基于CFD模型的安全壳地坑过滤器上游分析工作

2015-11-16陈俊

中国科技信息 2015年2期

关键词：安全壳细小湍流

陈俊

陈俊

上海交通大学机械与动力工程学院

陈俊（1983-）男，工程师，目前从事核电站维修领域工作。

由于瑞典Barseback核电站的堆芯熔化事故，全球核电站都开展了新型地坑过滤器的设计工作。碎片的传递分析是设计工作的一个重要部分。通过逻辑树方法，碎片传递分为破裂传递、冲洗传递、水池传递和再循环传递四个阶段。传递过程中，碎片需要满足最小湍流动能TKE和最小流速要求，保证碎片在流体中悬浮、翻滚、滑行和过台阶，最终传输到地坑过滤器。利用CFD分析方法，对安全壳厂房进行三维建模，对碎片传递过程中的湍流动能TKE和流速进行分析，得到传递到地坑过滤器的碎片的传递比。

地坑过滤器上游分析

1992年7月，瑞典Barseback沸水堆核电站发生一起地坑过滤器堵塞导致堆芯熔化事故，使人们意识到原地坑过滤器设计存在重大设计概念错误，对地坑过滤器堵塞风险考虑不足，原有设计中假定地坑滤网堵塞率为50％是不保守的。地坑过滤器需要进行重新设计以保证地坑过滤器产生的压降足够小，不会使下游的安喷泵和安注泵产生气蚀。

新型地坑过滤器的设计主要有两部分：第一部分，对事故工况下到达地坑过滤器的碎片的类型和数量进行分析，即上游分析工作。第二部分，通过分析或试验确认地坑过滤器产生的压降。

基于NEI 04-07文件，地坑过滤器上游分析工作主要包括以下几个部分。

碎片产生分析。首先对LOCA事故的分析，确认破裂口。根据破裂口产生压力和破裂口附近碎片成分的分析，可以分析得到破裂产生的影响区，最终得到碎片产生量。

碎片传递分析。根据对事故工况和碎片的尺寸、密度等特性的分析，获得碎片的传输比，最终分析达到地坑过滤器的碎片的类型和数量。

本文主要对碎片传递进行深入分析。

碎片传递分析

碎片传递分析的主要内容是分析事故发生后，碎片从保温层上脱落，并从破口处在安全壳厂房内传递到地坑过滤器所在位置（- 3.5m）的过程。碎片传递分析有传统分析法和CFD分析法。

CFD分析法利用计算机流体计算（Computer Fluid Dynamics），对安全壳厂房、设备和管道进行建模，并通过对安全喷淋和再循环过程的模拟，得出碎片在安全内传递的过程，并计算出碎片在传递中的损耗和最终到达地坑过滤器的碎片量。CFD分析法相对于传统分析法，对碎片进行更细致的分类，CFD分析将碎片分为细小碎片、小碎片、大碎片和整体碎片四类，而传统分析将碎片分为小碎片和大碎片两类。同时，CFD分析对安全壳厂房进行三维建模，对流体的传输以及碎片在流体中的运动进行模拟分析，碎片传递过程更加细化。因此，CFD分析法较传统分析法更好，能获得更好的分析结果。

CFD分析依据美国核工程协会指导文件NEI04-07，美国核管会安全评价文件SER附件III，IV，VI卷。根据每种产生的碎片的具体特性，建立逻辑树的方法来描述碎片从产生到传递到地坑过滤器的传递过程。利用逻辑树方法，将碎片传递分解为四个阶段，对每个特定阶段进行分析。该方法将一个复杂过程简化为四个简单的过程。以细小碎片为例，传递过程的逻辑树见表1。

表1 碎片传递分析逻辑树方法

四个传递阶段为：

破裂传递。管道破裂后，碎片从破口到安全壳所有位置的垂直方向和水平方向的传递。

发生管道破口事件后，管道破裂的高能量会使破口附近的保温层和油漆破碎。保温层和油漆在高能量的作用下，在破裂的瞬间在安全壳厂房下部四面八方均匀扩散，然后在安全壳下部压力升高后，向安全壳上部进行扩散。破裂传递过程中是传递到安全壳厂房的所有空间中的，因此破裂传递的传递比为安全壳厂房内的体积比。二代压水堆核电站（M310）安全壳上部体积为35000m3，安全壳上部体积为16900m3，因此破裂传递过程中传递到安全壳上部的传递比为67％。

然而传递过程中，根据碎片的尺寸和密度，部分碎片在传递过程中无法悬浮或在传递过程中被格栅等构筑物拦截。一般认为，细小碎片很容易悬浮在空气中并被传递，考虑为100％传递。破口区附近的小碎片和大碎片也很容易被传递，远离破口区的小碎片和大碎片不会传递。

冲洗传递。碎片随安全喷淋水或冲洗水在垂直方向的传递。

根据破裂传递的分析，在安全壳上部的碎片均为细小碎片或小碎片。通过对喷淋水的路径分析，可以得到碎片冲洗传递的传递比。在冲洗传递中，除去很少部分小碎片会被安全壳中的格栅拦截，其余所有碎片都会传递到安全壳下部。

