超設計基準事故下堆芯再淹沒調研報告

楊寒

【摘 要】堆芯再淹沒是超設計基準事故下處理控制堆芯失效的重要手段。堆芯再淹沒過程中，主要考慮三個方面的物理化學現象——換熱、包殼的力學表現、鋯的氧化。

【關鍵詞】超設計基準；堆芯再淹沒；高溫

0 引言

超設計基準事故下堆芯再淹沒的傳熱機理

總體上，描述堆芯再淹沒淬冷的傳熱有兩個方面：（1）固體燃料棒內部的導熱以及（2）燃料棒和周圍兩相流的對流換熱問題。而第二個方面更為重要。

在堆芯再淹沒的過程中，燃料棒會經過不同的冷卻工況，其流動沸騰的流型和傳熱工況不同。雖然燃料棒的溫度很高，熱流密度大，但同樣可以發生泡核沸騰。由于產生的汽泡數量很大，進而在包殼外表面附近形成蒸汽片或蒸汽柱。當汽泡產生的頻率高到在汽泡脫離壁面之前就形成了蒸汽膜覆蓋在壁面上，使液體不能接觸壁面，出現反環狀流，相應的傳熱工況為模態沸騰。膜態沸騰之后，上部的燃料棒包殼會被夾雜著液滴的蒸汽流冷卻，最頂部的燃料棒則會被蒸汽冷卻。

燃料棒的指定位置則會隨時間先后經歷以下的傳熱工況：當再淹沒開始后，燃料棒包殼先會被上游沸騰產生的蒸汽所冷卻，該過程幾乎和再淹沒啟動同步，隨著時間的推移會被夾雜液滴的蒸汽流（滴狀流）冷卻，當淬冷發生時，會由反環狀膜態沸騰過渡為泡核沸騰，最后被逐漸冷卻到該壓力下的飽和溫度。

1 燃料棒包殼的物理化學表現

1000℃左右時，包殼開始受熱腫脹；200℃時由于力學性質的變化產生裂痕、穿孔，有明顯損傷；1200℃包殼材料開始氧化，產生氫氣和額外的熱量；1500℃左右開始會有B4C-Fe，Fe-Zr的共熔物產生；2000℃左右包殼材料Zr開始熔化；3000℃左右ZrO2和UO2開始熔化。

2 包殼材料的氧化及氫氣的產生

在1200℃開始會有明顯的Zr+2H2O=ZrO2+2H2的反應，消耗包殼材料，生成氫氣，并產生大量的熱量，使事故情況惡化。生成的氫氣量如果超過了安全范圍，可能會引起氫爆，造成更大的事故后果。在由空氣進入的情況下，會發生Zr+O2=ZrO2的反應，消耗單位質量的Zr會產生比Zr-H2O反應更大的熱量，使溫度上升速率增加。

3 國外超設計基準事故再淹沒實驗研究

3.1 CODEX實驗

CODEX實驗設施是1995年由KFKI原子能研究院建立的堆外實驗設施，用以調查研究堆芯退化的某些特定的影響因素，進而利用實驗數據來建立和改進數學模型。CODEX實驗包含了VVER和PWR的模型實驗。VVER和PWR的燃料棒分別為7個和9個，利用鎢進行電加熱模擬堆芯放熱，中心燃料棒不加熱用來進行相關測量。燃料棒加熱全長為600mm，包殼材料為Zr1%Nb（VVER）合金，以及Zircaloy（PWR）。環形UO2材料包裹著中心的鎢發熱元件。

