鉛鉍堆蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故下鉛鉍-水相互作用程序開發(fā)及驗(yàn)證

辜峙钘,余紅星,黃代順,嚴(yán)明宇,申亞歐,張牧昊

(1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610213;2.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院,四川 成都 610059)

鉛鉍反應(yīng)堆對(duì)我國(guó)核電可持續(xù)、安全發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義[1]。蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂(SGTR)事故是鉛鉍反應(yīng)堆設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵安全問題之一。蒸汽發(fā)生器(SG)是反應(yīng)堆內(nèi)承擔(dān)熱傳輸?shù)暮诵牟考?其傳熱管壁長(zhǎng)期處于惡劣環(huán)境中,發(fā)生破裂頻率較高[2]。同時(shí),與壓水反應(yīng)堆相比,鉛鉍反應(yīng)堆SGTR事故具有一定特殊性與挑戰(zhàn)性,鉛鉍反應(yīng)堆的主回路系統(tǒng)通常采用一體化池式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式[3],其SG、主泵等關(guān)鍵設(shè)備直接浸泡在鉛鉍池內(nèi)。傳熱管一旦破裂,高壓過冷水將噴射進(jìn)入一回路內(nèi),與高溫液態(tài)鉛鉍直接接觸,引發(fā)鉛鉍-水相互作用,可能引發(fā)一系列安全相關(guān)問題[4]。因此從安全角度,SGTR事故是鉛鉍反應(yīng)堆設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)考慮的安全問題之一。

鉛鉍反應(yīng)堆SGTR事故引發(fā)的安全問題,究其根源,在于鉛鉍-水相互作用行為。鉛鉍-水相互作用行為是認(rèn)識(shí)鉛鉍反應(yīng)堆SGTR事故演化之根本,也是開展鉛鉍反應(yīng)堆SGTR事故安全評(píng)價(jià)的方法學(xué)基礎(chǔ)。對(duì)于鉛鉍反應(yīng)堆SGTR事故鉛鉍-水相互作用行為問題,國(guó)內(nèi)外已開展了一定實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。對(duì)于實(shí)驗(yàn):一方面,日本原子能研究機(jī)構(gòu)[5-6]、東京工業(yè)大學(xué)[7-8]、中國(guó)科學(xué)院[9]等主要開展了鉛鉍-水相互作用機(jī)理性實(shí)驗(yàn)研究,主要聚焦于空穴的形成、演化,液態(tài)金屬碎化,蒸汽爆炸等現(xiàn)象、行為、機(jī)理;另一方面,歐洲核能機(jī)構(gòu)、中國(guó)科學(xué)院等針對(duì)鉛鉍反應(yīng)堆SGTR事故行為,分別先后搭建了LIFUS5[10-12]、KYLIN-II-S等系列鉛鉍-水相互作用工程試驗(yàn)平臺(tái),具體研究了高壓過冷水注入高溫、常壓液態(tài)鉛鉍之后的宏觀演化過程[10-12]。然而,對(duì)于鉛鉍反應(yīng)堆SGTR數(shù)值模擬研究,傳統(tǒng)兩流體程序并不適用,且針對(duì)性程序更是鳳毛麟角,國(guó)外主要采用液態(tài)金屬反應(yīng)堆嚴(yán)重事故分析程序SIMMER-Ⅲ[13],國(guó)內(nèi)主要聚焦于多相流程序NTC-2D[14-15]、MC3D[16],并開展了相關(guān)數(shù)值模擬研究,但總體而言,相關(guān)研究仍處于探究階段。針對(duì)該問題,本文開展鉛鉍反應(yīng)堆SGTR事故下池內(nèi)鉛鉍-水相互作用理論、關(guān)鍵模型及相關(guān)算法研究,開發(fā)完成一款鉛鉍-水相互作用三流體程序,并通過使用國(guó)外已公開報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行程序驗(yàn)證。

