双层安全壳自然循环冷却能力的研究

发布时间：2020-09-18 07:15

　　 AP1000采用了双层安全壳的设计,内层为圆柱形的钢制容器,外层为混凝土屏蔽构筑物。依靠安全壳顶部水箱水自重下落及外侧空气自然循环对流换热,实现内侧安全壳的降温与压力控制。福岛事故后,顶部水箱失效下核电站的安全是人们关心的问题之一,因此开展双层安全壳自然循环的冷却能力的研究有重要意义。在冷管段双端断裂事故停堆后,由衰变热产生的蒸汽在钢壳内表面冷凝,热量通过导热传递到钢壳外表面。外侧空气在自然循环作用下进入内外两层安全壳间的环形通道,冷却钢壳外表面,最终将热量带出。根据双层安全壳的结构与运行原理,本研究建立了能够模拟安全壳冷却系统工作状态的物理模型。该模型能够反映安全壳内部混合气体的自然循环流动、含不凝气体的混合气体与壳内壁面的膜状凝结传热、安全壳壁面的传热、安全壳外空气的自然循环流动以及空气与壳外壁面的对流换热等过程。通过数学模型的建立、求解方案的设计、程序的UDF编写、网格的划分以及Fluent的仿真求解,本研究计算了核电厂在事故停堆3天后,只依靠安全壳外侧空气自然循环冷却时安全壳内部的物理状态,并通过仿真结果与美国NRC认可的非能动仿真程序WGOTHIC计算结果的对比,证明了仿真程序的正确性。结果表明:3天时仅依靠空气自然循环无法将堆衰变热完全带走;空气自然循环能力将不断提升,但当散热量与衰变热持平时,安全壳内部压力已经超过限制。文中还分析了安全壳的高度、直径及烟囱高度对冷却能力的影响。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL364.3
【部分图文】：

边界层网,网格,问题,独立性

图 4.1 边界层网格划分网格的生成在数值计算中是一个重要的问题，通过反复的调试与比较，以获得适合的网格数，既要满足网格的独立性，又要满足网格的自适应性。先以较少的网格数进行初步的计算，根据所计算物理量场局部变化率的高低来调整网格的疏密程度，在安全壳的计算中，在壁面、穹顶和内边界这些传热传质较强烈的区域的局部网格给予进一步的加密，以获得自适应的网格。在数值计算中可作为最终获得的数值解的网格应当足够细密，以致力于再进一步加密网格，对数值解，依旧不会产生影响，即获得网格独立的解。本文分别建立了 4289、3405、2527 一共 3 套网格系统，如图 4.2，分别对同一工况进行计算，通过结果的比较来获得满足网格独立的解，网格独立性的考核见表 4.1，以相对偏差来判别网格独立性的优劣。从表中可以看出，三种方案结果之间的差异非常小（在 1%以下），所以网格量在（2527~4289）范围内的仿真网格能得到网格无关解。另外可以看出网格数目越多即网格越细密，相对偏差越小，尽管我们希望计算值与实测值越接近越好，但是大量的网格数目需要花费大量的时间和计算机资源，导致计算效

示意图,网格划分,安全壳,示意图

方案一方案二方案三图 4.2 三种网格划分示意图4.3 边界条件事故前安全壳内的状态参数如表 4.2 所示。基于西屋公司的 WGOTHIC 程序对冷管段双端断裂事故后三天内安全壳内压力和温度的响应状况可知，事故发生 3 天时安全壳内混合气体的状态：表压为 0.1515MPa、温度为 104.2℃[3]。除了以上条件，本研究中取安全壳外部环隙空气的入口温度为 25℃。表 4.2 正常运行时安全壳内物理状态内部温度(℃) 压力(MPa) 相对湿度体积(m3)48.9 0.108 0 58300当冷管段双端断裂事故发生后，大量冷却剂泄漏进入安全壳内部最终形成水池，随着事故进程的推进，壳内部的气空间体积将比正常运行时的体积减小。气空间的体积将影响混合气体的流动与传热状况，所以在仿真中需要进行确定。

安全壳,传热计算,壁面,外环

4 章双层安全壳冷却系统冷却能力平均得到液膜温度，进而得到壳温度与壳外壁面温度的加权平均温度与壳外环隙空气温度可以更阻、壳导热热阻、壳外对流换热外环隙空气温度可以更新热流密、壳外壁面温度和壳外环隙空气

【参考文献】