較厚重金屬層條件下熔池結構判斷方法

羅躍建 劉麗莉 向清安 孫洪平

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

U-Al合金燃料元件常用在研究堆中，其幾何形式與材料類型與典型壓水堆存在明顯不同，嚴重事故下，熔池結構將存在明顯不同，表現出重金屬層較厚。下封頭熔融物行為對熱負荷失效具有重要影響。熔融物行為相當復雜，涉及碎片床、粒子床、氧化熔融物、金屬熔融物、冷卻劑、壓力容器壁面等多種物質結構間的相互影響、相互演化。目前商用輕水堆嚴重事故分析中認為下封頭中熔融物碎片床不能得到持續冷卻，最終會重新熔化形成熔融池[1-3]。高溫熔融鋁合金與冷卻劑相互作用研究也表明最終形成碎片床，可以認為U-Al合金熔融物同樣形成碎片床，U-Al合金反應堆功率密度高，衰變熱密度大，一定情況下，碎片床最終也會形成熔融池。

本文改進傳統集總參數法，判斷U-Al合金反應堆重金屬層較厚情況下的熔池結構。

1 熔池結構

1.1 商用輕水堆

商用輕水堆中，認為包絡工況下形成的穩態熔融池，一般包括兩層、三層結構，如圖1所示。兩層熔融池包括下部氧化層、上部金屬層，氧化層中有二氧化鈾、二氧化鋯等氧化物，具有內熱源，金屬層中有不銹鋼、鋯合金，一般認為無內熱源，或具有少量裂變產物形成低功率密度內熱源。三層熔融池包括下部重金屬層、中間氧化層、上部輕金屬層，重金屬層中有共晶析出的重金屬鈾、不銹鋼、鋯合金，衰變熱形成內熱源，衰變熱與氧化層熱量傳遞加熱重金屬層，氧化層、輕金屬層與兩層結構類似。一般認為重金屬鈾析出量較少，重金屬層較薄，重金屬鈾換熱性能好，重金屬層熱量僅通過壓力容器內壁面傳遞。氧化熔融物熔點較高，容易形成硬殼，包裹氧化層，硬殼具有內熱源，內側溫度為氧化熔融物固相線。熔融池分層與熔融物組分有密切關系，堆芯熔融進程特別是堆芯熔融進程中的熔融物再定位至下封頭過程，對熔融池分層也有重要影響[4，5]。

圖1 熔融池分層示意圖

在溫度差、密度差作用下，穩態熔融池內部發生自燃循環，通過經驗換熱關系式，可以確定沿角度熱流密度分布。值得注意的是：一方面，金屬層通過上部空間輻射與壓力容器內壁面對流換熱帶走熱量，在輻射換熱一定時，金屬層越薄，壓力容器內壁面熱流密度越高，容易超過CHF，造成壓力容器熱負荷失效，形成“熱聚集”效應，需要重點關注；另一方面，重金屬層功率密度與重金屬鈾中溶解鋯合金、不銹鋼等輕金屬質量有關，當溶解量較少時，重金屬層較薄，功率密度較高，容易形成與上部輕金屬層類似的“熱聚集”效應，尤其是CHF值隨著高度降低而減小，壓力容器底部區域重金屬層附近容易發生熱負荷失效。

1.2 U-Al合金型反應堆

U-Al合金型板狀燃料元件反應堆熔融堆芯材料主要包括二氧化鈾、氧化鋁等氧化熔融物，U-Al合金、鋁合金等金屬熔融物。氧化熔融物主要以氧化鋁為主，均由高溫氧化反應得到，總體質量相對較少。金屬熔融物主要以U-Al合金為主，并析出較少金屬鋁合金。U-Al合金密度大于氧化鋁，形成下部較厚U-Al合金重金屬層、中部較薄氧化層、上部較薄鋁合金金屬層的結構。內熱源主要集中在下部熔融池，傾向于從壓力容器壁面傳遞，可能導致氧化層與金屬層凝固，形成三層結構，如圖2所示。氧化層與金屬層是否凝固與氧化層內熱源、U-Al合金金屬層向上傳遞熱量密切相關，當金屬層呈熔融池結構時，存在上述類似“熱聚集”效應。

圖2 重金屬層較厚的三層熔融池結構

2 集總參數法

熔融池包括含內熱源氧化層與無內熱源金屬層：通常認為氧化層在內熱源、不同材料組分作用下，形成溫度差、密度差，導致發生明顯自然對流換熱；金屬層較薄，自然對流傳熱現象不明顯。氧化層與金屬層換熱系數一般都通過實驗確定，并用努塞爾數（Nu）表征。當前實驗所得氧化層自然對流關系式適用范圍廣泛，使用時應注意普朗特數Pr、瑞利數Ra、內部瑞利數Ra′的使用范圍。U-Al合金型板狀燃料元件反應堆下部金屬層熔融池中，內部瑞利數Ra′約108～1013，在大部分換熱關系式的使用范圍內。進行熔融池換熱計算時，可以合理選擇適用的熔融池換熱關系式。

目前熔融池換熱相關數值模擬主要是通過集總參數法分析壓力容器壁面熱流密度。集總參數法分析熔融池換熱過程首先由Theofanous提出，并應用在AP600 IVR-ERVC有效性評估中，數值模擬時只計算熔融池集總參數[6]。在此基礎上，許多機構都開發了獨立程序，各程序在熔融池分層、換熱關系式等方面均有明顯區別。VESTA程序中，兩層模型除前文所述兩層結構外，還有一種下部含內熱源重金屬層、上部含內熱源氧化層的兩層結構。MOPOL程序具有兩層、三層、四層熔融池結構，能夠針對不同堆型、不同熔融池結構，選擇不同換熱關系式，具有較高包絡性，有利于參數敏感性分析。

