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        安全殼內(nèi)氣體與氣溶膠輸運模型開發(fā)與分析

        2022-05-10 09:09:52萬永鑫
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年14期
        關(guān)鍵詞:隔室安全殼算例

        萬永鑫

        (中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

        1 概述

        核電廠嚴重事故下,間隙釋放階段一部分放射性氣溶膠隨破口噴放蒸汽進入安全殼內(nèi),壓力容器外釋放階段,大量重的熔融物碎片快速沉積在安全殼的熱構(gòu)件表面,噴放的氣溶膠隨著載氣涌入安全殼內(nèi)不同區(qū)域,伴隨著氣體逐漸分層或者劇烈攪混, 在安全殼大空間內(nèi)輸運與沉積,形成不均勻分布[1-2]。伴隨著三代核電的建設(shè),出現(xiàn)了雙層安全殼,安全殼增加了非能動特性,安全殼內(nèi)溫度場等熱工水力條件不均勻,對氣溶膠分布也有很大影響。在不同的事故工況下,蒸汽噴放有很大差異,導(dǎo)致氣溶膠的遷移有許多不同。安全殼內(nèi)氣溶膠分布決定了其泄漏到環(huán)境中的份額。

        所以,對安全殼內(nèi)大空間氣體與氣溶膠遷移行為進行分析,對于嚴重事故的預(yù)防、緩解和保持事故后長期穩(wěn)定狀態(tài)意義重大。本研究利用氣體與氣溶膠輸運機理模型,以及氣溶膠重力沉積模型,分析了氣體與氣溶膠輸運過程特性,為嚴重事故下機理模型與相關(guān)程序開發(fā)與應(yīng)用提供了參考。

        2 分析模型

        假設(shè)控制體內(nèi)僅有氣體,體積大小即為氣空間大小。假設(shè)氮氣、氧氣為理想氣體,水蒸氣為非理想氣體??刂企w標(biāo)高表征控制體中心高度??刂企w內(nèi)的壁面,頂面與底面采用熱構(gòu)件定義。

        根據(jù)CONTAIN 程序中控制體熱工水力模型[3],隔室大氣質(zhì)量計算式如下:

        Ngas,處理為理想氣體的氣體數(shù)量;hk(Ti),理想氣體組分k 在溫度Ti的比晗;mv,冷卻劑蒸汽的質(zhì)量,hv(Ti,Pv),蒸汽在溫度為Ti,分壓為Pv時比晗;Pv,冷卻劑蒸汽分壓;Vi,氣空間自由體積;hj,進入或離開控制體i 氣體的比晗。假設(shè)氣溶膠不參與大氣空間能量交換。控制體壓力計算式如下:

        Nk,在自由體積中組分k 的摩爾數(shù)。

        假設(shè)控制體間流道連接在控制體的邊界上一點,物質(zhì)不在流道內(nèi)保留。輸運模型包含壓降、壁摩擦、形阻與臨界流效應(yīng)[3],壓降、壁摩擦、形阻通過不可逆流動損失系數(shù)Cfc量化。

        沿流道輸運計算公式如下:

        Winer,ij,流道ij 氣體質(zhì)量流率,ρu,流道密度,若i 為上游隔室,ρu=ρi,取上下游隔室平均。CFC,不可逆流動損失系數(shù)。

        氣溶膠在控制體間流動通常是粒徑依賴的。對于氣體流道,以無滑移,與氣體輸運成正比描述氣溶膠輸運通常是足夠的[3]。

        氣溶膠的時間依賴演化以2 步計算,首先計算單個隔室中氣溶膠成核,沉積,冷凝,忽略流動的效應(yīng),后依據(jù)下式計算控制體內(nèi)氣溶膠質(zhì)量隨流動的遷移量[3]:

        3 計算假設(shè)與結(jié)果分析

        3.1 初始假設(shè)

        建立2 個算例,其建模如圖1 所示,算例1 針對直管中氣溶膠輸運,假設(shè)2 個隔室體積都為10m3,流道0 長度為0.25m,截面為0.25m2,進入cell0 氣體噴放源質(zhì)量流量為0.01kg/s,無氣溶膠源,cell0 初始氣溶膠質(zhì)量濃度為3.1877kg/m3,持續(xù)時長200s。算例2 假設(shè)3 個控制體體積都為300m3,兩條流道完全一致,長度為4m,面積為1m2,進入cell0 氣體噴放源質(zhì)量流量在10s 時升為10kg/s,在30s-35s 逐漸下降至0,氣溶膠噴放源質(zhì)量流量在15s 時升為10kg/s,持續(xù)10s,在25s 降為0。流道不可逆流動損失系數(shù)取0.693[3]。

