhuǎn)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 對(duì)于使用應(yīng)急泵來(lái)提供余熱冷卻的反應(yīng)堆，還要確定應(yīng)急泵必須投入運(yùn)行的時(shí)間和必要的循環(huán)流量等,反應(yīng)堆冷卻劑喪失事故,在安全分析中，設(shè)想最嚴(yán)重的情況是一根主管道發(fā)生脆性斷裂，管道在一瞬間內(nèi)完全斷開并錯(cuò)位。這時(shí)冷卻劑從斷開的兩個(gè)端口、即相當(dāng)于兩倍主管道截面積的開口同時(shí)噴出，這種斷裂叫做“雙端斷裂”。 可以想象，在焊口處（例如在主管道與壓力殼接管連接處）發(fā)生這種斷裂的可能性最大。在設(shè)計(jì)堆芯結(jié)構(gòu)、安全保護(hù)系統(tǒng)和安全殼時(shí)，往往以這種事故做為出發(fā)點(diǎn)，所以有時(shí)又把這種事故叫做“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故”。,雙端斷裂失水事故所造成的嚴(yán)重后果是多方面的,首先，在管道斷開的一瞬間，冷卻劑在斷口處突然失壓，會(huì)在一回路系統(tǒng)內(nèi)形成一個(gè)很強(qiáng)的沖擊波。這種沖擊波在系統(tǒng)內(nèi)傳播，可能會(huì)使堆芯結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，其后果可能是控制棒插不進(jìn)去，或使一部分冷卻劑通道發(fā)生堵塞。 其二，由于冷卻劑迅速流失，冷卻劑液面可能降到堆芯頂面以下，這樣一來(lái)就使堆芯傳熱工況嚴(yán)重惡化，從而有可能使堆芯燒毀或熔化。如果堆芯大量燃料元件發(fā)生了熔化，熔化的燃料同殘存在壓力殼內(nèi)的水相接觸，進(jìn)行劇烈的放熱反應(yīng)。在水被蒸干以后，熔化的燃料就會(huì)把壓力殼熔穿。熔融的燃料進(jìn)入安全殼后同水接觸，會(huì)產(chǎn)生沖擊波，它有可能把安全殼破壞。 其三，管道破裂后，高溫高壓的冷卻劑大量噴放到安全殼中，會(huì)使殼內(nèi)氣體的溫度和壓力升高，這也有可能造成安全殼的破壞。 其四，失水事故發(fā)生后，還有一個(gè)潛在危險(xiǎn)，就是作為燃料元件包殼的鋯在高溫時(shí)會(huì)與水蒸汽發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。,鋯水反應(yīng)的后果和危害,氫氣會(huì)跑到安全殼中。當(dāng)反應(yīng)量相當(dāng)大，所產(chǎn)生的氫氣和氧氣的比例達(dá)到爆炸限度時(shí)，就有可能發(fā)生爆炸，致使安全殼遭到破壞。 使燃料元件包殼脆化。當(dāng)反應(yīng)堆壓力殼內(nèi)的壓力降低下來(lái)以后，脆化的包殼可能不足以承受燃料元件的內(nèi)壓，而使包殼破裂。 鋯水反應(yīng)產(chǎn)生的熱量還會(huì)加大燃料元件表面的熱流量，使包殼的溫度更高，鋯水反應(yīng)更劇烈。,對(duì)失水事故進(jìn)行熱工水力分析的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面,研究管道破裂后因冷卻劑失壓而產(chǎn)生的沖擊波的大小，分析堆內(nèi)構(gòu)件和一回路部件在沖擊波的作用下遭受破壞的可能性。 