1 理論、關(guān)鍵模型及算法

1.1 鉛鉍-水相互作用理論

液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物(包括鉛鉍蒸汽、水蒸氣、不可凝氣體)的質(zhì)量守恒方程如式(1)～(5)所示,本文采用二維軸對(duì)稱圓柱坐標(biāo)系,考慮徑向和軸向兩個(gè)方向。方程右側(cè)考慮了相變傳質(zhì)行為,同時(shí)可看出3種蒸汽組分共享同一速度場(chǎng)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

對(duì)于動(dòng)量守恒方程,考慮了3個(gè)速度場(chǎng),即液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物,其徑向動(dòng)量守恒方程分別如式(6)～(8)所示。方程右側(cè)考慮了相間拽曳力、虛擬質(zhì)量力及相變傳質(zhì)帶來的動(dòng)量交換。軸向動(dòng)量方程與徑向相似,限于篇幅,這里不再贅述。

FLBE,G,R+FVM,LBE,R+ΓC,LBEuG-ΓV,LBEuLBE

(6)

FH2O,G,R+FVM,H2O,R+ΓC,H2OuG-ΓV,H2OuH2O

(7)

ΓC,H2OuG-ΓC,LBEuG+ΓV,H2OuH2O+ΓV,LBEuLBE

(8)

對(duì)于能量守恒方程,考慮3種能量組分,即液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物,它們的能量守恒方程分別如(9)～(11)所示,其中忽略了網(wǎng)格間熱傳導(dǎo)以及拽曳力、虛擬質(zhì)量力做功。

(9)

(10)

QΓ,G+QG(h,a,ΔT)

(11)

式中:eLBE、eH2O、eG分別為液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物的比內(nèi)能;QΓ,LBE、QΓ,H2O、QΓ,G分別為由于交界面相變對(duì)液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物造成的傳熱速率;QLBE、QH2O、QG分別為由于交界面溫差傳熱對(duì)液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物造成的傳熱速率;h為傳熱系數(shù);a為交界面積;ΔT為溫差。

1.2 鉛鉍-水相互作用關(guān)鍵模型

1.2.1多相流流型模型 就本文而言,主要還是考慮池內(nèi)鉛鉍-水相互作用行為,并未考慮堆內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如蒸汽發(fā)生器傳熱管道、堆芯棒束通道等)環(huán)境,同時(shí)考慮到鉛鉍-水接觸引發(fā)急劇傳熱、傳質(zhì),發(fā)生泡狀流、彌散流、過渡流3種流型演變的可能性較大,因此便考慮了泡狀流、彌散流、過渡流這3種典型流型。上述3種流型通過空泡體積份額判斷,當(dāng)αG≤0.3時(shí)為純泡狀流,當(dāng)αG≥0.7時(shí)為純彌散流,當(dāng)0.3<αG<0.7時(shí)為過渡流。對(duì)于任意控制體網(wǎng)格,均可看作由泡狀流區(qū)域、彌散流區(qū)域構(gòu)成,只是上述泡狀流、彌散流為兩種特殊情況,作為描述流型特征的關(guān)鍵參數(shù),即泡狀流區(qū)域、彌散流區(qū)域體積份額fB、fD按式(12)計(jì)算。

fD=1-fB

(12)

如圖1所示,為模擬鉛鉍-水之間急劇傳熱、傳質(zhì)及水的射流沖擊造成的相界面突變問題,考慮了對(duì)泡狀流區(qū)域進(jìn)行二次劃分,考慮第一泡狀流和第二泡狀流兩區(qū)域,即液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水兩種液體均可同時(shí)作為連續(xù)相處理。作為泡狀流區(qū)域二次劃分的關(guān)鍵參數(shù),第一泡狀流區(qū)域、第二泡狀流區(qū)域體積份額fB1、fB2按式(13)計(jì)算,其中αCP1,e為第一連續(xù)相體積份額,對(duì)于鉛鉍-水相互作用而言,若第一連續(xù)相為液態(tài)鉛鉍,則αCP1,e=αLBE/(αLBE+αH2O)。

白色連續(xù)填充為氣體,藍(lán)色與灰色連續(xù)填充為液體(鉛鉍或水),白色圈為氣泡,藍(lán)色與灰色圈為液滴圖1 多相流流型劃分方案Fig.1 Multiphase flow pattern division scheme

fB2=1-fB1

(13)

