氢气爆燃作用下核电站安全壳力学响应数值模拟分析

陈长坤，陈　杰，王玮玉，刘晅亚

(1.中南大学防灾科学与安全技术研究所,长沙, 410075；2.建筑消防工程技术公安部重点实验室，天津，300381)

氢气爆燃作用下核电站安全壳力学响应数值模拟分析

陈长坤1,2*，陈杰1，王玮玉1，刘晅亚2

(1.中南大学防灾科学与安全技术研究所,长沙, 410075；2.建筑消防工程技术公安部重点实验室，天津，300381)

摘要：在核电站严重事故中，由氢气爆燃产生的压力载荷会危及安全壳完整性致其失效，进而造成放射性物质泄漏的严重危害。通过ANSYS/Fluent有限元数值模拟软件，建立了安全壳有限元模型，并对安全壳内氢气爆燃过程以及其力学特性进行了数值模拟研究，获得了氢气爆炸过程中的超压值、升压速率、安全壳变形以及压应力分布。结果表明：爆燃波传递引起压强升高，火焰阵面处压强最高，爆燃波所经区域超压疾速上升随后快速下降；爆燃作用下，顶部壳体和下部筒体连接区域混凝土位移最大，最大压应力也集中分布在该区域，最易受到破坏。获得的结论可为安全壳结构抗爆设计和安全性研究提供理论参考。

关键词：氢气爆燃；安全壳；数值模拟；力学响应; 核电站

0引言

在核电站严重事故中，反应堆里产生的大量氢气主要来自于安全壳内锆质材料与高温的水以及水蒸气发生的氧化反应[1]。释放出的氢气与安全壳内的水蒸气、空气混合，当氢气浓度达到可燃极限浓度时，在一定条件下，混合气体会发生燃烧、爆燃甚至爆轰。爆燃和爆轰能在极短的时间内形成较高的压力峰值，作用在安全壳的压力荷载会造成安全壳结构损坏，影响其安全功能的有效执行[2]。安全壳的主要作用是阻隔事故发生时产生的辐射物质，一旦失效，将会造成后果更为严重的放射核物质泄漏[3]。因此，有必要对核电站安全壳内氢气爆燃过程以及爆燃荷载作用下的安全壳力学响应进行深入的研究。

在氢气爆燃的研究方面，俄罗斯Kurchatov研究所从大量的实验数据中初步分析得出了氢气爆燃转变准则，并研究了氢气燃烧发生火焰加速和爆燃转变所产生的压力峰值[4]。OECD/NEA在大量的实验研究和理论分析的基础上，分别归纳总结出σ准则和7λ准则来判断氢气发生燃烧火焰加速和爆燃转变的可能性[5]。李等[6]采用集总参数法程序对AP1000严重事故下的氡气源项和消氢措施进行了研究,表明中破口始发严重事故下安全壳隔间有氢气燃烧的风险。黄等[7]利用GASFLOW程序模拟了岭澳核电厂二期发生严重事故的过程，对安全壳内的氢气风险进行了分析，结果表明，泄压箱与稳压器隔间在氢气释放峰值阶段可能发生火焰加速现象。2011年3月福岛核电厂事故发生后，世界各国对反应堆安全极为关注，对事故中氢气行为开始进行更加深入的研究[8]。

本文采用数值模拟方法，分析了一定区域可燃气体爆燃作用下，安全壳内超压变化规律、不同位置的升压速率以及不同爆燃荷载作用下安全壳的变形和内力变化情况，以期为核电站安全壳结构抗爆设计和安全性研究提供理论参考。

1氢气爆燃理论分析及模型参数设定

1.1氢气爆燃过程分析

氢气的燃烧根据其特点主要分为三种形式，扩散燃烧、爆燃、爆轰[9]。爆燃是氢气燃烧以较慢速度从点火处向混合气体蔓延，燃烧以超声波的速度在混合气体中扩散传播，其特点是在相对较短时间内形成较高压力载荷[10]。

氢气爆燃过程中，火焰阵面在安全壳内向一个方向扩散，已燃烧区域温度升高膨胀，向前挤压未燃气体，产生与火焰阵面相同方向传播的爆燃冲击波[11]。气体爆燃过程中，爆燃冲击波引起的结构破坏一般较随后火灾引起的破坏更严重[12]。超压△p作为评价冲击波的常用指标，是实测压力与大气压之间的压力差，在可燃气云爆燃的研究中多采用压力这一指标[13]。

1.2爆燃模型参数设定

火焰加速过程[14]，是指火焰由慢速的层流状态向快速的湍流燃烧转变过程，混合气体发生火焰加速，氢气燃烧才能形成爆燃的方式。决定火焰是否加速的因素主要是：混合气体的成分及浓度，可燃云形状和尺寸。