        圖1 算例1(左)與算例2(右)隔室?guī)缀谓?/p>

        3.2 氣體與氣溶膠遷移過程分析

        算例1 計算結(jié)果與解析解[4]對比如圖2 所示,除初始壓力場未穩(wěn)定,流道速度未穩(wěn)定建立產(chǎn)生波動誤差達62.5%外,其余模擬結(jié)果與解析解誤差為0-14.36%,結(jié)果表明模型正確性。

        圖2 程序計算結(jié)果與解析解對比

        圖3 流道0 與流道1 流速

        圖4 流道0 與流道1 質(zhì)量流量

        算例2 計算結(jié)果如圖3 所示,在噴放源開始噴放后,隔室0 與隔室1,2 逐漸建立起壓差,約為50Pa 左右。流道中氣體流速先波動上升,再緩慢下降。噴放源流率逐漸下降至0 過程中,流道0 與1 壓差減小,流速也緩慢下降至0。表明了氣體沿流道輸運的驅(qū)動力來自于噴放源。

        10s-30s 期間噴放源質(zhì)量流量為10kg/s,沿流道0,1流出的質(zhì)量流量之和在流量波動結(jié)束后,保持在15-8.7 kg/s 的區(qū)間內(nèi),流率之和約為8.7kg/s,表明輸運模型能計算瞬態(tài)氣體輸運過程,噴放源釋放的質(zhì)量流量將通過流道分配到各個隔室。

        氣體噴放過程中算例2 氣溶膠質(zhì)量濃度分布演化如圖5 所示,氣溶膠源位于控制體0,控制體0 中氣溶膠質(zhì)量濃度從0 快速提升,98.7%的氣溶膠質(zhì)量濃度達到2.03×10-2-1.2×10-1kg/m3水平??刂企w1 與2 中氣溶膠質(zhì)量濃度分布演化過程一致,是控制體1、2 幾何建模與連接流道建模一致導(dǎo)致的,98.7%的氣溶膠質(zhì)量濃度達到1.86×10-3-1.0×10-2kg/m3水平。

        圖5 隔室氣溶膠質(zhì)量濃度分布演化

        各控制體中氣溶膠重力沉積速度如圖6 所示,氣溶膠重力沉積速度隨粒徑增大而減小,隨蒸汽不斷涌入,氣體粘度減小而增大。計算的重力沉積速度與NURGE/CR-6189[5]中數(shù)據(jù)一致。0.1um-10um 粒徑區(qū)間內(nèi)重力沉降速度均小于1×10-2m/s,與氣體流速相比,相差了2 個數(shù)量級,驗證了嚴重事故場景下氣溶膠輸運正比于氣體輸運。

        圖6 隔室0 氣溶膠重力沉積速度

        計算了控制體1,2 氣溶膠沉積過程,在1000s 的沉積過程中,氣溶膠質(zhì)量濃度下降了42.46%,氣溶膠大顆粒沉降的較快,質(zhì)量濃度分布發(fā)生了“左移”。

        圖7 控制體1,2 沉積過程氣溶膠質(zhì)量濃度演化

        4 結(jié)論

        本研究基于氣體與氣溶膠輸運機理模型, 進行了控制體間氣體與氣溶膠輸運計算。分析了蒸汽噴放源導(dǎo)致的隔室間氣體輸運特征,并分析了氣溶膠沿流道輸運過程,氣溶膠在控制體內(nèi)與流道內(nèi)重力沉積特點,驗證了計算程序。主要結(jié)論如下:

        4.1 輸運的驅(qū)動力來自于噴放源,輸運模型能計算氣體與氣溶膠輸運瞬態(tài)過程,噴放源釋放的質(zhì)量流量通過流道分配到下游隔室內(nèi)。

        4.2 在較低的噴放流率下,氣溶膠重力沉降速度與氣體流速相比相差2 個數(shù)量級以上,驗證了氣溶膠輸運正比于氣體輸運。

        4.3 算例2 控制體1,2 在1000s 的沉積過程中,其氣溶膠質(zhì)量濃度下降了42.46%,氣溶膠大顆粒沉積較快,質(zhì)量濃度分布發(fā)生了“左移”。

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