CN116070544B - 基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法、系统、电子设备及计算机可读存储介质，属于压水反应堆严重事故技术领域。本发明通充分考虑到在熔融物向下封头喷射的全过程中，熔融物与压力容器壁面之间材料的状态、物性和形态根据熔融喷射物初始状态和进程时间而发生的改变，综合分析堆芯熔融物向下封头喷射对压力容器完整性的影响，提高了对压力容器完整性判断的准确性，及时发现压力容器的损坏情况，避免对安全壳和环境造成重大影响。解决了现有技术中存在“无法准确获取熔融物对压力容器壁面的侵蚀速率，从而影响对压力容器完整性的判断”的问题。

Description

基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法及系统
技术领域
本申请涉及压水反应堆严重事故技术领域，特别是涉及基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本申请相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
严重事故下堆芯发生损毁，堆芯熔融物向下封头处发生迁移。此时压力容器下封头受到高温高压作用，可能会破坏压力容器完整性。一旦压力容器的完整性被破坏，将直接导致熔融物和放射性产物泄露至安全壳中，对安全壳甚至环境造成极大的威胁。
目前针对压力容器完整性的评估方法多基于热负荷失效准则或蠕变失效准则。前者重点分析堆芯熔融池结构状态，通过判断压力容器下封头处的热流密度是否超过临界热流密度实现评估；后者关注压力容器下封头在高温高压作用下经过一段时间积累后造成的蠕变损伤。
实际上，除了以上两种现象会造成压力容器失效外，当熔融物向下封头迁移时，它可能穿过下封头处的水以熔融物碎片的形式喷射至下封头底部，与压力容器内壁面接触产生强烈热冲击，令压力容器壁面材料发生熔化，壁面厚度减小，从而导致压力容器的完整性被破坏。因此，为提高压力容器完整性评估的全面性，基于堆芯熔融物喷射现象建立一套评估压力容器完整性的分析方法及系统是非常有必要的。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本申请提供了一种基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法、系统、电子设备和计算机可读存储介质，全面实时动态的对堆芯熔融物向下封头喷射的过程进行评估，综合分析堆芯熔融物向下封头喷射对压力容器完整性的影响，提升了压力容器完整性判断的准确性。
第一方面，本申请提供了一种基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法；
一种基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法，包括如下步骤：
S1、获取熔融物喷射参数、压力容器壁面温度和相关热物性参数，其中，熔融物喷射参数包括堆芯熔融物喷射温度、堆芯熔融物喷射直径和堆芯熔融物喷射速度，相关热物性参数包括熔融物和压力容器壁面材料的热物性；
S2、根据堆芯熔融物和压力容器下封头壁面之间的传热机理，构建传热方程，计算压力容器壁面厚度侵蚀速率；
S3、根据压力容器壁面厚度侵蚀速率和时间步长，更新压力容器壁面厚度；
S4、根据压力容器壁面厚度，判断压力容器的完整性；若压力容器的完整性被破坏，则结束分析；若压力容器的完整性未被破坏，则执行步骤S5；
S5、根据堆芯熔融物喷射温度和堆芯熔融物喷射速度，判断熔融物喷射过程是否结束；若结束，则结束分析；若未结束，则返回步骤S1推进至下一时间步长的分析。
进一步的，所述根据压力容器壁面厚度，判断压力容器的完整性的具体步骤包括：
根据下封头壁面处需承载的负荷应力，获取压力容器壁厚最小限值；
将压力容器壁厚最小限值与实时的压力容器壁面厚度比较，判断压力容器的完整性。
进一步的，根据典型堆芯熔化事故分析，获取堆芯熔融物首次掉落点位置、压力容器壁面温度、堆芯熔融物的关键特征参数以及堆芯熔融物和压力容器壁面的热物性参数，其中，堆芯熔融物的关键特征参数包括堆芯熔融物喷射直径和堆芯熔融物喷射温度；
根据堆芯熔融物首次掉落点位置、压力容器壁面温度、堆芯熔融物的关键特征参数以及堆芯熔融物和压力容器壁面的热物性参数，结合堆芯熔融物首次熔穿位置和压力容器内部结构特征，获取堆芯熔融物喷射速度。
进一步的，所述堆芯熔融物和压力容器下封头壁面之间的传热机理为堆芯熔融物与压力容器下封头壁面的硬壳层上表面之间发生对流传热，同时热量全部传递至压力容器壁面。
