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使用MAAP5对PWR和BWR的事故容忍燃料进行建模

张贴者 The 福斯克Team 在02.28.17

By: Chan Y. Paik, Ph.D.,Vice President, Methods Development, 福斯克& Associates, LLC

1.简介

Among the capabilities at 福斯克&Associates,LLC(FAI)是计算模型的开发和使用,有助于分析核电站的电厂暂态和严重事故。在此技术公告中, 模块化事故分析程序(MAAP) 建模除锆(Zr)和二氧化铀(UO)以外的包层和燃料材料2)中描述了严重的事故。 行动计划 是由EPRI(电力研究所)拥有并许可的软件,可预测在涉及堆芯熔化的严重事故中热液和裂变产物的响应。 行动计划 可以确定发现岩心的时间,反应堆覆层故障的时间,岩心融化的时间以及岩心退化的程度,容器故障的时间以及最终的源术语释放到环境中。

对于福岛第一核电站,发生了一次停电事故(SBO),其中所有现场和非现场电源都失去了很长一段时间。由于长时间失去所有动力,堆芯燃料组件没有被发现并被衰减热所过热,衰减热导致燃料棒包壳和通道箱Zr与蒸汽发生反应。在高温下,锆锡合金与蒸汽发生剧烈反应,生成氧化锆和氢。包层氧化过程中释放的反应能可能远远超过衰变热,从而增加了铁心的加热和分解速度。另外,氢气的产生增加了密闭和附近结构中燃烧(爆燃和爆炸)事件的风险。锆和蒸汽的反应最终导致福岛第一核电站发生氢气爆炸。

鉴于 福岛第一 严重事故发生后,核工业和美国能源部正在开发和评估Zircaloy以外的带有覆层的核燃料的优势,以最大程度地减少或完全避免福岛第一核电站发生的反应。这些新型覆层材料的目的是提供良好的高温材料性能,并防止或减少严重事故期间的氢气产生。除了新的包层材料,新的燃料材料(UO以外2)也正在考虑中。 行动计划 版本5.05中已添加了对新的包层和燃料材料进行建模的功能1,这样耐事故燃料(ATF)的开发人员就可以在严重事故期间评估其新材料的响应。在此技术公告中,仅针对SBO和带有AFW的SBO展示了用于PWR的SiC覆层材料的响应。但是,这些代码功能足够通用,可用于PWR和BWR的各种ATF材料。

2.型号说明

要对ATF材料特性和反应现象进行建模,用户可以指定以下特性:1)燃料,包层和包层氧化物的材料特性; 2)与氢的包层氧化和挥发反应2O,3)燃料和燃料包壳失效标准,以及4)燃料材料中裂变产物的释放速率。对于给定的ATF材料,包层,燃料和包层氧化物材料(由于与蒸汽/水反应而产生)需要以下特性:密度,比热,比内能和导热系数随温度的变化;以及熔化温度,熔化潜热,粘度,表面张力和分子量。用户可以定义氧化反应方程式和反应速率,以及挥发反应方程式和挥发速率。

对于本技术公告中介绍的示例案例,碳化硅(SiC)被用作替代包层材料。碳化硅的氧化和挥发数据可从[Tarrani2,2014]。 SiC和SiO的其他热物理性质可在公开文献中找到2。 SiC的氧化速率方程是抛物线形,导致氧化层的生长速率与氧化层的厚度成反比。另一方面,SiO的挥发速率方程 2 与氧化层厚度无关。在高压下,挥发速率大到足以挥发几乎在包层表面上形成的所有氧化物。在该代码中,直到氧化物层增长到用户指定的最小氧化物厚度,才抑制氧化物层的挥发。

3.采用SiC和Zr熔覆的PWR SBO结果,无任何缓解

为了说明从使用事故容忍性燃料材料中获得的潜在好处,分析了类似锡安的工厂(即具有大型干式安全壳的Westinghouse 4回路PWR RCS)的SBO方案。表1列出了采用Zircaloy包层和UO2燃料,带有SiC包层和UO2燃料且最小氧化物层为1μm以及带有SiC包层和UO2燃料且未挥发的PWR SBO关键时序的摘要。

