基于CFD模型的安全殼地坑過(guò)濾器上游分析工作

陳 俊

基于CFD模型的安全殼地坑過(guò)濾器上游分析工作

陳 俊

陳 俊

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

陳俊（1983-）男，工程師，目前從事核電站維修領(lǐng)域工作。

由于瑞典Barseback核電站的堆芯熔化事故，全球核電站都開(kāi)展了新型地坑過(guò)濾器的設(shè)計(jì)工作。碎片的傳遞分析是設(shè)計(jì)工作的一個(gè)重要部分。通過(guò)邏輯樹(shù)方法，碎片傳遞分為破裂傳遞、沖洗傳遞、水池傳遞和再循環(huán)傳遞四個(gè)階段。傳遞過(guò)程中，碎片需要滿(mǎn)足最小湍流動(dòng)能TKE和最小流速要求，保證碎片在流體中懸浮、翻滾、滑行和過(guò)臺(tái)階，最終傳輸?shù)降乜舆^(guò)濾器。利用CFD分析方法，對(duì)安全殼廠房進(jìn)行三維建模，對(duì)碎片傳遞過(guò)程中的湍流動(dòng)能TKE和流速進(jìn)行分析，得到傳遞到地坑過(guò)濾器的碎片的傳遞比。

地坑過(guò)濾器上游分析

1992年7月，瑞典Barseback沸水堆核電站發(fā)生一起地坑過(guò)濾器堵塞導(dǎo)致堆芯熔化事故，使人們意識(shí)到原地坑過(guò)濾器設(shè)計(jì)存在重大設(shè)計(jì)概念錯(cuò)誤，對(duì)地坑過(guò)濾器堵塞風(fēng)險(xiǎn)考慮不足，原有設(shè)計(jì)中假定地坑濾網(wǎng)堵塞率為50％是不保守的。地坑過(guò)濾器需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以保證地坑過(guò)濾器產(chǎn)生的壓降足夠小，不會(huì)使下游的安噴泵和安注泵產(chǎn)生氣蝕。

新型地坑過(guò)濾器的設(shè)計(jì)主要有兩部分：第一部分，對(duì)事故工況下到達(dá)地坑過(guò)濾器的碎片的類(lèi)型和數(shù)量進(jìn)行分析，即上游分析工作。第二部分，通過(guò)分析或試驗(yàn)確認(rèn)地坑過(guò)濾器產(chǎn)生的壓降。

基于NEI 04-07文件，地坑過(guò)濾器上游分析工作主要包括以下幾個(gè)部分。

碎片產(chǎn)生分析。首先對(duì)LOCA事故的分析，確認(rèn)破裂口。根據(jù)破裂口產(chǎn)生壓力和破裂口附近碎片成分的分析，可以分析得到破裂產(chǎn)生的影響區(qū)，最終得到碎片產(chǎn)生量。

碎片傳遞分析。根據(jù)對(duì)事故工況和碎片的尺寸、密度等特性的分析，獲得碎片的傳輸比，最終分析達(dá)到地坑過(guò)濾器的碎片的類(lèi)型和數(shù)量。

本文主要對(duì)碎片傳遞進(jìn)行深入分析。

碎片傳遞分析

碎片傳遞分析的主要內(nèi)容是分析事故發(fā)生后，碎片從保溫層上脫落，并從破口處在安全殼廠房?jī)?nèi)傳遞到地坑過(guò)濾器所在位置（- 3.5m）的過(guò)程。碎片傳遞分析有傳統(tǒng)分析法和CFD分析法。

CFD分析法利用計(jì)算機(jī)流體計(jì)算（Computer Fluid Dynamics），對(duì)安全殼廠房、設(shè)備和管道進(jìn)行建模，并通過(guò)對(duì)安全噴淋和再循環(huán)過(guò)程的模擬，得出碎片在安全內(nèi)傳遞的過(guò)程，并計(jì)算出碎片在傳遞中的損耗和最終到達(dá)地坑過(guò)濾器的碎片量。CFD分析法相對(duì)于傳統(tǒng)分析法，對(duì)碎片進(jìn)行更細(xì)致的分類(lèi)，CFD分析將碎片分為細(xì)小碎片、小碎片、大碎片和整體碎片四類(lèi)，而傳統(tǒng)分析將碎片分為小碎片和大碎片兩類(lèi)。同時(shí)，CFD分析對(duì)安全殼廠房進(jìn)行三維建模，對(duì)流體的傳輸以及碎片在流體中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬分析，碎片傳遞過(guò)程更加細(xì)化。因此，CFD分析法較傳統(tǒng)分析法更好，能獲得更好的分析結(jié)果。