可燃云的形状尺寸主要由爆燃区域特征尺寸表征，特征尺寸由可燃云的体积决定，氢气爆燃区域特征尺寸D=V1/3，V为形成的氢气可燃云的体积，根据文献[9]中研究的安全壳氢气可燃云聚集分布行为，本文模拟计算中选取D为10 m。

核电站反应堆失水事故中，产生的主要成分包括氢气、水蒸气和空气，考虑反应的化学当量比，计算中选取可燃云各成分的初始浓度分别为：氢气为20%、水蒸气为20%、空气为60%。

根据火焰加速的σ准则[5],并结合文献[9]中特定温度下的氢气/水蒸气/空气混合物膨胀因子和火焰加速极限图，以上可燃云成分浓度可使其所形成的火焰加速。

表1　可燃云参数设定

2计算模型

2.1模型尺寸

根据国际通用的核电站安全壳结构尺寸设计，并进行合理的简化建立核电站安全壳模型。厂房筒体结构的外半径为20 m，高度为40 m，顶处近似为外半径为20 m的半球形壳体，安全壳墙体部分由1 m厚度的混凝土，内外包裹15 mm厚的钢板组成，厂房总高度为60 m。模型的竖向截面如图1所示。

图1　安全壳尺寸图(单位，m)Fig.1　Dimension of containment

2.2模型建立

首先，采用ICEM软件建立安全壳二维模型并划分网格，利用Fluent软件对安全壳内氢气爆燃过程进行数值模拟研究。

然后，基于ANSYS前处理软件，建立安全壳三维有限元计算模型，模型中混凝土选取SOLID65实体单元，钢板采用SHELL91壳单元[17,18]，单元的网

格尺寸为50 cm，模型共划分单元约65000个。钢板与混凝土之间的接触设为可靠连接，可视作采用共同节点，不考虑两者之间的滑动位移，模型底面采用固定的边界条件约束，具体如图2所示。安全壳模型的基本力学参数见表2。

图2　安全壳有限元模型Fig.2　Finite element model of containment

3数值模拟结果及分析

通过数值计算得到氢气爆燃引起的安全壳内各个时刻的压强云图，同时可以绘出安全壳壁不同位置测点的升压曲线。基于压力云图和升压曲线，计

算得出在爆燃压力荷载作用下的安全壳变形情况和压应力结果。由于氢气爆燃压力持续时间很短，本文在探讨氢气爆燃压力发展过程中不考虑温度因素对计算结果的影响。

表2　材料参数

3.1安全壳内压强变化

图3给出了安全壳内氢气爆燃后，第一阶段冲击波作用时间内六个不同时刻安全壳的内部压强分布云图。图3(a)到图3(c)表明，压强由点火源处开始升高，压强爆燃波的传播由点火源处向外逐渐升高，图3(b)显示在50 ms时刻，最大压强分布区域并非在爆燃波传递的最前端即爆燃冲击波处，而是在随后的火焰阵面处；图3(c)表明，在爆燃波抵至安全壳壳壁，壁面周围压强急剧升高，同时，由于点火源下部同样距离区域压强远远低于安全壳壁处压强，表明爆燃波在接触阻碍物的时候压强会急剧上升。

图3(d)表明，在爆燃波抵达安全壳壁反射后，安全壳壁附近压强下降迅速，且厂房内压强分布并未呈现明显特征规律，最大压强位置随机，原因是爆燃波反弹后各个方向的反弹波相互叠加以及和第二阶段的爆燃波叠加导致而成，不同波的同向或反向叠加造成冲击波的能量抵消或增强。

图4给出了氢气爆燃过程中安全壳内壁四个不同位置测点(测点位置参照图1)的升压曲线。图4(a)、图4(b)表明，氢气点燃后50 ms后爆燃波开始接触壳壁，测点开始承受压力荷载，并急剧上升在10 ms内抵达峰值，而壳壁压力下降阶段则相对缓慢，壳壁压力恢复至初始水平需要50 ms。图4(c)表明，筒体部分C测点位置从70 ms开始升压 ，最大压力值达到0. 22 MPa；图4(d)显示，位于安全壳底部的D测点位置从110 ms开始升压，最大压力值达到0.36 MPa。由此可知，壳壁的压力峰值与距爆燃点火源距离成反比，而图4(d)压力较大的原因是爆燃反弹波与第一阶段的直接爆燃波同向叠加。

