低温熔融金属蒸汽爆炸理论与实验研究

论文摘要

在核电厂堆芯融化事故中经常伴随有FCI现象（即燃料与冷却剂的相互作用）的发生,并且在某种条件下,FCI现象可能会升级到蒸汽爆炸的程度,从而破坏结构部件乃至安全壳的完整性,引起放射性物质的泄漏。因此FCI现象在核反应堆严重事故的安全分析中显得非常重要。一般认为,核电厂的蒸汽爆炸是高温熔融颗粒碎化、传热面积急剧增加,使蒸发速率激增、引起的压力突增的现象。引起蒸汽爆炸与很多工况有关。颗粒周围流体的传热和流动相互作用有关,特别是粗混合阶段颗粒的运动、汽膜的行为及颗粒的相对聚集度和某种因素引起激发引起随后蒸汽爆炸的发生。本文通过实验和理论分析低温熔融金属的蒸汽爆炸行为,详细分析了各个因素对蒸汽爆炸的影响（其方法是将其他工况固定,只变化其中一种工况）,然后判断影响决定蒸汽爆炸的因素,进而通过综合分析,推导出决定蒸汽爆炸的条件,揭示蒸汽爆炸的起因。本文在国家自然科学基金项目:“蒸汽爆炸中膜态沸腾条件下高温颗粒周围流体热动力特性研究”资助下,进行熔融金属与冷却剂作用实验研究,综合建立合理的分析模型,并运用分析模型对所发现的现象进行合理的解释。本研究设计了一套低温熔融金属电阻炉和熔融金属下落水池实验台架,并进行了可视化实验研究。在该实验台架上可进行低温熔融金属蒸汽爆炸实验,初混合阶段碎化实验和单颗粒熔融金属破碎实验。运用高速摄像机获取了熔融金属与冷却剂的相互作用过程。实验研究了不同工况对蒸汽爆炸实验,初混合阶段碎化实验和单颗粒熔融金属破碎的影响。实验分三大部分:1.采用锡基合金进行蒸汽爆炸实验;2.采用50%铋-25%铅-25%锡合金进行初混合阶段碎化实验实验;3.采用锡基合金进行单颗粒破碎实验。结果表明:对于熔融金属液柱与常温冷却剂接触实验,决定能否发生蒸汽爆炸的因素是热扩散系数。热扩散系数越高的金属材料越容易发生蒸汽爆炸;通过不同冷却剂温度来验证熔融颗粒碎化程度对蒸汽爆炸的影响。冷却剂温度越高,碎化后颗粒体表比越小,导致换热面积减小,相同条件下爆炸强度越弱。当冷却剂温度接近饱和时,蒸汽爆炸现象消失。该现象也证实了熔融颗粒碎化、传热面积急剧增加导致蒸汽爆炸这一论断正确性,同时也说明该论断的局限性:蒸汽爆炸不仅仅是熔融颗粒碎化、传热面积急剧增加这一因素决定的。笔者也通过一个简单实验证明激发是促进蒸汽爆炸发生但不是决定性因素。在某些条件下,抑制激发反而促进蒸汽爆炸。对上述实验综合分析,作者提出蒸汽爆炸是由很多因素共同作用的结果。笔者给出蒸汽爆炸发生的判别参数。通过该判别公式解释了增加熔融金属温度到某一温度,爆炸压力反而下降这一实验现象。初混合阶段碎化实验模拟材料采用50%铋-25%铅-25%锡合金,该合金热扩散系数比锡基合金稍低。相同条件下,碎化后的颗粒与蒸汽爆炸后的颗粒没有明显差异,验证了碎化颗粒大小并不是决定蒸汽爆炸的唯一因素。实验结果表明:由于Marangoni效应,熔融金属温度的提高促进了金属的碎化;由于Kelvin-Helmholz不稳定性;临界weber数的作用,提高冷却剂温度抑制了金属的碎化;提高熔融金属液柱入水初速度,增加熔融金属表面切应力,初速度越高,碎化后颗粒的粒径越小。单颗粒破碎实验的主要目的是验证增加熔融金属温度到某一温度,爆炸压力反而下降这一实验现象,验证冷却剂过冷度对熔融金属碎裂的影响和检验Rayleigh–Taylor不稳定性对熔融金属碎化的影响。相同温度单颗粒爆破的压力虽然不同,但平均爆破的压力在金属温度在600℃左右压力最大。高速摄像仪清晰地显示出Rayleigh–Taylor不稳定性对颗粒的破碎作用。利用已有的实验和理论基础,从动量守恒方程入手,分别得到蒸汽汽膜内蒸汽和冷却剂边界层内液体的平均速度和厚度;通过能量守恒方程,联立求解出单位时间单位面积的沸腾换热率,进而求出蒸汽产生量。作者将理论值与实验数据相比较,结果显示两者吻合得很好。利用成熟的Chapman-Jouquet爆炸理论,用以模拟熔融金属与水相互作用过程中产生冲击波前后的状态,并得到很好的计算结果。该模型可以预测不同实验工况下冲击波作用后的压力以及混合区域的温度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 压水堆核电厂的蒸汽爆炸过程