研究在失水事故的全過(guò)程中冷卻劑流失的速度，以及系統(tǒng)內(nèi)冷卻劑的壓力、流量、焓、密度、液位等參數(shù)隨時(shí)間的變化，以確定堆芯冷卻劑的工況，計(jì)算燃料元件的溫度場(chǎng)，檢驗(yàn)它們是否超過(guò)了安全限度。 分析事故過(guò)程中氫的產(chǎn)生和積累所造成的后果。 分析安全殼在沖擊波以及一回路冷卻劑噴放的作用下發(fā)生破裂的危險(xiǎn)性。,安全設(shè)施,堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng) 應(yīng)急冷卻系統(tǒng)可以在堆芯喪失冷卻劑的情況下向堆芯注入應(yīng)急冷卻劑，防止堆苡熔化。 安全殼噴淋系統(tǒng) 安全殼噴淋系統(tǒng)可以向安全殼空間噴淋含硼過(guò)冷水，以便把事故過(guò)程中從一回路噴放出來(lái)的大量蒸汽凝結(jié)成水，降低殼內(nèi)的壓力。 同時(shí)，噴淋的霧滴還可以清除懸浮在安全殼中的放射性物質(zhì)（主要是碘）。把溶解有放射性物質(zhì)的噴淋水收集起來(lái)加以濃縮而后儲(chǔ)存起來(lái)，即可避免放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境擴(kuò)散。,大破口失水事故的事故序列,噴放階段 再灌水階段 再淹沒(méi)階段 長(zhǎng)期冷卻,欠熱噴放階段-卸壓,由于欠熱卸壓，使系統(tǒng)壓力在幾十毫秒內(nèi)降到流體的最高局部飽和壓力。 卸壓波具有這樣的特點(diǎn)： 卸壓波穿過(guò)一次冷卻系統(tǒng)和壓力容器傳播，使堆芯吊籃發(fā)生動(dòng)態(tài)形變。,力學(xué)效應(yīng),在分析時(shí)通常假定這一過(guò)程可以被分成若干段來(lái)作近似處理。破口面積上的壓力在每一段中下降一定數(shù)量，這樣形成的壓力波傳到整個(gè)系統(tǒng)。在傳播過(guò)程中，每遇到流道截面發(fā)生變化的地方，壓力波的一部分按原來(lái)的方向傳播，而另一部分以壓縮波的形成反射回來(lái)。 在傳播的過(guò)程中壓力波逐漸衰減。,欠熱噴放階段-流量,破口在熱管段，加速-降低 破口在冷管段，減速很快,欠熱噴放系統(tǒng)流動(dòng)圖（冷段、熱段）,飽和噴放階段,過(guò)冷噴放階段的時(shí)間很短，隨斷裂位置的不同，大約在5-100毫秒之間。 此后，在冷卻劑壓力降到低于局部飽和壓力以后，冷卻劑開始沸騰，其結(jié)果是以一個(gè)慢得多的速率繼續(xù)卸壓過(guò)程。 沸騰前沿從上部堆芯和上腔室內(nèi)最熱位置開始，通過(guò)整個(gè)一次冷卻系統(tǒng)傳播。,飽和噴放系統(tǒng)流動(dòng)圖（熱段、冷段）,當(dāng)進(jìn)口管道斷裂時(shí)，堆芯進(jìn)口很快卸壓，冷卻劑從下腔室大量反流到破，使堆芯的冷卻劑由向上流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳铝鲃?dòng),沸騰工況轉(zhuǎn)變-偏離泡核沸騰,由于冷卻劑沸騰堆芯內(nèi)產(chǎn)生大量汽泡，反應(yīng)堆會(huì)由于空泡負(fù)反應(yīng)性而自動(dòng)停堆，使堆芯功率下降到衰變熱的水平。 盡管如此，由于流動(dòng)工況急劇惡化，仍然會(huì)出現(xiàn)沸騰臨界現(xiàn)象，包殼溫度迅速上升（堆芯功率衰減不多，且燃料元件芯塊儲(chǔ)存的熱量傳導(dǎo)包殼表面）。 