事故下安全壳内氢气迁移及水蒸气冷凝模拟

摘要

安全壳作为核电站第三道安全屏障，维持其在事故下的完整性对于缓解事故的严重性具有重要作用。核电站堆芯损坏所产生的氢气在安全壳内聚集会引起局部氢气风险，采用合适的除氢措施可以降低安全壳内局部氢浓度；当管道发生破口时，高温冷却剂大量闪蒸形成的水蒸气会引起安全壳内压力和温度超过限值，非能动安全壳冷却系统的投入可以长时间降低安全壳内水蒸气浓度，降低安全壳内的压力及温度。本文选择Fluent软件首先对氢气的流动行为进行模拟，并分析可能影响其流动的因素，另外研究水蒸气壁面冷凝在缓解事故进程中所起的作用。
　　氢气流动模拟结果表明，事故下氢气从破口位置喷出后，沿蒸汽发生器隔间向上流动，呈“几”字形流过穹顶后向下流至对侧空间；在湍流的作用下，氢气在流动过程中主要在蒸汽发生器隔间及穹顶位置处形成漩涡；在主流区位置，前期氢气浓度受到湍流扩散的影响，氢气浓度在升高后会下降；在氢气浓度分层的过程中，不同高度方向上的浓度差所导致的横向扩散起到了主要作用，另外较高浓度的氢气容易滞留在顶部穹顶处，且高浓度区氢气湍流强度较大。
　　对影响氢气流动因素的研究表明，产氢速率会对穹顶及蒸汽发生器隔间处气体的湍流运动产生较大影响；另外对氢气在安全壳内的浓度分布也有一定影响：氢气流动过程中的湍流强度及浓度波动随氢气产生速率的加快而增强。破口处混合物中的水蒸气比例会影响安全壳内氢气流动及分布的状态，随着水蒸气组分浓度的提高，高浓度区氢气的范围减小，氢气在安全壳内分布更加均匀。
　　对壁面水蒸气冷凝的模拟结果发现安全壳壁面水蒸气冷凝所造成的组分浓度变化会受到安全壳内几何结构及重力等因素的影响：由于隔间附近空间结构对气体扩散作用的影响，空气在隔间附近壁面聚集，在这一位置附近，随冷凝的进行，空气浓度较高；另外由于水蒸气密度较低，在重力影响下，冷凝会导致安全壳较低位置处空气浓度升高。不同壁面导热能力下冷凝模拟结果表明壁面导热能力影响换热，提高壁面导热能力，可以有效对水蒸气进行冷却，提高冷凝效率。
　　对事故下氢气流动的模拟可以较好地掌握氢气在安全壳内的流动分布规律，为更合理的布置消氢装置的位置提供参考；对壁面冷凝的模拟检验了冷凝的效果并提出了提高冷凝效率的措施。

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目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文研究内容

第2章 安全壳几何建模及网格划分

2.1 安全壳非能动冷却系统

2.2 安全壳内流动区域建模

2.3 安全壳内部流动区域网格划分

2.4 本章小结

第3章 计算方法及数学模型

3.1 计算流体力学概述

3.2 守恒方程及数学模型

3.3 计算方法的选择

3.4 本章小结

第4章 氢气迁移研究

4.1 事故下安全壳空间内氢气的整体运动状况

4.2 氢气浓度分层现象

4.3 氢气迁移影响因素研究

4.4 本章小结

第5章 水蒸气壁面冷凝模拟

5.1 含不凝性气体的水蒸气壁面冷凝传热机理

5.2 水蒸气壁面冷凝实现手段

5.3 安全壳内水蒸气冷凝情况研究

5.4 壁面导热能力对水蒸气冷凝效果的影响研究

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