1.2.2相界面輸運(yùn)模型 為模擬在流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等過程中相界面的演化行為,程序求解了相界面輸運(yùn)方程模型,具體包括泡狀流區(qū)域內(nèi)氣泡和液滴、彌散流區(qū)域內(nèi)液滴三類相界面輸運(yùn)情況,如式(14)～(16)所示。

(14)

(15)

(16)

式中:aG,B為泡狀流區(qū)域內(nèi)氣泡相界面積;VG為蒸汽混合物速度矢量;αG,B為泡狀流區(qū)域內(nèi)氣泡體積份額;SG,B,N為泡狀流區(qū)域內(nèi)氣泡相界面氣泡成核源項(xiàng);aD,B為泡狀流區(qū)域內(nèi)液滴相界面積;aD,D為彌散流區(qū)域內(nèi)液滴相界面積;SD,D,Fl為彌散流區(qū)域內(nèi)液滴相界面閃蒸源項(xiàng)。

(17)

(18)

式中:Mb為模化系數(shù),與液體溫度、液體飽和溫度、液體臨界溫度、流型參數(shù)等相關(guān);pS,D為液滴飽和壓力;re,Fl為液滴閃蒸平衡態(tài)半徑;pD,G為液滴相應(yīng)的蒸汽分壓;σD為液滴表面張力;τD,D,Fl為彌散流區(qū)域內(nèi)液滴閃蒸時(shí)間常數(shù);rD,D為彌散流區(qū)域內(nèi)液滴半徑;evap,D為液滴汽化比內(nèi)能;econ,D為液滴相應(yīng)蒸汽凝結(jié)比內(nèi)能;υvap,D、υcon,D分別為汽化、凝結(jié)比體積;λD為液滴熱導(dǎo)率;TD為液滴溫度;TS,D為液滴飽和溫度。

1.2.3相間拽曳力模型 相間拽曳力首先根據(jù)不同流型條件、不同接觸方式進(jìn)行計(jì)算,然后通過加權(quán)平均獲得液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物3種流體之間相間拽曳力模型。根據(jù)不同的流型條件,接觸方式包含連續(xù)液體包裹液滴、連續(xù)液體包裹蒸汽泡、連續(xù)蒸汽包裹液滴、液滴-液滴。據(jù)此可分為連續(xù)相-彌散相、彌散相-彌散相兩種類別,這里以徑向拽曳力為例進(jìn)行說明。

對(duì)于連續(xù)相-彌散相接觸類別:

FCD,R=KCD,R(uC-uD)=

(19)

式中:FCD,R為連續(xù)相對(duì)彌散相施加的徑向拽曳力;KCD,R為其相應(yīng)的拽曳力系數(shù);uC、uD分別為連續(xù)相、彌散相徑向速度分量;aCD為其交界面積;μC為連續(xù)相動(dòng)力黏度;rD為彌散相半徑;CD為系數(shù),可調(diào);ρC為連續(xù)相理論密度。

該模型考慮了黏性力效應(yīng)和慣性力效應(yīng),其中,系數(shù)CD參考Ishii等[18]發(fā)展的相關(guān)模型。

對(duì)于彌散相-彌散相接觸類別:

FD1D2,R=KD1D2,R(uD1-uD2)=

(20)

彌散項(xiàng)-彌散項(xiàng)接觸下,忽略了其黏性效應(yīng)。軸向拽曳力系數(shù)模型與徑向相似,本文限于篇幅不再贅述。

1.2.4虛擬質(zhì)量力模型 在兩相流或多相流中,當(dāng)彌散相(如氣泡或液滴)相對(duì)連續(xù)相加速時(shí),將產(chǎn)生虛擬質(zhì)量效應(yīng),動(dòng)量方程中的虛擬質(zhì)量力便是為了描述該效應(yīng)。而且在鉛鉍堆SGTR事故下,水將射流進(jìn)入鉛鉍環(huán)境,并與鉛鉍接觸,引發(fā)劇烈傳熱、傳質(zhì),同時(shí)鉛鉍與水蒸氣密度相差甚大,難免會(huì)產(chǎn)生虛擬質(zhì)量效應(yīng),因此本文考慮了虛擬質(zhì)量力模型。本文所使用的虛擬質(zhì)量力模擬參考了Fullmer等[19]開發(fā)的相關(guān)模型,并針對(duì)鉛鉍-水相互作用進(jìn)行一定修正。