3 改進集總參數法

本節基于U-Al合金型板狀燃料元件反應堆三層熔融池結構，分別為下部重金屬層、中部氧化層、上部輕金屬層，各層熔融池均含有內熱源，利用改進集總參數法討論熔融池換熱。當氧化層內熱源功率密度較低時，重金屬層熱量可能向氧化層傳遞，影響氧化層與金屬層熔融池形態。本文首先在重金屬層熱量傳遞基礎上討論熔融池結構，判斷氧化層、金屬層熔融池形成，主要參數如圖3所示。

圖3 較厚重金屬層參數示意圖

不同內熱源與熱量傳遞能力，可能導致熔融池處于不同形態。在實際反應堆熔融池中，重金屬層衰變熱功率密度高、換熱能力強、熔點低，呈現出熔融態，重金屬熔融池沒有硬殼。

氧化層形態與氧化層內熱源、重金屬層向氧化層熱量傳遞有關。當氧化層內熱源足夠時，氧化層向金屬層與重金屬層傳遞熱量，氧化層最高溫度在氧化層內部。當最高溫度高于氧化層固相線時，形成氧化層熔融池，具有硬殼結構。當氧化層內熱源不足時，重金屬層向氧化層傳遞熱量，氧化層最高溫度在氧化層底部。金屬層形態與金屬層內熱源、氧化層向上熱量傳遞相關，一般認為金屬層內熱源較低，金屬層形態主要與氧化層向上熱量傳遞相關。

對于U-Al合金型板狀燃料元件反應堆熔融池，重金屬層最厚，內熱源明顯，氧化層與金屬層較薄，金屬層基本不具有內熱源。氧化層形態是熔融池結構的關鍵，對于較薄的固態氧化層與金屬層，認為是平板導熱，忽略側面熱量傳遞。

氧化層與金屬層中熱量傳遞分別為帶內熱源平板導熱與無內熱源平板導熱，溫度分布如圖4所示：氧化層內呈拋物線分布，金屬層內呈線性分布。當重金屬層向氧化層傳遞熱量時，氧化層最高溫度在重金屬層與氧化層接觸面，且不是拋物線頂點。當氧化層向重金屬層傳遞熱量時，氧化層最高溫度在氧化層內部，為拋物線頂點。氧化層與金屬層接觸面僅存在氧化層向金屬層傳遞熱量。

圖4 固態氧化層溫度分布示意圖

判斷重金屬層與氧化層之間的熱量傳遞，可假設兩層之間沒有熱量傳遞，溫度分布拋物線頂點在重金屬層與氧化層接觸面，重金屬層最大溫度等于其頂部溫度，氧化層頂部溫度等于金屬層底部溫度，則：

同時，金屬層底部溫度：

同時考慮金屬層頂部輻射換熱，將上式得到的金屬層底部溫度與金屬層頂部輻射換熱得到的金屬層底部溫度比較，如果前者較小，則說明氧化層向重金屬層傳遞熱量，反之則重金屬層向氧化層傳遞熱量，下面將分別討論這兩種情況。

（a）氧化層向重金屬層傳遞熱量

當氧化層向重金屬層傳遞熱量時，首先設傳遞份額fph，fph介于0～1之間，則：

氧化層底部溫度等于重金屬層頂部溫度：

可求得氧化層底部溫度Tp，b。

氧化層溫度分布存在對稱性，如圖5所示，最高溫度分別在右側與左側時，對稱性溫度Tsym分別等于氧化層底部溫度Tp，b與氧化層頂部溫度Tp，t。

圖5 固態氧化層溫度對稱性示意圖

當最高溫度位于右側時，fph＜0.5，金屬層底部溫度：

當最高溫度位于左側時，fph＞0.5，金屬層底部溫度：

將上式得到的金屬層底部溫度Tm，b與通過金屬層頂部輻射換熱得到的金屬層底部溫度Tm，b比較，調整傳遞份額fph，重復上述步驟，直至達到收斂極限，最終確定氧化層向重金屬層熱量傳遞份額。

（b）重金屬層向氧化層傳遞熱量

當重金屬層向氧化層傳遞熱量時，假設重金屬傳遞份額fhp，fhp介于0～1，則：

金屬層底部溫度為：

將上式得到的金屬層底部溫度Tm，b與通過金屬層頂部輻射換熱得到的金屬層底部溫度Tm，b比較，調整傳遞份額fhp，重復上述步驟，直至達到收斂極限，最終確定重金屬層向氧化層熱量傳遞份額。

在得到氧化層與重金屬層熱量傳遞的基礎上，可以得到氧化層與金屬層熱量，判斷其是否為熔融池狀態。金屬層最高溫度發生在底部，最低溫度發生在頂部。當重金屬層向氧化層傳遞熱量時，最高溫度在氧化層與重金屬層接觸面，在當前熔融池衰變功率密度下，不超過氧化層固相線。當氧化層向重金屬層傳遞熱量時，最高溫度在氧化層內部，有可能超過氧化層固相線，形成熔融池，此時氧化層最高溫度為：

當氧化層最高溫度超過氧化層固相線時，開展氧化層熔融池計算。金屬層中，如果頂部最低溫度低于熔點，形成硬殼，則說明氧化層向上傳遞熱量較小，此時沒有必要開展金屬層熔融池計算。

4 結語

U-Al合金燃料元件常用在研究堆中，其幾何形式與材料類型與典型壓水堆存在明顯不同，嚴重事故下，熔池結構將存在明顯不同，其重金屬層較厚。本文改進傳統集總參數法，判斷重金屬層較厚情況下的熔池結構。