CN117408063A - 一种重水堆双腔室mcci过程分析方法与计算装置 - Google Patents
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Abstract
一种重水堆双腔室MCCI过程分析方法，包括以下步骤：建立重水堆核电厂模型，并划分节点；提供事故初始条件，模拟重水堆MCCI的多阶段过程，其中当一个事故阶段达到预设的出口条件时进入下一个事故阶段模拟，前一事故阶段的模拟结果决定下一个事故阶段模拟的初始条件；根据MCCI过程的模拟结果，判断重水堆核电厂安全壳的有效性。上述方法能够有效对重水反应堆双腔室MCCI过程进行模拟分析，指导重水反应堆的结构设计及安全管理。本发明还提供一种计算装置。
Description
技术领域
本发明属于核电领域，具体涉及一种重水堆双腔室MCCI过程分析方法与计算装置。
背景技术
核电厂发生严重事故时，反应堆中的燃料熔化形成具有放射性的熔融物有可能将堆芯封闭结构熔穿，侵入安全壳并与安全壳内的混凝土发生堆芯熔融物与混凝土相互作用(MCCI)，当堆芯熔融物与混凝土接触后，熔融物温度上升将导致局部混凝土发生熔化并形成熔池，对安全壳底板混凝土产生侵蚀，严重时会导致安全壳熔穿，造成大量放射性物质向环境释放。因此，对MCCI过程进行分析是核电厂安全评估的重要内容之一。然而，当前MCCI分析的技术方案集中在应用较多的轻水压水反应堆，且多集中于堆芯熔融物与混凝土接触区域局部过程的物理分析。重水反应堆的结构与轻水堆有着显著的差异，其MCCI过程难以应用现有的轻水堆分析方法开展，对重水堆事故状态下整体MCCI的过程缺少系统的分析方法。因此，提供一种重水堆双腔室(包括排管容器腔室与安全壳腔室)MCCI过程分析方法，对于优化重水堆安全评估流程、提高评估的准确性具有较高的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种重水堆双腔室MCCI过程分析方法，提高重水堆事故中MCCI分析的准确性。本发明还提供一种计算装置。
根据本发明一个方面的实施例，提供一种重水堆双腔室MCCI过程分析方法，包括以下步骤：
a)提供重水堆核电厂模型，所述重水堆核电厂模型包括设备系统及对应的控制逻辑关系，将所述设备系统分别划分为一个或多个节点；所述设备系统包括主热传输系统、反应堆堆芯、排管容器、安全壳和事故缓解相关系统；
b)提供多组事故初始条件，所述事故初始条件包括事故序列、堆芯熔融物的扩展面积和所述设备系统的有效性；
c)以所述节点为单位，根据所述初始条件分阶段模拟MCCI过程，并设置每个事故阶段的出口条件，得到随时间变化的所述MCCI过程的分析结果；其中，在当前所述事故阶段达到出口条件时，根据当前阶段的模拟结果得到下一所述事故阶段的初始条件，开始下一个所述事故阶段的模拟；其中所述事故阶段包括堆芯熔化阶段、排管容器熔穿阶段、排管容器腔室熔穿阶段和安全壳底板熔穿阶段，所述出口条件包括当前阶段的腔室的熔穿深度和当前阶段的腔室压力；
d)根据所述MCCI过程的结果，判断重水堆核电厂安全壳的有效性。
通过上述方法，能够针对重水反应堆的结构特点，针对重水堆严重事故的不同阶段分别进行模拟，较为准确地反映不同条件下重水反应堆MCCI在排管容器腔室与安全壳底板各自的熔蚀过程与后果，为重水反应堆的结构设计与安全管理提供有效指导。
进一步地，在部分实施例中，在所述a)步骤中，所述主热传输系统包括循环环路，所述循环环路包括入口集管、出口集管和连接在所述入口集管、出口集管之间经过蒸汽发生器的环路管道，所述主热传输系统的节点包括所述入口集管、所述出口集管及所述环路管道划分出的多个节段。
进一步地，在部分实施例中，所述a)步骤中，所述堆芯包括燃料通道，所述堆芯的节点包括所述燃料通道沿长度方向划分出的多个节段。
进一步地，在部分实施例中，所述排管容器包括壁体，所述排管容器的节点包括自所述排管容器顶部至底部按竖直高度划分出的多个节段。