换料水池传递。再循环过程中，碎片随安全喷淋水或冲洗水从换料水池传递到别的位置。

根据破裂传递的分析，绝大多数碎片会被传递至安全壳上部或在蒸汽发生器房间内，因此在换料水池传递中，传递到安全壳下部的碎片的数量可以忽略，同时没有传递到地坑过滤器的碎片的数量是可以忽略的。

再循环传递。在再循环过程中，碎片从换料水池传递到地坑在水平方向的传递。

再循环传递的CFD计算

图1 安全壳上部厂房CFD模型

再循环传递碎片传递系数是通过CFD建模计算得出的。首先，将安全壳厂房进行三维建模，安全壳厂房CFD模型见图1和图2。

图2 安全壳下部厂房CFD模型

然后，将CAD模型的STL文件加入到CFD模型中。CFD模型采用四方网格，X-Y方向的网格大小为11cm×11cm，Z方向的网格大小为9cm×9cm。整个模型共有2718000个网格。边界条件中定义X，Y和Z方向的最小和最大值，安全壳厂房混凝土边界即为流体的边界，为X，Y方向的最小值和最大值，Z方向的最小值。Z方向的最大值（水位以上）为压力为零的边界值。定义再循环水池流入和流出，运行CFD软件（Flow 3D）进行模拟计算直至到达稳定状态，稳定状态为平均动能达到稳定值，约为9.3cm2/s2。

在模拟分析过程中，碎片要能随流体传递，必须满足以下三项机械原理：

碎片在流体中保证悬浮；

沉没的碎片在流体中能翻滚或滑行；

沉没碎片在流体中能过台阶。

碎片要有足够的湍流动能TKE（Turbulent Kinetic Energy）来保证是在流体中悬浮的。湍流的强度即湍流动能的大小反映速度的垂直分量的波动，该波动是确认碎片是否能悬浮的要求。根据湍流动能和沉降速度的定义，湍流动能的计算如下：

下面以细小碎片为例，计算细小碎片能悬浮的最小湍流动能TKE。细小碎片的尺寸较小，约为十几微米，可以近似认为是圆形的。小球在流体中在垂直方向受3个力，重力G，浮力B和阻力f。根据斯托克斯定理：

以细小碎片中的灰尘为例，密度为2.71×103kg/ m3，尺寸为为17.3微米。根据地坑现场的实际温度（48.9℃）和压力（101kpa），水的密度为0.989×103kg/ m3，黏度5.573×104PaS。重力加速度为9.81m/s2，代入式6中，得到收尾速度

代入式3中，得到湍流动能TKE。

因此，以灰尘为例，湍流动能应大于3.81×10-7m2/ s2，才能保证在流体中悬浮的。其余不同类型的碎片也可以根据同样的方法进行计算。

碎片要有足够的流速来保证碎片能随流体在地面上翻滚、滑行和过台阶。碎片能翻滚、滑行和过台阶的最小流速是通过美国核管会试验验证的。其中，小碎片翻滚或滑行的最小流速为0.037m/s，过台阶的最小流速为0.085 m/s。大碎片翻滚或滑行的最小流速为0.113m/s，过台阶的最小流速为0.091 m/s。具体参见美国核管会文件NUREG/CR-6772表格3.2，NUREG/CR- 6808表格5-3和NUREG /CR-6916。

最终，CFD模拟分析的结果为再循环水池的三维模型，模型中包含湍流度和流速等参数。根据对水池流体流向，湍流动能和流速的大小，碎片的初始位置，碎片传递参数（碎片传递的最小速度或湍流动能）的分析，可以得到最终到达地坑过滤器的碎片的类型和尺寸。

结语

通过CFD分析，对碎片传递可以得到以下结论。

在LBLOCA事故下，破裂传递过程中大部分的细小碎片会达到安全壳上部区域，部分小碎片和所有大碎片会被格栅或其余结构拦截。大部分未到达安全壳上部区域的碎片在破裂传递的末期，存在于蒸汽发生器环路房间。

在喷淋水的作用下，冲洗传递过程中，在喷淋排水路径上的大部分细小碎片会被冲洗到安全壳的下部区域。部分小碎片会被安全壳上部的格栅阻挡或拦截。在蒸汽发生器环路房间的碎片会被格栅拦截。

在地坑水池充水期间，传递到地坑过滤器或地坑的碎片的比例可以忽略。

再循环过程中，大多数细小碎片将被传递到地坑过滤器，一部分细小纤维碎片和涂层将在水池地面且不会被传递。

图3 安全壳厂房-3.5m的速度分布

图4 安全壳厂房-3.5m的TKE分布

CFD分析的结果，相对于传统分析可以得到更精确的碎片传递比，对比情况见表2。从表2可以看出，CFD分析方法的传递比更小，结果更加准确也满足要求。因此最终通过CFD分析获得的到达地坑过滤器的碎片数量更少，地坑过滤器的压降计算结果也较小，地坑过滤器的硬件尺寸也减小，使得地坑过滤器的设计研究和硬件制造的费用大大减小，有较好的经济效应。同时，利用CFD对碎片传递进行了更细化的分析，结果也更加准确可靠。