双层安全壳内工质流动与传热的数值模拟

发布时间：2020-06-21 10:16

【摘要】：反应堆安全壳作为包容放射性物质泄漏的最后一道安全屏障,其完整性对核安全具有重要意义,而非能动安全壳冷却系统(PCCS)作为保护放射性物质泄漏最后一道屏障的系统,其换热特性具有研究价值。当发生失水事故、主蒸汽管道破裂事故等设计基准事故时,大量高温高压的蒸汽进入安全壳,为防止其超温超压,阻止放射性物质泄漏,应用PCCS系统对安全壳进行降温降压。该系统不需要人员干预,亦不需要任何电力设施,大幅度提升了安全性和可靠性。本文研究当高温高压蒸汽泄漏后,PCCS系统投入运行时,安全壳内部及外部空气流道的流体流动与换热情况。本文以AP1000为研究背景,合理简化AP1000的双层安全壳结构,应用Pro-E软件建立AP1000双层安全壳三维模型,应用FLUENT对安全壳稳态工况下的空气自然循环进行仿真计算,得到正常工况下温度、密度云图等。本文将AP1000双层安全壳简化为二维模型,应用FLUENT对内部及外部空气流道分别进行模拟计算,内部添加含有空气的蒸汽凝结UDF,外部空气流道添加水蒸发换热UDF,应用MpCCI(Mesh-based parallel code coupling interface)耦合软件对安全壳内部及外部空气流道进行耦合瞬态计算,实现内部热量通过安全壳壁面传递到外部空气流道的过程。考虑停堆后堆芯的衰变热,以AP1000破口事故下一回路温度、压力变化为参考,合理给定蒸汽入口边界条件。随着时间增加,对流、凝结及辐射换热的热流密度均持续增大,凝结换热是对流换热热流密度的两倍左右,辐射换热所占比例较小,与对流及凝结换热不在一个量级上。对流、凝结换热热流密度在1200s前沿安全壳壁面高度的降低而减小,1200s后外部空气流道水开始蒸发,对流、凝结换热的热流密度迅速升高,在壁面10m处有热流密度峰值。外部空气流道水膜蒸发后,安全壳内温度压力逐渐稳定,小于安全壳设计压力、温度,证明PCCS系统对预防放射性物质泄漏起了重要作用。对于安全壳外部空气流道,事故后PCCS系统冷却水喷淋在安全壳顶端,形成水膜,沿壁面向下水膜厚度逐渐减小。在环形区域内的水膜温度较高,达到该气压下的饱和温度时蒸发,水蒸汽充斥环形区域,沿着安全壳屏蔽构筑物向上流动,直至烟囱处空气出口流出。而无冷却水时,安全壳外壁面的温度最高,沿壁面法线方向温度降低,沿壁面高度降低温度持续升高,导致双层安全壳外部空气流道空腔内为温度较高。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL364.3
【图文】：

非能动安全壳冷却系统,安全壳

研究安全壳内出现破口事故时的蒸汽流动情况，以及在非能动安全壳冷却系统投入运行时，双层安全壳内工质的流动与传热情况。AP1000安全壳内部结构如图2.1所示。图2.1 非能动安全壳冷却系统非能动安全壳冷却系统PCCS的工作原理如下：当发生事故后，安全壳内部高温蒸汽向上流动，直至安全壳穹顶，受到安全壳壁面形状限制，高温蒸汽沿着壁面向下流动。由于安全壳壁面温度较低，高温蒸汽遇到较低温度的安全壳壁面，在壁面冷凝成水，由此将热量传递给安全壳壁面，降低安全壳内温度及压力。安全壳外部有非能动安全壳冷却系统，冷却水从冷却水箱中流下，在安全壳外壁面形成一层水膜并受热蒸发，由此对安全壳壁面冷却。外部的空气从入口流进，沿着空气导流板及外层安全壳向下流入，随后沿着双层安全壳环形通道向上流动，最后从顶部流出，带走蒸发的水蒸汽以及多余的

安全壳,外部空气,流道

5、外部空气流道的冷却水对安全壳外壁面的对流及蒸发换热；6、外部空气流道的空气对安全壳外壁面的对流换热。图2.3 安全壳内外的热传递过程2.6 本章小结本章节介绍AP1000的PCCS系统的工作原理、组成结构、设计参数等，简要介绍失水事故发生的过程以及系统响应，介绍当发生破口事故后，高温蒸汽泄漏，PCCS系统启动，双层安全壳内部、外部空气流道以及壁面的传热过程。

【参考文献】