CODEX的主要實驗有7個，分別具有不同的側重點和研究目的：

CODEX-1再淹沒總體性的實驗研究；

CODEX-2溫度的增加以及緩慢的冷卻過程，氣冷；

CODEX-3/11150℃啟動的底部水冷再淹沒；

CODEX-3/21500℃啟動的底部水冷再淹沒；

CODEX-AIT-1再淹沒啟動前空氣進入的再淹沒實驗；

CODEX-AIT-2再淹沒啟動前蒸汽和空氣進入的再淹沒實驗；

CODEX-B4C燃料棒的退化失效。

部分實驗結果：

實驗過程中，燃料棒的溫度隨著高度的增加而上升，再淹沒前溫度增加，再淹沒啟動后溫度下降。燃料棒頂部部分熔化，底部相對完整性更好

包殼峰值溫度低于1200℃的再淹沒過程中，基本沒有氫氣的生成，也沒有明顯的溫度增長。這于Zr-H2O反應的理論機理相吻合。

預氧化形成的表面ZrO對包殼有一定程度的保護作用，防止在高溫下強烈Zr-H2O反應的發生，產生大量的H2和釋放熱量。

再淹沒前有空氣進入的預氧化中，有明顯的溫度驟升，燃料棒有氧化嚴重，并有氮化物ZrN生成，燃料棒結構受影響嚴重，甚至可能熔化脫落。

控制棒碳化硼B4C熔點更低，是事故中最先熔化的部分，并且會產生CO，CO2，CH4等氣體。

3.2 PARAMETER-SF實驗

NPO“LUTCH”，Podolsk，Russia的PARAMETER實驗設施是用來研究VVER燃料裝配在模擬條件下的設計基準、超設計基準、以及嚴重事故中的表現。PARAMETER實驗燃料棒束由19個燃料棒模型構成。其中18個加熱的燃料棒長度3.12m，加熱長度為1275mm，不加熱的中心燃料棒2.92m。采用電加熱的方式模擬堆芯放熱，將直徑4mm的鎢加熱元件放在燃料棒的中心，并用內徑4.2mm的環狀UO2包圍。燃料包殼材料和VVER中相同，采用外直徑為9.13mm的Zr1%Nb合金，厚度為0.7mm。燃料棒中充滿氦氣，用來檢測包殼失效。模擬堆芯中還有其他用于測量溫度，壓力，流量等重要參數的設施。

PARAMETER的實驗步驟主要為4部，不同的實驗有局部差別：

1）加熱（準備）階段，把燃料棒穩步的加熱到預定的溫度，并使燃料棒溫度分布均勻；

2）預氧化階段，在Ar-蒸汽的混合氣流下，于指定溫度下進行包殼的預氧化；

3）瞬變加熱階段，加熱燃料棒到再淹沒前的預定溫度；

4）再淹沒階段，再淹沒開始，直到實驗終止。

PARAMETER實驗目前一共進行4次，分別為PARAMETER-SF1，SF2，SF3，SF4。各實驗的目的、實施過程手段以及實驗結果都有所不同。其中主要的時再淹沒手段的不同，SF1和SF3是頂部再淹沒實驗、SF2是底部和頂部結合再淹沒實驗、SF4是底部再淹沒實驗。此外，PARAMETER-SF4實驗中還研究了再淹沒前空氣泄入對堆芯現象的影響。

部分實驗結論：

由于再淹沒前有空氣進入，Zr-O2反應放出大量的熱量，使得中部甚至底部加熱位置的燃料棒的溫度也迅速增長到接近包殼峰值溫度，這于其他沒有空氣進入的再淹沒實驗不同。這是因為預氧化階段產生的ZrO2層不足以防止空氣進入時Zr-O2的進行，從而釋放出大量熱量，使溫度驟升。

頂部再淹沒過程需要的時間比底部再淹沒時間要短，但是驟冷前沿的變現會出現非線性的震蕩顯現，這可能是由于逆流現象（counter-current flooding limitation）造成的；

由于格柵的存在會使驟冷前沿的前進受到一定程度影響，現有的數據模擬暫時沒有具體的修正。

3.3 QUENCH實驗

QUENCH實驗是由德國卡爾斯魯厄研究中心進行的，以研究輕水堆裸露堆芯再淹沒過程中堆芯退化和氫氣產生情況為目的的試驗。試驗段包含21根試驗棒束。棒外徑為10.75mm，棒間距為14.3mm，其中20跟加熱，一根不加熱，加熱棒的長度為2480mm，不加熱的長度為2842mm。試驗中用鎢絲加熱器加熱，加熱器長1024mm，直徑為6mm。加熱棒包殼和定位格架材料都為鋯合金，環形芯塊為ZrO，而不是UO2。

QUENCH到目前進行了16組實驗，從QUENCH-01到QUEHCH-16，在研究堆芯損壞失效和氫氣產生的同時，又有不同的實驗條件和研究目的。其中，QUENCH-02和-03研究了在高溫條件（接近2500K）下的現象；

QUENCH-07和-09研究了B4C、不銹鋼和Zircaloy-5共融物導致熔點下降；

QUENCH-07、-08、-09在低再淹沒流量下進行；

QUENCH-09研究了蒸汽缺失；

QUENCH-10研究了空氣泄入；

QUENCH-16研究了空氣泄入導致氮化物的形成；

QUENCH-12、-14、-15利用先進堆芯材料（ACM）進行實驗，分別為E110，M5，Zirlo。

部分實驗結論：

利用不同的先進堆芯材料進行的實驗結果顯示，不同的材料對實驗結果沒有明顯的影響；

高溫、低再淹沒水質量流量、預氧化階段蒸汽缺失預氧化不足（ZrO2保護層不完整）都會使再淹沒階段生成更多的氫氣。

4 現階段超設計基準事故下堆芯再淹沒實驗存在的問題：

高溫條件下，測溫元件失效使得溫度測量精確度下降；

包殼結構變化不能通過有效手段實時的檢測，只能在實驗過程中抽取燃料棒觀察以及實驗結束后觀察；

包殼氧化厚度，特別是不同位置氧化程度不能有效的實時觀測，只能通過生成的氫氣質量來計算氧化厚度，計算結果只具有普片性，不具有特定性；

現階段數據模擬在大多數情況下與實驗結果吻合，但有細節方面需要更深入的研究和建模，比如控制格柵對兩相流流動的影響和逆流現象對頂部再淹沒的影響。

[責任編輯：王偉平]