进一步的，所述硬壳层为堆芯熔融物与压力容器下封头壁面接触时，压力容器壁面熔化形成熔化金属层，堆芯熔融物凝固以在堆芯熔融物与熔化金属层之间形成的硬壳层。
进一步的，根据堆芯熔融物喷射温度或堆芯熔融物喷射速度，判断熔融物喷射过程是否结束的具体步骤为：
若堆芯熔融物喷射温度小于或等于熔融物熔点，则熔融物喷射过程结束；
若堆芯熔融物喷射速度为0，则熔融物喷射过程结束。
进一步的，熔融物喷射参数在熔融物首次向下迁移的过程中采集。
第二方面，本申请提供了一种基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析系统；
一种基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析系统，包括：
熔融物喷射参数获取模块，被配置为：获取熔融物喷射参数、压力容器壁面温度和相关热物性参数，其中，熔融物喷射参数包括堆芯熔融物喷射温度、堆芯熔融物喷射直径和堆芯熔融物喷射速度，相关热物性参数包括熔融物和压力容器壁面材料的热物性；
压力容器完整性分析模块，被配置为：根据堆芯熔融物和压力容器下封头壁面之间的传热机理，构建传热方程，计算压力容器壁面厚度侵蚀速率；根据压力容器壁面厚度侵蚀速率和时间步长，更新压力容器壁面厚度；根据压力容器壁面厚度，判断压力容器的完整性；若压力容器的完整性被破坏，则结束分析；若压力容器的完整性未被破坏，则执行下一步骤；
根据堆芯熔融物喷射温度或堆芯熔融物喷射速度，判断熔融物喷射过程是否结束；若结束，则结束分析；若未结束，重新获取熔融物喷射参数，进行下一时间步长的分析。
第三方面，本申请提供了一种电子设备；
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法的步骤。
第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质；
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法的步骤。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
1、本申请提供的技术方案，充分考虑到了在熔融物向下封头喷射的全过程中，熔融物与压力容器壁面之间材料的状态、物性和形态根据熔融喷射物初始状态和进程时间而发生的改变，使得对压力容器完整性的判断更加真实准确。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请实施例提供的基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的近压力容器壁面处的结构示意图；
其中，1、堆芯熔融物；2、熔化金属层；3、压力容器壁面；4、硬壳层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
现有技术中，多基于热负荷失效准则或蠕变失效准则对严重事故下压力容器完整性进行评估，未考虑到熔融物向下封头喷射时产生的热冲击对压力容器完整性造成的影响。因此，为提高压力容器完整性评估的全面性，本申请提供了一种基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法，该基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法包括如下步骤：
S1、获取熔融物喷射参数、压力容器壁面3温度和相关热物性参数等信息。其中，由于当压力容器的下封头处形成熔融物池后，将直接阻隔下落熔融物与压力容器内壁面的直接接触，因此仅在熔融物首次向下迁移的过程中考虑熔融物喷射对压力容器造成的影响，熔融物喷射参数在熔融物首次向下迁移的过程中采集；熔融物喷射参数包括堆芯熔融物1喷射温度、堆芯熔融物1喷射速度、堆芯熔融物1喷射直径；热物性参数包括堆芯熔融物1热物性(如熔点、热导率、粘度、密度、比热容等)和压力容器壁面3热物性(如密度、熔点、比热容、熔化潜热等)。
具体的，堆芯熔融物1喷射直径、堆芯熔融物1喷射温度、压力容器壁面3温度和相关热物性参数均可根据严重事故一体化分析程序或CFD分析程序通过典型堆芯熔化事故序列计算得到；堆芯熔融物1喷射速度通过分析对象结构特征得到，具体过程为：
首先，通过典型堆芯熔化事故序列分析结果，确定堆芯熔融物1首次掉落点位置。根据自由落体公式，通过堆芯熔融物1掉落至堆芯支撑板上表面的高度和堆芯支撑板厚度获得堆芯熔融物1穿透下支撑板孔洞的速度Uhole。