进一步地，在部分实施例中，所述安全壳包括安全壳底板和多个安全壳隔间，所述安全壳的节点包括多个由一个或多个相互连通的所述安全壳隔间组成的隔间组。
进一步地，在部分实施例中，所述a)步骤中所述事故缓解相关系统包括应急堆芯冷却系统、停堆冷却系统、屏蔽冷却系统、主给水和辅助给水系统、安全壳喷淋系统、氢气点火器和氢气复合器。
进一步地，在部分实施例中，所述c)步骤中，所述出口条件包括所述腔室熔穿深度不再随时间发生变化或当前阶段的腔室已被熔穿。
进一步地，在部分实施例中，所述d)步骤中，判断所述安全壳失效的判据包括所述安全壳底板熔穿或所述安全壳内的压力超过所述安全壳的承受上限。
根据本发明另一个方面的实施例，提供一种计算装置，该计算装置包括存储器与处理器，其中所述存储器存储有计算程序，当所述处理器执行所述计算程序时，能够前述任一实施例所提供的重水堆双腔室MCCI过程分析方法。
附图说明
图1为一实施例中重水反应堆结构示意图；
图2为一实施例中重水反应堆排管容器腔室MCCI过程示意图；
图3为一实施例中重水反应堆安全壳MCCI过程示意图；
图4为一实施例中主热传输系统节点划分示意图；
图5为一实施例中安全壳隔间结构示意图。
上述附图的目的在于对本发明作出详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。为了表达简洁，上述附图仅示意性地画出了与本发明技术特征有关的结构，并未严格按照实际比例画出完整结构与全部细节。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细说明。
本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。
本文的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，可以是活动连接，也可以是固定连接或成一体。对本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
本文的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”、“横向”、“纵向”、“高度”、“长度”、“宽度”等指示方位或位置关系的术语目的在于准确描述实施例和简化描述，而非限定所涉及的零件或结构必须具有特定的方位、以特定方位安装或操作，不能理解为对本文中实施例的限制。
本文的描述中，“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同对象，而不能理解为指示相对重要性或限定所描述技术特征的数量、特定顺序或主次关系。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。
目前，针对核电厂反应堆事故中MCCI(堆芯熔融物与混凝土相互作用)过程的研究主要集中在以轻水作为冷却剂和慢化剂的压水反应堆，而重水反应堆与轻水反应堆的结构具有显著的差异，如图1所示，重水反应堆堆芯1为容纳有燃料棒的排管结构；排管浸没在排管容器2容纳的重水中，重水作为冷却剂和慢化剂存在；排管容器2外部则为排管容器腔室3中的轻水；最外侧是安全壳4。轻水压水反应堆的MCCI过程通常为仅涉及安全壳的单腔室过程，而重水反应堆中完整的MCCI过程为涉及排管容器腔室和安全壳的双腔室MCCI过程，结合图2，当堆芯1发生熔化，堆芯熔融物5首先破坏排管并进入排管容器2，当排管容器2熔穿后堆芯熔融物5下落至排管容器腔室3底部开始第一阶段的MCCI过程；当排管容器腔室3底部熔穿后，如图3所示，堆芯熔融物5进一步下落至安全壳4的底部开始第二阶段的MCCI过程。由于反应过程、冷却条件、熔融物分布状态等因素的显著差异，应用于轻水堆的MCCI分析方法无法用于重水反应堆。对MCCI过程缺少合理的分析方法，制约着重水反应堆结构设计和安全管理工作的开展。
