超设计基准事故下堆芯再淹没调研报告

杨寒

【摘 要】堆芯再淹没是超设计基准事故下处理控制堆芯失效的重要手段。堆芯再淹没过程中，主要考虑三个方面的物理化学现象——换热、包壳的力学表现、锆的氧化。

【关键词】超设计基准；堆芯再淹没；高温

0 引言

超设计基准事故下堆芯再淹没的传热机理

总体上，描述堆芯再淹没淬冷的传热有两个方面：（1）固体燃料棒内部的导热以及（2）燃料棒和周围两相流的对流换热问题。而第二个方面更为重要。

在堆芯再淹没的过程中，燃料棒会经过不同的冷却工况，其流动沸腾的流型和传热工况不同。虽然燃料棒的温度很高，热流密度大，但同样可以发生泡核沸腾。由于产生的汽泡数量很大，进而在包壳外表面附近形成蒸汽片或蒸汽柱。当汽泡产生的频率高到在汽泡脱离壁面之前就形成了蒸汽膜覆盖在壁面上，使液体不能接触壁面，出现反环状流，相应的传热工况为模态沸腾。膜态沸腾之后，上部的燃料棒包壳会被夹杂着液滴的蒸汽流冷却，最顶部的燃料棒则会被蒸汽冷却。

燃料棒的指定位置则会随时间先后经历以下的传热工况：当再淹没开始后，燃料棒包壳先会被上游沸腾产生的蒸汽所冷却，该过程几乎和再淹没启动同步，随着时间的推移会被夹杂液滴的蒸汽流（滴状流）冷却，当淬冷发生时，会由反环状膜态沸腾过渡为泡核沸腾，最后被逐渐冷却到该压力下的饱和温度。

1 燃料棒包壳的物理化学表现

1000℃左右时，包壳开始受热肿胀；200℃时由于力学性质的变化产生裂痕、穿孔，有明显损伤；1200℃包壳材料开始氧化，产生氢气和额外的热量；1500℃左右开始会有B4C-Fe，Fe-Zr的共熔物产生；2000℃左右包壳材料Zr开始熔化；3000℃左右ZrO2和UO2开始熔化。

2 包壳材料的氧化及氢气的产生

在1200℃开始会有明显的Zr+2H2O=ZrO2+2H2的反应，消耗包壳材料，生成氢气，并产生大量的热量，使事故情况恶化。生成的氢气量如果超过了安全范围，可能会引起氢爆，造成更大的事故后果。在由空气进入的情况下，会发生Zr+O2=ZrO2的反应，消耗单位质量的Zr会产生比Zr-H2O反应更大的热量，使温度上升速率增加。

3 国外超设计基准事故再淹没实验研究

3.1 CODEX实验

CODEX实验设施是1995年由KFKI原子能研究院建立的堆外实验设施，用以调查研究堆芯退化的某些特定的影响因素，进而利用实验数据来建立和改进数学模型。CODEX实验包含了VVER和PWR的模型实验。VVER和PWR的燃料棒分别为7个和9个，利用钨进行电加热模拟堆芯放热，中心燃料棒不加热用来进行相关测量。燃料棒加热全长为600mm，包壳材料为Zr1%Nb（VVER）合金，以及Zircaloy（PWR）。环形UO2材料包裹着中心的钨发热元件。