CFD分析依據(jù)美國(guó)核工程協(xié)會(huì)指導(dǎo)文件NEI04-07，美國(guó)核管會(huì)安全評(píng)價(jià)文件SER附件III，IV，VI卷。根據(jù)每種產(chǎn)生的碎片的具體特性，建立邏輯樹(shù)的方法來(lái)描述碎片從產(chǎn)生到傳遞到地坑過(guò)濾器的傳遞過(guò)程。利用邏輯樹(shù)方法，將碎片傳遞分解為四個(gè)階段，對(duì)每個(gè)特定階段進(jìn)行分析。該方法將一個(gè)復(fù)雜過(guò)程簡(jiǎn)化為四個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程。以細(xì)小碎片為例，傳遞過(guò)程的邏輯樹(shù)見(jiàn)表1。

表1 碎片傳遞分析邏輯樹(shù)方法

四個(gè)傳遞階段為：

破裂傳遞。管道破裂后，碎片從破口到安全殼所有位置的垂直方向和水平方向的傳遞。

發(fā)生管道破口事件后，管道破裂的高能量會(huì)使破口附近的保溫層和油漆破碎。保溫層和油漆在高能量的作用下，在破裂的瞬間在安全殼廠房下部四面八方均勻擴(kuò)散，然后在安全殼下部壓力升高后，向安全殼上部進(jìn)行擴(kuò)散。破裂傳遞過(guò)程中是傳遞到安全殼廠房的所有空間中的，因此破裂傳遞的傳遞比為安全殼廠房?jī)?nèi)的體積比。二代壓水堆核電站（M310）安全殼上部體積為35000m3，安全殼上部體積為16900m3，因此破裂傳遞過(guò)程中傳遞到安全殼上部的傳遞比為67％。

然而傳遞過(guò)程中，根據(jù)碎片的尺寸和密度，部分碎片在傳遞過(guò)程中無(wú)法懸浮或在傳遞過(guò)程中被格柵等構(gòu)筑物攔截。一般認(rèn)為，細(xì)小碎片很容易懸浮在空氣中并被傳遞，考慮為100％傳遞。破口區(qū)附近的小碎片和大碎片也很容易被傳遞，遠(yuǎn)離破口區(qū)的小碎片和大碎片不會(huì)傳遞。

沖洗傳遞。碎片隨安全噴淋水或沖洗水在垂直方向的傳遞。

根據(jù)破裂傳遞的分析，在安全殼上部的碎片均為細(xì)小碎片或小碎片。通過(guò)對(duì)噴淋水的路徑分析，可以得到碎片沖洗傳遞的傳遞比。在沖洗傳遞中，除去很少部分小碎片會(huì)被安全殼中的格柵攔截，其余所有碎片都會(huì)傳遞到安全殼下部。

換料水池傳遞。再循環(huán)過(guò)程中，碎片隨安全噴淋水或沖洗水從換料水池傳遞到別的位置。

根據(jù)破裂傳遞的分析，絕大多數(shù)碎片會(huì)被傳遞至安全殼上部或在蒸汽發(fā)生器房間內(nèi)，因此在換料水池傳遞中，傳遞到安全殼下部的碎片的數(shù)量可以忽略，同時(shí)沒(méi)有傳遞到地坑過(guò)濾器的碎片的數(shù)量是可以忽略的。

再循環(huán)傳遞。在再循環(huán)過(guò)程中，碎片從換料水池傳遞到地坑在水平方向的傳遞。

再循環(huán)傳遞的CFD計(jì)算

圖1 安全殼上部廠房CFD模型

再循環(huán)傳遞碎片傳遞系數(shù)是通過(guò)CFD建模計(jì)算得出的。首先，將安全殼廠房進(jìn)行三維建模，安全殼廠房CFD模型見(jiàn)圖1和圖2。

圖2 安全殼下部廠房CFD模型

然后，將CAD模型的STL文件加入到CFD模型中。CFD模型采用四方網(wǎng)格，X-Y方向的網(wǎng)格大小為11cm×11cm，Z方向的網(wǎng)格大小為9cm×9cm。整個(gè)模型共有2718000個(gè)網(wǎng)格。邊界條件中定義X，Y和Z方向的最小和最大值，安全殼廠房混凝土邊界即為流體的邊界，為X，Y方向的最小值和最大值，Z方向的最小值。Z方向的最大值（水位以上）為壓力為零的邊界值。定義再循環(huán)水池流入和流出，運(yùn)行CFD軟件（Flow 3D）進(jìn)行模擬計(jì)算直至到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)為平均動(dòng)能達(dá)到穩(wěn)定值，約為9.3cm2/s2。

在模擬分析過(guò)程中，碎片要能隨流體傳遞，必須滿(mǎn)足以下三項(xiàng)機(jī)械原理：

碎片在流體中保證懸浮；

沉沒(méi)的碎片在流體中能翻滾或滑行；

沉沒(méi)碎片在流體中能過(guò)臺(tái)階。

碎片要有足夠的湍流動(dòng)能TKE（Turbulent Kinetic Energy）來(lái)保證是在流體中懸浮的。湍流的強(qiáng)度即湍流動(dòng)能的大小反映速度的垂直分量的波動(dòng)，該波動(dòng)是確認(rèn)碎片是否能懸浮的要求。根據(jù)湍流動(dòng)能和沉降速度的定義，湍流動(dòng)能的計(jì)算如下：