• 1.3 FCI 条件下膜态沸腾热流体动力学模型
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 理论研究
• 1.4.2 蒸汽爆炸的实验研究
• 1.5 本文研究目的和主要研究内容
• 1.5.1 本文研究目的
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 本文章节安排
• 第二章 低温熔融金属蒸汽爆炸实验装置设计研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验设计
• 2.2.1 总体实验装置
• 2.2.2 低温电阻炉
• 2.2.3 实验水箱
• 2.2.4 照明仪器
• 2.2.5 实验监测系统
• 2.3 实验方案
• 2.3.1 柱状熔融金属碎化实验
• 2.3.2 蒸汽爆炸实验
• 2.3.3 单颗粒熔融液滴碎化实验
• 2.4 实验材料
• 2.5 实验步骤
• 2.6 本章小结
• 第三章 低温熔融金属坠落冷却剂过程实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 初混合阶段熔融金属液柱碎裂实验研究
• 3.2.1 熔融金属温度对液柱碎裂影响实验研究
• 3.2.2 冷却剂过冷度对液柱碎裂影响实验研究
• 3.2.3 熔融物初始入水速度对液柱碎裂影响实验研究
• 3.2.4 熔融物初始入水液柱直径对液柱碎裂影响实验研究
• 3.2.5 冷却剂粘度对碎裂的影响
• 3.2.6 不可冷凝气体对碎裂的影响
• 3.3 熔融金属液柱蒸汽爆炸实验研究
• 3.3.1 金属温度对熔融金属液柱蒸汽爆炸影响实验研究
• 3.3.2 冷却剂过冷度对熔融金属液柱蒸汽爆炸影响实验研究
• 3.2.3 熔融物液柱直径对液柱蒸汽爆炸影响实验研究
• 3.4 熔融金属液滴碎裂及蒸汽爆炸实验
• 3.4.1 熔融金属温度对液滴蒸汽爆炸影响实验研究
• 3.4.2 冷却剂过冷度对液滴蒸汽爆炸影响实验研究
• 3.4.3 熔融液滴始入水速度对液滴蒸汽爆炸影响实验研究
• 3.5 实验改进方向
• 3.6 误差分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 熔融金属在冷却剂中的碎裂分析
• 4.1 引言
• 4.2 碎裂理论
• 4.2.1 整体加速度（global acceleration）
• 4.2.2 局部加速度（local acceleration）
• 4.3 碎裂理论在实验中的应用
• 4.3.1 熔融金属温度对碎裂的影响
• 4.3.2 冷却剂温度对碎裂的影响
• 4.3.3 熔融金属初速度对碎裂的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 低温熔融金属蒸汽爆炸的机理分析
• 5.1 引言
• 5.2 热扩散系数对蒸汽爆炸的影响
• 5.3 熔融金属温度对蒸汽爆炸的影响
• 5.4 激发（Triggering）对蒸汽爆炸的影响
• 5.5 冷却剂温度对蒸汽爆炸的影响
• 5.6 讨论
• 5.7 本章小结
• 第六章 熔融金属液柱碎裂前传热分析
• 6.1 引言
• 6.2 模型假设
• 6.3 控制方程
• 6.3.1 传热方程
• 6.3.2 蒸汽产生量
• 6.3.3 蒸汽汽膜长度公式
• 6.4 理论值与实验结果比较
• 6.5 本章小结
• 第七章 熔融金属与水作用的压力波数学模型
• 7.1 模型建立
• 7.2 多组分混合物物性参数计算
• 7.3 热力学平衡的条件
• 7.4 热力学方程中各参数的表达式
• 7.4.1 系统中的气体状态变化
• 7.4.2 熔融金属的物性参数
• 7.5 问题的求解
• 7.6 计算结果
• 7.7 本章小结
• 第八章 全文总结
• 8.1 主要研究结论
• 8.1.1 实验研究
• 8.1.2 理论模型
• 8.2 论文的主要创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文