为了解决上述问题，本发明一个方面的实施例提供一种重水堆双腔室MCCI过程分析方法，用于针对不同事故工况精确模拟重水堆MCCI现象，对MCCI后果进行准确的分析预测。在一个实施例中，针对某型号的重水反应堆，该方法包括以下步骤：
首先，在通用的核电厂严重事故一体化分析软件(如MIDAC或NUSSAP等)或专门针对该反应堆编写的模拟程序中建立重水对核电厂模型对严重事故相关的主要系统、设备和控制逻辑进行模拟，其中设备系统主要包括主热传输系统(PHTS)、稳压器(PZR)、蒸汽发生器(SG)、应急堆芯冷却系统(ECCS)等事故缓解相关系统、二回路系统以及反应堆堆芯、排管容器和安全壳等。根据结构与功能特点，将上述设备系统分别划分为一个或多个节点：堆芯1节点的划分根据其几何特征将燃料通道模拟为几个垂直区域，沿燃料通道的长度方向划分出几个节段；排管容器2的壁面从底部到顶部按照不同高度划分出多个节段；安全壳3包括多个安全壳隔间和底板，根据安全壳隔间的几何特征和相互连通情况划分为由一个或多个相互连通的安全壳隔间成的隔间组；主热传输系统PHTS同样划分为多个节点。具体地，如图4所示，出口集管(OH1/OH2)和入口集管(IH1/IH2)分别形成两条对称的环路，该两条环路分别流经堆芯并带走一半的热量，分别输送至两台蒸汽发生器6a和6b处，根据其结构特点将出口集管、入口集管分别划分为独立的节点71/77和81/87，连接于出口集管与入口集管之间的管路，则根据其所处位置与几何形状，将两段管路分别划分为72-76、82-86节段。
接下来，选取某一事故工况开展分析，为程序提供输入，事故工况也即事故初始条件包括事故序列、堆芯熔融物的扩展面积、电厂各设备系统是否有效、相关阀门的状态和应急响应的情况。通过程序基于核电厂模型进行模拟，能够获得给定事故初始条件下的一系列后果，如安全壳的水位随时间的变化、应急系统的电力供应状态等。
以前述步骤划分的节点为单位，在模拟中认为每个节点具有相同的物理状态，分阶段对事故发生后的MCCI过程进行模拟，根据重水堆核电厂的具体结构特征设置每个事故阶段的出口条件，得到MCCI过程的分析结果。具体地，MCCI过程包括堆芯熔化阶段、排管容器熔穿阶段、排管容器腔室熔穿阶段和安全壳底板熔穿阶段。其中，堆芯熔化和排管容器熔穿阶段无MCCI，排管容器腔室熔穿阶段和安全壳底板熔穿阶段分别发生两段不同的MCCI过程。每一个阶段模拟的状态达到出口条件后，开始下一个阶段的模拟。具体地，出口条件包括所述腔室熔穿深度不再随时间发生变化或当前阶段的腔室已被熔穿，腔室是否被熔穿可以通过熔穿深度是否达到壁体厚度最大值判断，也可以通过程序自动进行识别。而根据当前阶段的达到出口条件时熔融物的分布状态则可以进一步确定下一个阶段模拟的初始条件。具体地，在一些实施例中，可以根据堆芯熔化阶段堆芯熔化的数量确定排管容器底部堆芯熔融物的初始分布面积；当排管容器底部熔穿，堆芯熔融物迁移至排管容器腔室底部时，根据熔穿发生时堆芯熔融物在排管容器内的分布和排管容器、排管容器腔室中的冷却水位确定排管容器腔室熔穿阶段起始的堆芯熔融物分布状态；当排管容器腔室被熔穿时，堆芯熔融物进一步迁移至安全壳底板，如图5所示，根据排管容器腔室熔穿时堆芯熔融物的分布状态确定堆芯熔融物进入不同的安全壳隔间9a、9b和9c的状态，根据安全壳隔间9a、9b和9c的面积、结构及相互间的连通状态，进一步分析模拟出堆芯熔融物与安全壳底板发生MCCI的过程。例如，在一些实施例中，堆芯熔融物至进入安全壳隔间9b，而在另一些实施例中熔融物先进入安全壳隔间9b再进入与安全壳隔间9b连通的安全壳隔间9a和9c；而在不同实施例中，堆芯熔融物迁移至安全壳底板时安全壳内的水位则直接决定了安全壳底部的熔穿过程，在一些实施例中堆芯熔融物塌陷至安全壳底部时重水与轻水的混合冷却介质浸没所有安全壳隔间，而在另一些实施例中随着冷却水大量沸腾气化堆芯熔融物迁移至安全壳底板时局部已经暴露在冷却水位以上。