液態(tài)鉛鉍所受拽曳力模型為:

FVM,LBE=CVMαLρLαLBE,EαG·

(21)

式中:FVM,LBE為液態(tài)鉛鉍所受虛擬質(zhì)量力矢量;CVM為相應(yīng)系數(shù);αL、αG分別為液體混合物、蒸汽混合物體積份額;ρL為液體混合物理論密度;αLBE,E、αH2O,E分別為液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水在整個(gè)液體混合物中的相對(duì)體積份額;VG、VLBE、VH2O分別為蒸汽混合物、液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水的速度矢量。

液態(tài)水所受拽曳力模型為:

FVM,H2O=CVMαLρLαH2O,EαG·

(22)

式中,FVM,H2O為液態(tài)水所受虛擬質(zhì)量力矢量。

蒸汽混合物所受拽曳力模型為:

FVM,G=-CVMαLρLαG·

(23)

式中,FVM,G為蒸汽混合物所受虛擬質(zhì)量力矢量。

上述虛擬質(zhì)量力模型為矢量形式。另外由于Fullmer等提出的虛擬質(zhì)量力模型針對(duì)的是氣-水兩相流,也是RELAP5/MOD3.3所使用的模型,而鉛鉍-水相互作用涉及多相流,針對(duì)該問題,本文對(duì)此模型進(jìn)行了修正。首先上述模型中αL=αLBE+αH2O表示液相體積份額,考慮了液態(tài)鉛鉍和液態(tài)水兩種液體,液相理論密度ρL按式(24)計(jì)算,且使用αLBE,E、αH2O,E進(jìn)行了權(quán)重修正;其次對(duì)于液相加速度,由于鉛鉍-水相互作用條件下包含兩種液體,在上述虛擬質(zhì)量力模型中利用αLBE,E、αH2O,E進(jìn)行了加權(quán)平均修正。

(24)

1.2.5交界面相變傳熱模型 鉛鉍-水相互作用將引發(fā)劇烈的傳熱、傳質(zhì),因此本文考慮了交界面相變模型,即質(zhì)量守恒方程中的ΓC,H2O、ΓV,H2O等,由交界面?zhèn)鳠岽_定,下面以液態(tài)水汽化為例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1) 確定交界面類型

2) 計(jì)算交界面凈傳熱速率,判斷相變類型

液態(tài)水-水蒸氣交界面的凈傳熱速率為:

(25)

3) 計(jì)算相變速率

如若交界面發(fā)生了汽化現(xiàn)象,則:

(26)

1.2.6狀態(tài)方程模型 狀態(tài)方程(EOS)模型是封閉守恒方程的必要條件,同時(shí)對(duì)非平衡傳熱、傳質(zhì)迭代計(jì)算,壓力迭代計(jì)算非常重要。鉛鉍-水相互作用涉及物質(zhì)組分包括:液態(tài)鉛鉍、鉛鉍蒸氣、液態(tài)水、水蒸氣及不可凝結(jié)性氣體,因此需要考慮以上5種物質(zhì)組分的狀態(tài)方程模型。

1) 蒸汽組分EOS模型

蒸汽組分包括鉛鉍蒸氣、水蒸氣,其狀態(tài)方程參考Modified Redlich-Kwong(MRK)模型,如對(duì)于水蒸氣而言,其基本形式如下:

(27)

(28)

式中:pG,H2O為水蒸氣分壓;RG,H2O為水蒸氣氣體常數(shù);υG,H2O為水蒸氣比體積;bG,h2o,1、bG,h2o,2、bG,h2o,3、bG,h2o,4分別為相應(yīng)擬合系數(shù);TH2O,CRT為水臨界溫度。