然后，忽略下腔室内水的影响，考虑堆芯熔融物1自堆芯支撑板下表面自由落体至堆芯下封头，获得堆芯熔融物1喷射速度为
其中，Uj为堆芯熔融物1喷射速度，hLH为堆芯支撑板下表面至堆芯下封头的高度，g为重力加速度。
S2、根据堆芯熔融物1和压力容器下封头壁面之间的传热机理，构建传热方程，计算压力容器壁面3厚度侵蚀速率。具体步骤包括：
S201、根据熔融物1与硬壳层4之间的对流传热机理，构建传热方程，具体为：
q＝hj(Tj-Tmp,j) (2)
式中，hj为对流换热系数，Tj为熔融物1喷射温度，Tmp,j为熔融物1熔点。
硬壳层4为堆芯熔融物1与压力容器下封头壁面接触时，压力容器壁面3熔化形成熔化金属层2，堆芯熔融物1凝固以在堆芯熔融物1与熔化金属层2之间形成的硬壳层4。
S202、根据努赛尔数关系式，计算对流换热系数hj：
其中，Nu为无量纲努赛尔数，kj为熔融物1热导率，Dj为熔融物1喷射直径。
熔融物与硬壳层4之间对流换热的努赛尔数与雷诺数和普朗特数有关，具体为：
Nu＝c1c2RemPrn (4)
其中，Re为雷诺数，与熔融物1密度、粘度、喷射速度和喷射直径等参数有关；Pr为普朗特数，与熔融物1比热容、粘度和导热率等参数有关。参数c1、c2、m、n可由实验得到。例如，当熔融物喷射为层流运动时，取m＝0.5，n＝0.35，c2＝0.55；当熔融物喷射为湍流运动时，取m＝1.0，n＝1.0，c1@c2＝0.0033。
S203、考虑熔融物1与压力容器壁面3之间的能量平衡，构建传热方程，具体为：
q＝Umρs[λs+cps(Tmp,s-Ts)] (5)
其中，Um为压力容器壁面3侵蚀速率，ρs为压力容器壁面3密度，λs为压力容器壁面3金属熔化潜热，cps为压力容器壁面3定压比热容，Tmp,s为压力容器壁面3熔点，Ts为压力容器壁面3温度。
S204、计算压力容器壁面3厚度侵蚀速率
本实施例中出于保守估计，仅给出了熔融物与压力容器壁面3之间的一维传热。当熔融物喷射直径与压力容器壁面3厚度相当时，可考虑熔融物与喷射区周围压力容器壁面3之间的径向传热，此情况将令壁面厚度侵蚀速率减小。
S3、根据压力容器壁面3厚度侵蚀速率和时间步长，更新压力容器壁面3厚度：
压力容器壁厚＝上一时间步长下的壁面厚度-压力容器壁面3厚度侵蚀速率*时间步长；
S4、判断压力容器壁厚是否满足静力学承载要求，评估压力容器的完整性。
具体如下：
根据反应堆结构和严重事故一体化分析程序或CFD分析程序的计算结果，获取反应堆下封头和堆芯熔融物1碎片质量，从而得到二者共同的重力；
然后计算下封头内冷却水的浮力，得到下封头壁面承载静负荷F；则需要支撑该负荷的最小面积为
式中，σ为压力容器壁面3材料的屈服强度。
结合下封头处压力容器外壁面周长，最终估算得到支撑静负荷所需的压力容器壁厚dmin。
若压力容器壁厚小于dmin，压力容器的完整性被破坏，则结束分析；反之，压力容器的完整性未被破坏，则执行步骤S5。
S5、根据堆芯熔融物1喷射温度和堆芯熔融物1喷射速度，判断熔融物喷射过程是否结束；具体的，若堆芯熔融物1喷射温度小于或等于熔融物熔点，则熔融物喷射过程结束；若堆芯熔融物1喷射速度为0，则熔融物喷射过程结束。
若结束，则结束分析；若未结束，则返回步骤S1推进至下一时间步长的分析。
实施例二
本实施例公开了一种基于堆芯熔融物1喷射的压力容器完整性分析系统，包括：
熔融物喷射参数获取模块，被配置为：获取熔融物喷射参数、压力容器壁面3温度和相关热物性参数，其中，熔融物喷射参数包括堆芯熔融物1喷射温度、堆芯熔融物1喷射直径和堆芯熔融物1喷射速度，相关热物性参数包括熔融物和压力容器壁面3材料的热物性；
压力容器完整性分析模块，被配置为：根据堆芯熔融物1和压力容器下封头壁面之间的传热机理，构建传热方程，计算压力容器壁面3厚度侵蚀速率；根据压力容器壁面3厚度侵蚀速率和时间步长，更新压力容器壁面3厚度；根据压力容器壁面3厚度，判断压力容器的完整性；若压力容器的完整性被破坏，则结束分析；若压力容器的完整性未被破坏，则执行下一步骤；
根据堆芯熔融物1喷射温度或堆芯熔融物1喷射速度，判断熔融物喷射过程是否结束；若结束，则结束分析；若未结束，重新获取熔融物喷射参数，进行下一时间步长的分析。
此处需要说明的是，上述熔融物喷射参数获取模块和压力容器完整性分析模块对应于实施例一中的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
实施例三
本发明实施例三提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，计算机指令被处理器运行时，完成上述基于堆芯熔融物1喷射的压力容器完整性分析方法的步骤。
实施例四