通过上述过程，模拟得到MCCI过程随时间进展的后果变化。最后，根据模拟结果判断随着事故的发展最终或经过一个给定时间后安全壳是否会发生失效，具体的判断标准为堆芯熔融物是否会熔穿安全壳底板或导致安全壳内压力超过安全壳的承压上限。
更改上述分析模拟过程的事故初始条件，进行多次模拟可以对不同事故始发序列的MCCI过程进行综合分析比较。
根据本发明另一个方面的实施例，提供一种计算装置如通用计算机或专用的计算设备，该计算装置包括存储器与处理器，存储器存储有计算程序，当处理器执行该计算程序时能够实施前述实施例中所提供的重水堆双腔室MCCI过程分析方法。
上述实施例的目的在于结合附图对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理本发明的技术构思。在本发明公开的范围内，对所涉及的方法步骤进行优化或等效替换，以及在不发生结构与原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种重水堆双腔室MCCI过程分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)提供重水堆核电厂模型，所述重水堆核电厂模型包括设备系统及对应的控制逻辑关系，将所述设备系统分别划分为一个或多个节点；所述设备系统包括主热传输系统、反应堆堆芯、排管容器、安全壳和事故缓解相关系统；
b)提供多组事故初始条件，所述事故初始条件包括事故序列、堆芯熔融物的扩展面积和所述设备系统的有效性；
c)以所述节点为单位，根据所述初始条件分阶段模拟MCCI过程，并设置每个事故阶段的出口条件，得到随时间变化的所述MCCI过程的结果；其中，在当前所述事故阶段达到出口条件时，根据当前阶段的模拟结果得到下一所述事故阶段的初始条件，开始进入下一个所述事故阶段的模拟；其中所述事故阶段包括堆芯熔化阶段、排管容器熔穿阶段、排管容器腔室熔穿阶段和安全壳腔室熔穿阶段，所述出口条件包括当前阶段的腔室熔穿深度和当前阶段的腔室压力；
d)根据所述MCCI过程的结果，判断重水堆核电厂安全壳的有效性。
2.根据权利要求1所述的重水堆双腔室MCCI过程分析方法，其特征在于，在所述a)步骤中，所述主热传输系统包括循环环路，所述循环环路包括入口集管、出口集管和连接在所述入口集管、出口集管之间经过蒸汽发生器的环路管道，所述主热传输系统的节点包括所述入口集管、所述出口集管及所述环路管道划分出的多个节段。
3.根据权利要求1所述的重水堆双腔室MCCI过程分析方法，其特征在于，所述a)步骤中，所述堆芯包括燃料通道，所述堆芯的节点包括所述燃料通道沿长度方向划分出的多个节段。
4.根据权利要求1所述的重水堆双腔室MCCI过程分析方法，其特征在于，所述排管容器包括壁体，所述排管容器的节点包括自所述排管容器顶部至底部按竖直高度划分出的多个节段。
5.根据权利要求1所述的重水堆双腔室MCCI过程分析方法，其特征在于，所述安全壳包括安全壳底板和多个安全壳隔间，所述安全壳的节点包括多个由一个或多个相互连通的所述安全壳隔间组成的隔间组。
6.根据权利要求1至5中任一所述的重水堆双腔室MCCI过程分析方法，其特征在于，所述a)步骤中所述事故缓解相关系统包括应急堆芯冷却系统、停堆冷却系统、屏蔽冷却系统、主给水和辅助给水系统、安全壳喷淋系统、氢气点火器和氢气复合器。
7.根据权利要求1至5中任一所述的重水堆双腔室MCCI过程分析方法，其特征在于，所述c)步骤中，所述出口条件包括所述腔室熔穿深度不再随时间发生变化或当前阶段的腔室已被熔穿。
8.根据权利要求1至5中任一所述的重水堆双腔室MCCI过程分析方法，其特征在于，所述d)步骤中，判断所述安全壳失效的判据包括所述安全壳底板熔穿或所述安全壳内的压力超过所述安全壳的承受上限。
9.一种计算装置，包括存储器与处理器，其特征在于，所述存储器存储有计算程序，当所述处理器执行所述计算程序时，能够实施如权利要求1至8中任一所述的重水堆双腔室MCCI过程分析方法。
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