下面以細(xì)小碎片為例，計(jì)算細(xì)小碎片能懸浮的最小湍流動(dòng)能TKE。細(xì)小碎片的尺寸較小，約為十幾微米，可以近似認(rèn)為是圓形的。小球在流體中在垂直方向受3個(gè)力，重力G，浮力B和阻力f。根據(jù)斯托克斯定理：

以細(xì)小碎片中的灰塵為例，密度為2.71×103kg/ m3，尺寸為為17.3微米。根據(jù)地坑現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度（48.9℃）和壓力（101kpa），水的密度為0.989×103kg/ m3，黏度5.573×104PaS。重力加速度為9.81m/s2，代入式6中，得到收尾速度

代入式3中，得到湍流動(dòng)能TKE。

因此，以灰塵為例，湍流動(dòng)能應(yīng)大于3.81×10-7m2/ s2，才能保證在流體中懸浮的。其余不同類(lèi)型的碎片也可以根據(jù)同樣的方法進(jìn)行計(jì)算。

碎片要有足夠的流速來(lái)保證碎片能隨流體在地面上翻滾、滑行和過(guò)臺(tái)階。碎片能翻滾、滑行和過(guò)臺(tái)階的最小流速是通過(guò)美國(guó)核管會(huì)試驗(yàn)驗(yàn)證的。其中，小碎片翻滾或滑行的最小流速為0.037m/s，過(guò)臺(tái)階的最小流速為0.085 m/s。大碎片翻滾或滑行的最小流速為0.113m/s，過(guò)臺(tái)階的最小流速為0.091 m/s。具體參見(jiàn)美國(guó)核管會(huì)文件NUREG/CR-6772表格3.2，NUREG/CR- 6808表格5-3和NUREG /CR-6916。

最終，CFD模擬分析的結(jié)果為再循環(huán)水池的三維模型，模型中包含湍流度和流速等參數(shù)。根據(jù)對(duì)水池流體流向，湍流動(dòng)能和流速的大小，碎片的初始位置，碎片傳遞參數(shù)（碎片傳遞的最小速度或湍流動(dòng)能）的分析，可以得到最終到達(dá)地坑過(guò)濾器的碎片的類(lèi)型和尺寸。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)CFD分析，對(duì)碎片傳遞可以得到以下結(jié)論。

在LBLOCA事故下，破裂傳遞過(guò)程中大部分的細(xì)小碎片會(huì)達(dá)到安全殼上部區(qū)域，部分小碎片和所有大碎片會(huì)被格柵或其余結(jié)構(gòu)攔截。大部分未到達(dá)安全殼上部區(qū)域的碎片在破裂傳遞的末期，存在于蒸汽發(fā)生器環(huán)路房間。

在噴淋水的作用下，沖洗傳遞過(guò)程中，在噴淋排水路徑上的大部分細(xì)小碎片會(huì)被沖洗到安全殼的下部區(qū)域。部分小碎片會(huì)被安全殼上部的格柵阻擋或攔截。在蒸汽發(fā)生器環(huán)路房間的碎片會(huì)被格柵攔截。

在地坑水池充水期間，傳遞到地坑過(guò)濾器或地坑的碎片的比例可以忽略。

再循環(huán)過(guò)程中，大多數(shù)細(xì)小碎片將被傳遞到地坑過(guò)濾器，一部分細(xì)小纖維碎片和涂層將在水池地面且不會(huì)被傳遞。

圖3 安全殼廠房-3.5m的速度分布

圖4 安全殼廠房-3.5m的TKE分布

CFD分析的結(jié)果，相對(duì)于傳統(tǒng)分析可以得到更精確的碎片傳遞比，對(duì)比情況見(jiàn)表2。從表2可以看出，CFD分析方法的傳遞比更小，結(jié)果更加準(zhǔn)確也滿(mǎn)足要求。因此最終通過(guò)CFD分析獲得的到達(dá)地坑過(guò)濾器的碎片數(shù)量更少，地坑過(guò)濾器的壓降計(jì)算結(jié)果也較小，地坑過(guò)濾器的硬件尺寸也減小，使得地坑過(guò)濾器的設(shè)計(jì)研究和硬件制造的費(fèi)用大大減小，有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。同時(shí)，利用CFD對(duì)碎片傳遞進(jìn)行了更細(xì)化的分析，結(jié)果也更加準(zhǔn)確可靠。

表2 CFD分析和傳統(tǒng)分析方法對(duì)傳遞比的對(duì)比

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.007