熔融金属液柱注入冷却剂过程中的表面失稳与碎化研究

摘要

在熔融物堆内滞留-应急堆腔注水（IVR-ERVC）措施失效时，堆芯熔融物会从压力容器破口处流出，注入堆坑内的冷却剂中。熔融堆芯液柱在冷却剂中的碎化可能会导致蒸汽爆炸的发生，带来放射性物质释放到环境中去的风险。因此，熔融液柱注入冷却剂过程中的碎化机理与现象的研究是 IVR-ERVC失效负面风险评价的重要组成内容。但是目前熔融金属液柱注入冷却剂过程界面失稳的微观机理分析缺乏研究工具，而宏观的碎化现象的模拟又因缺乏自主软件而分析范围受限，导致相应的事故评价受制于国外软件。
　　本研究基于JASMINE程序，开发了应用于熔融金属液柱自由表面跟踪研究的JASMINE-VOF程序。该程序的主要改进和扩展包括压力场与流场计算方法的修改，界面跟踪算法的增加，以及连续表面张力模型和Kelvin-Helmholtz不稳定性碎化模型的增加。经过一系列基本算例的验证表明，该程序可以用于多相流自由界面跟踪问题的计算。在完成开发与验证的基础上，本文应用JASMINE-VOF程序分析了熔融金属液柱注入冷却剂碎化过程的微观机理和宏观现象。最后，为了弥补目前JASMINE-VOF在工程问题计算方面的不足，本文应用国外软件 MC3D分析了几个典型的核电厂严重事故作为补充。
　　本文通过 JASMINE-VOF的计算得到了熔融金属液柱注入冷却剂过程中，金属液柱表面在不同的扰动下和不同的介质中失稳的发展过程；熔融金属从容器破口流出的界面运动图像，和碎化产物的体积份额分布。通过MC3D的计算得到了蒸汽爆炸粗混合过程的熔融物分布；核电厂直接安全壳加热事故的流场与压力场的变化；数值计算与粗混合实验结果的对比。
　　本研究得出结论：熔融金属液柱在注入冷却剂的过程中，在不同形式微小的扰动下，表面都会发生失稳现象，并且Kelvin-Helmholtz不稳定性碎化模型可以用于预测连续相熔融物的碎化速率。

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上海交通大学硕士学位论文答辩决议书

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

第二章 数值流动算法的适用性改进

2.1 控制方程与算法

2.2 体积份额归一化方法的改进

2.3 非线性压力场下动量方程的求解

2.4 上风法在压力修正方程中的应用

2.5 本章小结

第三章 界面模拟的算法与验证

3.1 界面模拟算法

3.2 算法的验证

3.3 本章小结

第四章 熔融金属液柱表面不稳定性研究

4.1 熔融金属表面不稳定性计算

4.2 Kelvin-Helmholtz不稳定性分析

4.3 本章小结

第五章 熔融金属液柱碎化现象的数值模拟

5.1 Kelvin-Helmholtz不稳定性碎化的模拟

5.2 核电厂蒸汽爆炸事故粗混合过程分析

5.3 核电厂直接安全壳加热现象分析

5.4 数值计算与实验结果的对比

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究结论

6.2 论文的创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文