經(jīng)過(guò)幾秒鐘之后，燃料芯塊的溫度大幅度降下來(lái)（此時(shí)，溫度由衰變熱大小與冷卻劑傳熱能力的平衡來(lái)決定）。 包殼峰值溫度,應(yīng)急堆芯冷卻階段（安注箱）,安注箱啟動(dòng)，向堆芯注水。 在冷段管道破裂的回路里，注水點(diǎn)離斷口很近，注入的應(yīng)急冷卻水幾乎全部從斷口排出。,安注旁通,只有等到汽水混合物流出的速度降低下來(lái)以后，應(yīng)急冷卻水才能注入到堆芯中去?；谏鲜霈F(xiàn)象，在進(jìn)行失水事故分析時(shí)，作為保守的估計(jì)，有時(shí)假設(shè)在整個(gè)噴放階段結(jié)束之前，應(yīng)急冷卻水達(dá)不到下腔室。,在出口管道斷裂的情況下，包殼溫度上升得比較緩慢,這是因?yàn)樾秹菏紫瘸霈F(xiàn)在堆芯的出口側(cè)，冷卻劑不會(huì)出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。 而且由于堆芯出口到斷口之間的流動(dòng)阻力很小，因而在兩相流噴放期間，堆芯內(nèi)還會(huì)一直保持比較高的冷卻劑流速，從而使沸騰臨界出現(xiàn)得比較晚。 到沸騰臨界出現(xiàn)的時(shí)候，燃料元件內(nèi)儲(chǔ)存的熱能已基本傳出，包殼溫度的升高只是由于衰變熱的存在。 所以這時(shí)沸騰臨界的出現(xiàn)造成的包殼溫度上升的幅度要比冷段管道斷裂時(shí)小。 同時(shí)，由于堆芯到斷口的阻力很小，冷卻劑在堆芯內(nèi)一直保持正向流動(dòng)，因此應(yīng)急冷卻劑可以順利地注入堆芯。,再灌水,應(yīng)急冷卻水注入壓力殼之后，首先要把下腔室充滿。待水位到達(dá)堆芯底部之后才開始進(jìn)入堆芯。應(yīng)急冷卻水充滿下腔室這段時(shí)間叫作再灌水階段。在這段時(shí)間內(nèi)，燃料元件只靠殘存在下腔室中的水產(chǎn)生的蒸汽對(duì)流和向周圍進(jìn)行熱輻射來(lái)散熱，傳熱條件極差。在衰變熱的作用下，其溫度不斷提高，因此應(yīng)該盡量縮短這一段時(shí)間。,再淹沒(méi)-蒸汽粘結(jié),應(yīng)急冷卻水注入堆芯的速度決定于注入的壓頭和冷卻水從堆芯出口到破口的流動(dòng)阻力。 在冷段管道破裂的情況下，由于多余的水會(huì)繞過(guò)堆芯周圍的環(huán)形空間從破口溢出，所以蓄水的高度不會(huì)太大，注水壓頭不會(huì)太高。冷卻水進(jìn)入堆芯以后被蒸發(fā)，形成高速的汽流。這部分汽流在經(jīng)過(guò)蒸汽發(fā)生器時(shí)被二次水加熱，流速進(jìn)一步提高，最后經(jīng)過(guò)主泵從破口流出。 由于流程長(zhǎng)、流速高，汽流在流出破口之前的這段管道阻力相當(dāng)大。這個(gè)阻力在堆芯上腔室造成一個(gè)背壓。該背壓的存在會(huì)大大降低冷卻水進(jìn)入堆芯的速度。,再淹沒(méi)-驟冷,進(jìn)入堆芯的冷卻水潤(rùn)濕燃料包殼壁面、達(dá)到冷卻的目的的要經(jīng)歷一個(gè)“驟冷”傳熱過(guò)程。包殼只有經(jīng)過(guò)驟冷后，其表面才算是被淹沒(méi)了。 驟冷點(diǎn)（稱為驟冷前沿）前進(jìn)的速度受包殼的軸向?qū)崽匦院腕E冷前沿附近的復(fù)雜傳熱過(guò)程所