CODEX的主要实验有7个，分别具有不同的侧重点和研究目的：

CODEX-1再淹没总体性的实验研究；

CODEX-2温度的增加以及缓慢的冷却过程，气冷；

CODEX-3/11150℃启动的底部水冷再淹没；

CODEX-3/21500℃启动的底部水冷再淹没；

CODEX-AIT-1再淹没启动前空气进入的再淹没实验；

CODEX-AIT-2再淹没启动前蒸汽和空气进入的再淹没实验；

CODEX-B4C燃料棒的退化失效。

部分实验结果：

实验过程中，燃料棒的温度随着高度的增加而上升，再淹没前温度增加，再淹没启动后温度下降。燃料棒顶部部分熔化，底部相对完整性更好

包壳峰值温度低于1200℃的再淹没过程中，基本没有氢气的生成，也没有明显的温度增长。这于Zr-H2O反应的理论机理相吻合。

预氧化形成的表面ZrO对包壳有一定程度的保护作用，防止在高温下强烈Zr-H2O反应的发生，产生大量的H2和释放热量。

再淹没前有空气进入的预氧化中，有明显的温度骤升，燃料棒有氧化严重，并有氮化物ZrN生成，燃料棒结构受影响严重，甚至可能熔化脱落。

控制棒碳化硼B4C熔点更低，是事故中最先熔化的部分，并且会产生CO，CO2，CH4等气体。

3.2 PARAMETER-SF实验

NPO“LUTCH”，Podolsk，Russia的PARAMETER实验设施是用来研究VVER燃料装配在模拟条件下的设计基准、超设计基准、以及严重事故中的表现。PARAMETER实验燃料棒束由19个燃料棒模型构成。其中18个加热的燃料棒长度3.12m，加热长度为1275mm，不加热的中心燃料棒2.92m。采用电加热的方式模拟堆芯放热，将直径4mm的钨加热元件放在燃料棒的中心，并用内径4.2mm的环状UO2包围。燃料包壳材料和VVER中相同，采用外直径为9.13mm的Zr1%Nb合金，厚度为0.7mm。燃料棒中充满氦气，用来检测包壳失效。模拟堆芯中还有其他用于测量温度，压力，流量等重要参数的设施。

PARAMETER的实验步骤主要为4部，不同的实验有局部差别：

1）加热（准备）阶段，把燃料棒稳步的加热到预定的温度，并使燃料棒温度分布均匀；

2）预氧化阶段，在Ar-蒸汽的混合气流下，于指定温度下进行包壳的预氧化；

3）瞬变加热阶段，加热燃料棒到再淹没前的预定温度；

4）再淹没阶段，再淹没开始，直到实验终止。

PARAMETER实验目前一共进行4次，分别为PARAMETER-SF1，SF2，SF3，SF4。各实验的目的、实施过程手段以及实验结果都有所不同。其中主要的时再淹没手段的不同，SF1和SF3是顶部再淹没实验、SF2是底部和顶部结合再淹没实验、SF4是底部再淹没实验。此外，PARAMETER-SF4实验中还研究了再淹没前空气泄入对堆芯现象的影响。

部分实验结论：

由于再淹没前有空气进入，Zr-O2反应放出大量的热量，使得中部甚至底部加热位置的燃料棒的温度也迅速增长到接近包壳峰值温度，这于其他没有空气进入的再淹没实验不同。这是因为预氧化阶段产生的ZrO2层不足以防止空气进入时Zr-O2的进行，从而释放出大量热量，使温度骤升。

顶部再淹没过程需要的时间比底部再淹没时间要短，但是骤冷前沿的变现会出现非线性的震荡显现，这可能是由于逆流现象（counter-current flooding limitation）造成的；

由于格栅的存在会使骤冷前沿的前进受到一定程度影响，现有的数据模拟暂时没有具体的修正。

3.3 QUENCH实验

QUENCH实验是由德国卡尔斯鲁厄研究中心进行的，以研究轻水堆裸露堆芯再淹没过程中堆芯退化和氢气产生情况为目的的试验。试验段包含21根试验棒束。棒外径为10.75mm，棒间距为14.3mm，其中20跟加热，一根不加热，加热棒的长度为2480mm，不加热的长度为2842mm。试验中用钨丝加热器加热，加热器长1024mm，直径为6mm。加热棒包壳和定位格架材料都为锆合金，环形芯块为ZrO，而不是UO2。

QUENCH到目前进行了16组实验，从QUENCH-01到QUEHCH-16，在研究堆芯损坏失效和氢气产生的同时，又有不同的实验条件和研究目的。其中，QUENCH-02和-03研究了在高温条件（接近2500K）下的现象；

QUENCH-07和-09研究了B4C、不锈钢和Zircaloy-5共融物导致熔点下降；

QUENCH-07、-08、-09在低再淹没流量下进行；

QUENCH-09研究了蒸汽缺失；

QUENCH-10研究了空气泄入；

QUENCH-16研究了空气泄入导致氮化物的形成；

QUENCH-12、-14、-15利用先进堆芯材料（ACM）进行实验，分别为E110，M5，Zirlo。

部分实验结论：

利用不同的先进堆芯材料进行的实验结果显示，不同的材料对实验结果没有明显的影响；

高温、低再淹没水质量流量、预氧化阶段蒸汽缺失预氧化不足（ZrO2保护层不完整）都会使再淹没阶段生成更多的氢气。

4 现阶段超设计基准事故下堆芯再淹没实验存在的问题：

高温条件下，测温元件失效使得温度测量精确度下降；

包壳结构变化不能通过有效手段实时的检测，只能在实验过程中抽取燃料棒观察以及实验结束后观察；

包壳氧化厚度，特别是不同位置氧化程度不能有效的实时观测，只能通过生成的氢气质量来计算氧化厚度，计算结果只具有普片性，不具有特定性；

现阶段数据模拟在大多数情况下与实验结果吻合，但有细节方面需要更深入的研究和建模，比如控制格栅对两相流流动的影响和逆流现象对顶部再淹没的影响。

[责任编辑：王伟平]