馮 雨 梁洋洋

（中國核電工程有限公司，中國 北京 100840）

0 引言

安全殼是防止裂變產(chǎn)物向環(huán)境泄漏的最后一道屏障，在核電站發(fā)生嚴(yán)重事故后，燃料包殼中的鋯合金與高溫高壓的冷卻劑反應(yīng)， 下封頭失效后的堆芯融熔物與安全殼底板混凝土相互作用（MCCI）等會(huì)產(chǎn)生大量氫氣[1-2]。 當(dāng)氫氣在安全殼內(nèi)不斷積聚并達(dá)到一定濃度時(shí)，存在燃燒或燃爆的風(fēng)險(xiǎn)，對安全殼的完整性造成嚴(yán)重威脅[3]。因此，需要研發(fā)一套以殼內(nèi)抽氣取樣，殼外測量的方式對嚴(yán)重事故后安全殼內(nèi)氫氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的系統(tǒng)，為噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)機(jī)提供參考。

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可用性和測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要設(shè)計(jì)能夠提供嚴(yán)重事故后安全殼內(nèi)氣體氛圍的測試裝置，本文通過Fluent 建立了模型，對測試裝置在運(yùn)行過程中的不同的水蒸氣產(chǎn)生流量對壓力容器內(nèi)氣體分布影響進(jìn)行了數(shù)值研究，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了定性分析，該計(jì)算結(jié)果可以為測試裝置的取樣探頭布置位置提供參考，也可以作為該系統(tǒng)未來實(shí)驗(yàn)測試研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 測試裝置及組成

測試裝置由壓力容器、標(biāo)氣注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、相關(guān)測量儀表及閥門組成，如圖1 所示。壓力容器是測試裝置的核心設(shè)備， 壓力容器的材質(zhì)為不銹鋼，外部包著厚度為100 mm， 材質(zhì)為硅酸鋁的保溫棉[4]。實(shí)驗(yàn)測試研究步驟：第一步，通過抽真空系統(tǒng)對壓力容器內(nèi)氣體進(jìn)行抽真空；第二步，通過標(biāo)氣注入系統(tǒng)向壓力容器內(nèi)注入不同氫氣濃度的氫氣-氮?dú)鈽?biāo)氣；第三步， 加熱壓力容器底部去離子水產(chǎn)生水蒸氣；第四步，打開取樣閥門，氣體由取樣探頭取出，通過取樣管線進(jìn)入氫氣測量系統(tǒng)進(jìn)行氫氣濃度測量，測量完成后的氣體被送回壓力容器內(nèi)，完成閉式循環(huán)測量。 氣體在壓力容器內(nèi)流動(dòng)過程中涉及的熱量傳遞機(jī)制主要為熱對流。不同水蒸氣的產(chǎn)生流量可能會(huì)對壓力容器內(nèi)氣體分布產(chǎn)生影響。

圖1 測試裝置示意圖

2 數(shù)值研究模型及參數(shù)輸入

2.1 物理模型

由于測試裝置中壓力容器的三維模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，為了提高計(jì)算速度，本文將壓力容器簡化為二維模型如圖2 所示。 壓力容器的材質(zhì)為304 不銹鋼，其底部長度為1 m，直段部分高度為0.775 m，上封頭為半橢圓，其短半軸和長半軸長度分別為0.275 m 和0.5 m，寬度為1 m，其面積為0.991 m2。 壓力容器底部為水蒸氣注入口，其長度為1 m。 通過向壓力容器內(nèi)注入不同流量的水蒸氣，以模擬壓力容器底部不同水蒸氣的產(chǎn)生流量。

圖2 壓力容器二維物理模型

2.2 計(jì)算模型

氣體在壓力容器內(nèi)流動(dòng)和換熱過程中， 滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，方程如下[5]：

對于微元體以溫度T 為變量的能量守恒方程為：

式中，ρ 為密度，kg/m3；Cp為定壓比容，J/（kg·K）；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；αV為體積膨脹系數(shù)，K-1、μ、ν、w 分別為X、Y、Z 方向上的速度，m/s；ST為黏性耗散項(xiàng)。

2.3 數(shù)值模擬方案制定與實(shí)施

本文通過數(shù)值模擬的方法研究了不同水蒸氣的注入流量對壓力容器內(nèi)氣體分布的影響。 通過Fluent建立了模型，采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約為40 000個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.74[6]。

入口采用質(zhì)量流量入口邊界，注入的水蒸氣溫度為恒定的373.15 K，流量分別為0.1 kg/s、1 kg/s、5 kg/s和10 kg/s，注入總量均為2.5 kg，入口以外的其余壁面均為絕熱壁面。

壓力容器內(nèi)初始?xì)怏w為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚猓跏級(jí)毫?01 325 Pa、初始溫度為373.15 K，氫氣濃度為20%，將氫氣、氮?dú)夂退魵庠O(shè)置為可壓縮的實(shí)際氣體。

以上數(shù)值模擬方案和工況如表1 所示。

表1 數(shù)值模擬方案和工況表

3 計(jì)算結(jié)果與分析

本文將對壓力容器內(nèi)氣體狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行定性分析。

3.1 計(jì)算數(shù)據(jù)圖

圖3、圖4 和圖5 分別為不同工況壓力容器內(nèi)中心軸線不同高度的氫氣濃度、氮?dú)鉂舛群退魵鉂舛取?從圖3、圖4 和圖5 分別可以看出，工況0.1W-20H、1W-20H、5W-20H、10-20H 在高度為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m 和1 m 的位置，氫氣濃度分別為4.57%、4.59%、4.59%和4.59%， 氮?dú)鉂舛确謩e為18.31%、18.40%、18.40%和18.40%， 水蒸氣濃度分別為77.12%、77.01%、77.01%和77.01%。不同工況下壓力容器內(nèi)中心軸線不同高度的氫氣濃度、氮?dú)鉂舛群退魵鉂舛染嗤瑲錃?、氮?dú)夂退魵夥植季鶆?，水蒸氣注入流量對壓力容器?nèi)中心軸線的氫氣、氮?dú)夂退魵夥植季鶡o影響。

