压力容器下封头在堆芯熔融物加热作用下的烧蚀过程及热应力分析

摘要

在反应堆堆芯突然发生熔融坍塌后,堆芯熔融物沉积在反应堆压力容器(RPV)下封头壁面上,引起下封头产生严重的热烧蚀和较大热应力,严重威胁RPV下封头的结构安全性.本文以1000MW压水堆为例,通过数值模拟分析方法,研究堆芯熔融坍塌后RPV下封头的传热烧蚀和热应力情况.利用二维极坐标热模型分析RPV壁面与双层堆芯熔池和外部冷却水堆腔之间的传热,计算了下封头壁面瞬态二维温度场分布和烧蚀情况,并通过有限元分析程序计算壁面的应力应变情况.计算结果表明:堆芯熔融池的体积和高度随着堆芯熔融物在RPV下封头内沉积时间增加而增长.据统计结果显示,堆芯熔融池体积为22.9m3,高度为3.24m;其中氧化铀熔融物体积为8.9m3,堆芯、RPV壁面及下支撑板的金属熔融物体积为14m3;在铀氧化物熔融层与压力容器内壁和金属熔融层底部接触面都有一层冷凝壳.氧化铀熔池的上冷凝壳层厚度0.01m,侧冷凝壳层厚度随极角增大而变薄,氧化铀熔池顶部冷凝壳层最薄为0.01m,下封头底部冷凝壳层厚度最厚为0.12m.芯熔融坍塌后200s下封头壁面开始熔融,此后直至2500s壁面的最薄厚度直线下降,2500s时达到最小为0.04m,其后最薄厚度不再变化,但熔融区域进一步扩大.4000s和5000s时下封头壁面熔融区形状和温度分布基本相同,熔融区沿下封头内壁呈一片柳叶形状分布.下封头内表面的吸热热流大于外表面的散热热流,在两层熔池界面处内外表面热流密度达到最大,分别为750kW/m2和250kW/m2;在金属熔池部分内表面热流迅速下降并维持恒定为400kW/m2,外表面热流随极角增大持续下降.