高温熔融物与冷却剂相互作用现象实验研究

摘要

在核反应堆发生严重事故情况下，可能由于冷却剂丧失，导致堆芯衰变热不能及时导出，从而使得堆芯发生熔化。当熔融堆芯被再淹没时或是当熔融堆芯下落到有水残留的下封头内时，就可能使得压力容器内的堆芯熔融物与冷却剂相互作用(Fuel coolant interaction，FCI)事故，压力容器内产生的压力载荷可能对压力容器及一回路系统结构造成严重破坏。然而在理论基础方面对FCI过程的认识还远远不足，对于其中的许多关键物理机理仍不清楚，现在还不能准确给出压力容器外蒸汽爆炸对堆腔的破坏程度和安全裕量，各个程序的计算结果存在较大分歧和不确定性。为了蒸汽爆炸软件的自主化，进行大规模的高温熔体冷却作用和过程影响的实验研究显得十分迫切，同时利用国际上已有的蒸汽爆炸软件对关键参数进行数值计算分析也是非常有必要。
　　本文首先设计并搭建了中等规模的熔融物与冷却剂相互作用可视化实验台架，采用高速摄像仪对高温熔融物落入反应水箱与水相互作用过程获取可视化图像，并通过动态压力传感器测量熔融物与水相互作用过程中产生的压力。首先，对FCI粗混合阶段和爆炸阶段进行了对比工况的分析；其次，在保持其他实验初始条件不变的情况下，通过改变熔融金属温度以及金属材料，分析了上述因素对熔融物与水相互作用过程中的影响。最后，本文利用蒸汽爆炸程序对影响FCI过程的关键参数进行计算分析。
　　分析结果表明：有蒸汽爆炸现象的实验中熔融金属碎化更为充分，碎化后的颗粒更小，碎片散开的横向范围更大，粉状的颗粒弥散于整个反应水箱的底部；蒸汽爆炸过程有大量的压力脉冲的出现。对于金属锡来说，金属温度是影响蒸汽爆炸的一个重要因素，在低温工况中不容易发生蒸汽爆炸，而在高温工况中易发生蒸汽爆炸；熔融金属温度越高，金属液柱前端速度越大；随着金属熔融物温度越高，碎裂长度是逐渐增大，趋势与Saito模型和Meignen模型一致。具有更大密度的熔融物会形成更长连续液柱，碎化后的熔融物颗粒更小，拥有更大的传热表面积，熔融液滴的冷却速度会增加；具有高热导率的实验材料，其熔融物内部的热量更容易传导到熔融物表面，从而延缓了熔融物表层的凝结。

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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本文研究的内容及意义

第二章 实验装置以及实验方案的介绍

2.1 实验装置介绍

2.2 实验方案的设计

2.3实验台架的调试

2.4本章小节

第三章 FCI过程现象总结与分析

3.1 爆炸与未爆炸对比分析

3.2熔融金属温度对FCI过程的影响

3.3不同材料之间蒸汽爆炸现象的对比分析

3.4 本章小节

第四章 FCI过程关键参数的模拟计算

4.1不同水箱尺寸对蒸汽爆炸的影响研究

4.2不同的破口直径对蒸汽爆炸的影响研究

4.3热碎化质量的大小对蒸汽爆炸的影响

4.4 本章小节

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2创新点说明

5.3研究展望

参考文献

致谢

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