圖3 不同工況壓力容器內(nèi)中心軸線不同高度的氫氣濃度

圖6、 圖7、 圖8 和圖9 分別為工況0.1W-20H、1W-20H、5W-20H、10-20H 壓力容器內(nèi)高度為0.6m不同軸距的氣體濃度。 從圖6、圖7、圖8 和圖9 分別可以看出，在高度為0.6m 的位置，工況0.1W-20H 的氫氣濃度、 氮?dú)鉂舛群退魵鉂舛确謩e為4.57%、18.31%、77.12%，工況1W-20H 的氫氣濃度、氮?dú)鉂舛群退魵鉂舛确謩e為4.59%、18.39%、77.00%，工況5W-20H 的氫氣濃度、氮?dú)鉂舛群退魵鉂舛确謩e為4.59%、18.39%、77.01%，工況10W-20H 的氫氣濃度、氮?dú)鉂舛群退魵鉂舛确謩e為4.59%、18.4%、77.01%。

圖4 不同工況壓力容器內(nèi)中心軸線不同高度的氮?dú)鉂舛?/p>

圖5 不同工況壓力容器內(nèi)中心軸線不同高度的水蒸氣濃度

工況0.1W-20H、1W-20H、5W-20H、10-20H 壓力容器內(nèi)高度為0.6 m 不同軸距的氫氣、氮?dú)夂退魵夥植季鶆颍?水蒸氣注入流量對壓力容器內(nèi)高度為0.6 m 不同軸距的氫氣、氮?dú)夂退魵夥植紵o影響，可以認(rèn)為水蒸氣注入流量對壓力容器內(nèi)同一高度不同軸距的氫氣、氮?dú)夂退魵夥植季鶡o影響。

3.2 計(jì)算云圖

結(jié)合3.1 的結(jié)論，本文選擇工況5W-20H 壓力容器內(nèi)氫氣、氮?dú)夂退魵夥植荚茍D進(jìn)行展示和說明。圖10、圖11 和圖12 分別為工況5W-20H 壓力容器內(nèi)氫氣、氮?dú)夂退魵夥植荚茍D。 從圖10、圖11 和圖12 可以看出，工況5W-20H 壓力容器內(nèi)氫氣、氮?dú)夂退魵飧髯缘淖罡邼舛扰c最低濃度大致相同，三種氣體都分布均勻，水蒸氣注入流量對壓力容器內(nèi)氣體分布無影響。

圖6 工況0.1W-20H 壓力容器內(nèi)高度為0.6m 不同軸距的氣體濃度

圖7 工況1W-20H 壓力容器內(nèi)高度為0.6m 不同軸距的氣體濃度

圖8 工況5W-20H 壓力容器內(nèi)高度為0.6m 不同軸距的氣體濃度

圖9 工況10W-20H 壓力容器內(nèi)高度為0.6m 不同軸距的氣體濃度

圖10 工況5W-20H 壓力容器內(nèi)氫氣分布云圖

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法對水蒸氣注入流量對壓力容器內(nèi)氣體分布影響進(jìn)行了研究，定性結(jié)論如下（結(jié)果還需要通過實(shí)驗(yàn)測試進(jìn)行驗(yàn)證）：

（1）以不同流量向壓力容器內(nèi)注入水蒸氣，達(dá)到穩(wěn)定后，壓力容器內(nèi)中心軸線不同高度的氫氣濃度、氮?dú)鉂舛群退魵鉂舛认嗤?，水蒸氣流量對壓力容器?nèi)中心軸線不同高度的氫氣、氮?dú)夂退魵夥植紵o影響；

（2）以不同流量向壓力容器內(nèi)注入水蒸氣，達(dá)到穩(wěn)定后，壓力容器內(nèi)不同高度水平面上的氫氣濃度、氮?dú)鉂舛群退魵鉂舛认嗤?，水蒸氣注入流量對壓力容器?nèi)同一高度不同軸距的氫氣、氮?dú)夂退魵夥植紵o影響；

（3）綜合以上兩條定性結(jié)論，水蒸氣注入流量對壓力容器內(nèi)氣體分布無影響，對測試裝置的取樣探頭布置位置無具體要求。

4.2 展望

未來實(shí)驗(yàn)測試選取的壓力容器內(nèi)氫氣濃度范圍為0～20%，由于壓力容器內(nèi)氫氣濃度越高，氣體分布越可能出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，因此本文通過數(shù)值模擬的方法重點(diǎn)研究了以不同流量向壓力容器內(nèi)氫氣濃度為20%的氣體注入水蒸氣。 基于本文的數(shù)值研究結(jié)果，未來仍需要進(jìn)一步通過數(shù)值模擬的方法對以相同流量向壓力容器內(nèi)不同氫氣濃度（如5%、10%和15%）的氣體注入水蒸氣進(jìn)行研究，研究水蒸氣注入流量對壓力容器內(nèi)氣體分布的影響。

圖11 工況5W-20H 壓力容器內(nèi)氮?dú)夥植荚茍D

圖12 工況5W-20H 壓力容器內(nèi)水蒸氣分布云圖