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图1中比较了PWR站停电情况下Zircaloy和碳化硅版本的堆芯加热情况。堆芯发现后大约7577秒,最热节点的温度稳步上升,直到高度放热的锆氧化导致更快得多与介绍的两个SiC案例相比,Zircaloy覆层案例的数量有所增加。这导致明显的芯熔化和分解,使得在热腿蠕变破裂后开始注入蓄能器时,在11456秒时,冷却剂由于芯的几何形状降低而无法到达芯的内部。另一方面,与Zircaloy氧化反应相比,碳化硅氧化反应贡献的热量少得多。在使用碳化硅的过程中,磁芯温度保持较低的顺序,并且磁芯保持其原始几何形状。当在大约12,564秒的热腿蠕变破裂后开始进行蓄能器注入时,这可以使堆芯快速冷却。芯子中的所有冷却剂沸腾后,芯子再次加热并开始熔化。对于ATF材料,核心中的材料相互作用和共晶形成被禁用。当芯材移至下增压室时,SiC覆层外壳的运行终止。图1还显示了SiC覆层的最热芯节点温度,假设氧化硅(SiO2)。如果没有氧化硅挥发,则可以预测出较大的氧化物厚度和较小的包层氧化速率,从而导致铁心发热变慢。在该示例中,挥发的影响很小,因为用户输入的最小氧化物层厚度为1微米,大部分时间都抑制了挥发。一旦氧化物厚度达到1微米,由于挥发速率大于氧化速率,因此氧化物层不会生长。

图2和图3比较了Zircaloy覆层,SiC覆层和SiC覆层在没有挥发的情况下产生的核内总氢和一氧化碳。图2表明,与Zircaloy熔覆层相比,SiC熔覆层产生的氢气明显更少。

 CP图1.png
图1:PWR站停电的最热核心节点

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图2:PWR站停电产生的氢气总量

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图3:PWR站停电产生的一氧化碳总量

4. SiC和Zr包层以及涡轮驱动AFW 1小时的PWR SBO结果

在这种情况下,假定所有蒸汽发生器均可使用1个小时的涡轮驱动辅助给水(TD-AFW)。由于TD-AFW蒸汽发生器中的水更多,因此岩心的发现被延迟到了约17,390秒。 Zr熔覆层的热腿蠕变断裂发生在22,232秒,SiC熔覆层的热腿蠕变断裂发生在23,456秒。芯中最热节点的温度如图4所示。如图所示,SiC熔覆层与Zr熔覆层相比,最热的芯节点温度达到2500 K的时间延迟了约6,400秒。

 CP图4.png

图4:PWR站停电的最热核心节点,涡轮驱动辅助给水1小时

5.结论

在此技术公告中, 行动计划 可以模拟事故容忍性燃料材料。此处进行的分析说明了ATF材料对事故进程,产生的氢气总量和重大事件发生时间的影响。引入的新模型 行动计划 v5.05 可以使用 分析用于制造耐事故燃料的各种材料。

1 行动计划 v 5.05目前正在Beta测试中,预计将于2017年晚些时候发布

2 Kurt A.Terrani,Bruce A.Pint,Chad M.Parish,Chinthaka M.Silva,Lance L.Snead,Yutai Katoh,2014年,蒸汽在2 MPa以下的碳化硅氧化,《美国陶瓷学报》,第97卷, 2014年8月,第8期。

有关更多信息,请联系:Chan Young Paik,(630)887-5217, [email protected]  www.yqlife.cn

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话题: 核电厂 , 严重事故 , 行动计划 , 行动计划 5, 压水堆 , 核电 , 行动计划 4, EPRI , 福岛 , 电源 , 核电厂安全

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