2) 不可凝結(jié)性氣體

不可凝結(jié)性氣體采用理想氣體EOS方程模型。

3) 液體組分

液體組分包含液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水兩種,并考慮它們?yōu)榭蓧嚎s流體,這里以水為例進(jìn)行說明。液體組分溫度按式(29)計(jì)算,式中TS,H2O為液體飽和溫度,TS,H2O、?TH2O/?p均是液體比內(nèi)能的單值函數(shù),由擬合關(guān)系式計(jì)算。液體組分比體積υH2O按式(30)計(jì)算,式中υS,H2O為液體飽和比體積,υS,H2O、?υH2O/?p也是液體比內(nèi)能的單值函數(shù)。

(29)

(30)

1.3 數(shù)值算法

描述鉛鉍堆SGTR事故下池內(nèi)鉛鉍-水相互作用行為的模型復(fù)雜、行為演化急劇。如守恒方程中存在急劇的傳熱、傳質(zhì)行為,相界面演化行為,液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物3種速度場(chǎng)之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)聯(lián)性,速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)也存在緊密耦合關(guān)聯(lián)性。因此,通過直接求解方案求解上述偏微分守恒方程十分困難,尤其是收斂性難以確保。考慮到上述問題,本文采用了時(shí)間步分割四步算法進(jìn)行求解:1) 網(wǎng)格內(nèi)源項(xiàng)計(jì)算;2) 網(wǎng)格間對(duì)流計(jì)算;3) 壓力迭代;4) 時(shí)間步末更新。

1) 網(wǎng)格內(nèi)源項(xiàng)計(jì)算

隱式聯(lián)立求解質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程,僅考慮傳熱、傳質(zhì)源項(xiàng)。第1步的核心是基于EOS的非平衡態(tài)傳熱、傳質(zhì)迭代計(jì)算,迭代收斂后,更新全部密度和比內(nèi)能。然后顯式求解動(dòng)量守恒方程,更新全部速度。

2) 網(wǎng)格間對(duì)流計(jì)算

先后分別顯式求解質(zhì)量、能量守恒方程,僅考慮對(duì)流項(xiàng),第2次更新全部密度和比內(nèi)能。然后,半隱式迭代求解動(dòng)量守恒方程,考慮對(duì)流、壓力、拽曳力及虛擬質(zhì)量力項(xiàng)。其中,壓力、對(duì)流項(xiàng)采用顯式格式,拽曳力、虛擬質(zhì)量力項(xiàng)采用隱式格式,迭代收斂后第2次更新全部速度,并獲得速度對(duì)壓力的偏導(dǎo)數(shù)。

3) 壓力迭代

確定殘差方程,共考慮5個(gè):壓力殘差(EOS壓力和網(wǎng)格壓力之差)δp;液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物質(zhì)量方程殘差,即δm,LBE、δm,H2O、δm,G,僅考慮對(duì)流效應(yīng),采用半隱格式;蒸汽混合物能量方程殘差δe,G,其中比內(nèi)能對(duì)流采用顯式格式,空泡份額對(duì)流項(xiàng)采用半隱格式。將上述殘差方程對(duì)網(wǎng)格壓力,液態(tài)鉛鉍、液態(tài)水、蒸汽混合物的宏觀密度,蒸汽混合物溫度,以及4個(gè)臨近網(wǎng)格壓力分別進(jìn)行泰勒展開,即可獲得壓力迭代方程,并直接求解。最后結(jié)合EOS模型,開展循環(huán)迭代計(jì)算,直至上述5種殘差收斂,即可更新壓力、全部密度、蒸汽混合物溫度及全部速度。

4) 時(shí)間步末更新

重復(fù)第2步,只是網(wǎng)格壓力采用壓力迭代最終值,對(duì)流項(xiàng)采用半隱格式,具體求解算法與第2步類似。第4步將更新全部變量,即獲得時(shí)間步數(shù)值。

2 程序驗(yàn)證

2.1 日本JAEA水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所開發(fā)的程序模擬鉛鉍-水相互作用行為能力,首先選取了日本JAEA開展的水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,圖2為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[5]。實(shí)驗(yàn)條件為:鉛鉍溫度為778 K,壓力為105Pa,水注射速度為4.7 m/s,注射水溫度為298 K,注射孔口半徑為3 mm,注射持續(xù)時(shí)間為500 ms。利用所開發(fā)程序?qū)?shí)驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示。由圖3可看出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。