本发明实施例四提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述基于堆芯熔融物1喷射的压力容器完整性分析方法的步骤。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法，其特征是，包括如下步骤：
S1、获取熔融物喷射参数、压力容器壁面温度和相关热物性参数，其中，熔融物喷射参数包括堆芯熔融物喷射温度、堆芯熔融物喷射直径和堆芯熔融物喷射速度，相关热物性参数包括熔融物和压力容器壁面材料的热物性；
S2、根据堆芯熔融物和压力容器下封头壁面之间的传热机理，构建传热方程，计算压力容器壁面厚度侵蚀速率；
S3、根据压力容器壁面厚度侵蚀速率和时间步长，更新压力容器壁面厚度；
S4、根据压力容器壁面厚度，判断压力容器的完整性；若压力容器的完整性被破坏，则结束分析；若压力容器的完整性未被破坏，则执行步骤S5；
S5、根据堆芯熔融物喷射温度和堆芯熔融物喷射速度，判断熔融物喷射过程是否结束；若结束，则结束分析；若未结束，则返回步骤S1推进至下一时间步长的分析。
2.如权利要求1所述的基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法，其特征是，所述根据压力容器壁面厚度，判断压力容器的完整性的具体步骤包括：
根据下封头壁面处需承载的负荷应力，获取压力容器壁厚最小限值；
将压力容器壁厚最小限值与实时的压力容器壁面厚度比较，判断压力容器的完整性。
3.如权利要求1所述的基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法，其特征是，根据典型堆芯熔化事故分析，获取堆芯熔融物首次掉落点位置、压力容器壁面温度、堆芯熔融物的关键特征参数以及堆芯熔融物和压力容器壁面的热物性参数，其中，堆芯熔融物的关键特征参数包括堆芯熔融物喷射直径和堆芯熔融物喷射温度；
根据堆芯熔融物首次掉落点位置、压力容器壁面温度、堆芯熔融物的关键特征参数以及堆芯熔融物和压力容器壁面的热物性参数，结合堆芯熔融物首次熔穿位置和压力容器内部结构特征，获取堆芯熔融物喷射速度。
4.如权利要求1所述的基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法，其特征是，所述堆芯熔融物和压力容器下封头壁面之间的传热机理为堆芯熔融物与压力容器下封头壁面的硬壳层上表面之间发生对流传热，同时热量全部传递至压力容器壁面。
5.如权利要求4所述的基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法，其特征是，所述硬壳层为堆芯熔融物与压力容器下封头壁面接触时，压力容器壁面熔化形成熔化金属层，堆芯熔融物凝固以在堆芯熔融物与熔化金属层之间形成的硬壳层。
6.如权利要求1所述的基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法，其特征是，根据堆芯熔融物喷射温度或堆芯熔融物喷射速度，判断熔融物喷射过程是否结束的具体步骤为：
若堆芯熔融物喷射温度小于或等于熔融物熔点，则熔融物喷射过程结束；
若堆芯熔融物喷射速度为0，则熔融物喷射过程结束。
7.如权利要求1所述的基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析方法，其特征是，熔融物喷射参数在熔融物首次向下迁移的过程中采集。
8.基于堆芯熔融物喷射的压力容器完整性分析系统，其特征是，包括：
熔融物喷射参数获取模块，被配置为：获取熔融物喷射参数、压力容器壁面温度和相关热物性参数，其中，熔融物喷射参数包括堆芯熔融物喷射温度、堆芯熔融物喷射直径和堆芯熔融物喷射速度，相关热物性参数包括熔融物和压力容器壁面材料的热物性；
压力容器完整性分析模块，被配置为：根据堆芯熔融物和压力容器下封头壁面之间的传热机理，构建传热方程，计算压力容器壁面厚度侵蚀速率；根据压力容器壁面厚度侵蚀速率和时间步长，更新压力容器壁面厚度；根据压力容器壁面厚度，判断压力容器的完整性；若压力容器的完整性被破坏，则结束分析；若压力容器的完整性未被破坏，则执行下一步骤；
根据堆芯熔融物喷射温度或堆芯熔融物喷射速度，判断熔融物喷射过程是否结束；若结束，则结束分析；若未结束，重新获取熔融物喷射参数，进行下一时间步长的分析。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的步骤。
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