图4　氢气爆燃下各个测点的压力变化图(测点位置参照图1)Fig.4　Pressure variation diagram of each measuring point in the hydrogen deflagration (for position of measuring point, refer to Fig. 1)

3.2安全壳力学响应分析

图5(a)、图5(b)分别给出了施加第一个峰值压力荷载后，安全壳位移的云图和应力云图分布情况。图5表明， 氢气爆燃作用下，安全壳的最大位移在半球形壳体和与圆柱接触部位，安全壳承受的最大压应力也集中该区域。由此可知，在冲击荷载的作用下，由上部壳体和下部筒体交接区域是最易受破坏区域，冲击压应力致使内部混凝土区域开裂破坏而影响安全壳的完整性，因此，在核电站安全壳结构施工过程中，该区域需要加强其抗剪切能力。

图6给出了安全壳内四个测点部位的位移随时间变化曲线。从图6可以看出，安全壳壁从开始承受荷载20 ms后，测点的位移开始快速增长，其中B测点的位移最大达到30 mm，而位于底部的D测点的位移最小，几乎没有位移；位于安全壳中部的C测点，位移也很小最大值为3 mm。由此可知，爆燃荷载作用下壳体和下部筒体的连接处的位移最大，混凝土损坏最为严重，形成混凝土开裂，破坏安全壳的完整性。

图5　安全壳位移以及应力云图Fig.5　Displacement and stress cloud image of containment

图6　安全壳测点位移曲线图Fig.6　Displacement curve of the measuring points of containment

4结论

通过数值模拟计算得到了在一定氢气爆燃作用下的安全壳内不同时刻超压变化和壳壁的压力上升曲线，并将爆燃荷载施加于安全壳内部，从而获得安全壳的变形情况和压应力的数值模拟分析结果，具体结论如下：

(1)在本文设定的氢气可燃云爆燃情况下，产生的爆燃波所经区域压强迅速上升随后快速下降，爆燃波在接触安全壳壳壁10 ms后，壳壁所承受的冲击荷载抵达峰值；冲击荷载作用在安全壳壁的时间总共为60 ms，在抵达峰值后50 ms后衰减至零。

(2)壳壁承受的压力峰值与距爆燃点火源距离成反比，压力异常较大的原因是爆燃反弹波与第一阶段的直接爆燃波同向叠加。

(3)在爆燃荷载作用下，顶部壳体和下部筒体交界区域最易受到破坏，混凝土开裂而致其功能失效，该区域的变形最大达到30 mm。爆燃作用下，安全壳的最大压应力集中分布在该区域。在核电站安全壳的实际设计施工中，应当重点加强壳体和下部筒体连接区域的抗剪切承载力。同时，也要加强安全壳混凝土的抗开裂能力。

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Numerical Analysison mechanical properties of containment in the nuclear power plant under hydrogen deflagration

CHEN Changkun1,2, CHEN Jie1, WANG Weiyu1, LIU Xuanya2

(1.Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology, Central South University, Changsha 410075, China;2.Key laboratory of Building Fire Protection Engineering and Technology of MPS, Tianjin 300381, China)

Abstract:During severe accidents in the nuclear power plant (NPP), the pressure load produced by hydrogen deflagration would hazard the integrity of containment and make it become invalid, which could result in a radioactive release. A finite element model has been established by ANSYS/Fluent. The process of hydrogen deflagration and mechanical properties of the containment have been investigated by numerical method. The overpressure value, pressure boost rate, deformation, and stress distribution of the containment under hydrogen deflagration are obtained. The results indicate that the pressure rise is caused by deflagration wave, the maximum pressure appears in the flame wave, the pressure of the deflagration area rises rapidly and then declines quickly; the concrete in the connected region between the shell and the cylinder is the most vulnerable to damage, and this area has the maximum displacement and the maximum compressive stress under hydrogen deflagration. The results obtained could provide theoretical reference for antiknock design and security research of the containment.

Keywords:Hydrogen deflagration; Containment; Numerical analysis; Mechanical properties; Nuclear power plant

收稿日期：2015-08-02；修改日期：2015-12-31

基金项目：国家自然科学基金项目资助(51576212)；国家自然科学基金重点项目资助(51534008)；建筑消防工程技术公安部重点实验室开放课题(KFKT2014ZD02)；中央高校基本科研业务费专项资金资助。

作者简介：陈长坤(1977-)，男，福建福安人，博士，教授，现任中南大学防灾科学与安全技术研究所副所长/消防工程系副主任，研究方向为火灾科学与消防工程。 通讯作者：陈长坤，E-mail：cckchen@ csu.edu.cn

文章编号：1004-5309(2016)-0034-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2016.01.05

中图分类号：X932

文献标识码：A