圖2 水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus of water injection into LBE

2.2 意大利ENEA水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)

日本JAEA水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)主要聚焦于機(jī)理層面,而意大利ENEA為從鉛鉍堆SGTR事故工況角度研究鉛鉍-水相互作用行為,同時(shí)為驗(yàn)證SIMMER-Ⅲ程序,先后搭建了LIFUS5、LIFUS5/MOD2實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。本文選取其中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)用于程序驗(yàn)證:1) 基于LIFUS5實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)[11];2) 基于LIFUS5/MOD2實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)[12]。

1) 基于LIFUS5實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)

LIFUS5實(shí)驗(yàn)臺(tái)架[11]含反應(yīng)容器、膨脹容器、水池、排放池及液態(tài)金屬儲(chǔ)存池等。本文選取的實(shí)驗(yàn)條件為:液態(tài)鉛鉍溫度為350 ℃,注射水壓力為6×105Pa、溫度為130 ℃,注射持續(xù)時(shí)間為10 s,反應(yīng)容器內(nèi)覆蓋氣體體積份額為5%。

本文建立了水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)的二維軸對(duì)稱數(shù)值仿真幾何模型,如圖4所示。通過模擬獲得了反應(yīng)容器內(nèi)液態(tài)鉛鉍、覆蓋氣體的壓力隨時(shí)間的演化過程,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。由圖5可見,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。另外還可發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)初期,反應(yīng)容器內(nèi)壓力震蕩比實(shí)驗(yàn)結(jié)果更劇烈,尤其是覆蓋氣體壓力。

圖4 LIFUS5實(shí)驗(yàn)臺(tái)架水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)數(shù)值仿真幾何模型Fig.4 Geometrical model of simulating water injection into LBE experiment based on LIFUS5

圖5 反應(yīng)容器內(nèi)壓力的演化過程Fig.5 Variation process of pressure in reaction vessel

2) 基于LIFUS5/MOD2實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)

2015年,意大利ENEA對(duì)原LIFUS5實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了升級(jí)、改造,形成LIFUS5/MOD2[12]。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架包含反應(yīng)容器、加壓水池、注射管線等。ENEA設(shè)置了4套實(shí)驗(yàn)方案,本文選取了第4套,實(shí)驗(yàn)條件為:鉛鉍溫度為400 ℃,注射水壓力為4 MPa、溫度為240 ℃,反應(yīng)容器內(nèi)覆蓋氣體(氬氣)體積份額約為23%,注射持續(xù)時(shí)間約為2.5 s,注射孔口直徑為4 mm。

本文建立了該水注鉛鉍實(shí)驗(yàn)的二維軸對(duì)稱數(shù)值模型,與圖4類似,通過模擬獲得了反應(yīng)容器和加壓水池內(nèi)壓力隨時(shí)間的演化,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。由圖6可看出,總體上無論是從定性角度,還是定量角度,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合較好。就局部對(duì)比而言,在1.0～4.0 s期間,對(duì)于反應(yīng)容器內(nèi)壓力,前后時(shí)間段內(nèi)本文數(shù)值模擬壓力均略高于實(shí)驗(yàn)值,中間時(shí)間段內(nèi)本文數(shù)值模擬壓力略低于實(shí)驗(yàn)值。

圖6 LIFUS5/MOD2實(shí)驗(yàn)臺(tái)架反應(yīng)容器和加壓水池內(nèi)壓力的演化Fig.6 Variation process of pressure in reaction vessel and pressurized water pool of LIFUS5/MOD2

3 結(jié)論

本文就鉛鉍堆SGTR事故行為的鉛鉍-水相互作用進(jìn)行理論、模型及算法研究,開發(fā)了一款三流體程序,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明本文開發(fā)的程序可較好模擬鉛鉍-水相互作用行為。本文的研究成果,包括關(guān)鍵模型、算法及程序模塊有望為我國(guó)鉛鉍堆SGTR數(shù)值模擬提供一定的方法學(xué)參考與指導(dǎo)。