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严重事故中滴滴涕的可能性

张贴者 The 福斯克Team 于01.05.16

By: 惠生·朗迪罗克 Senior Consulting Engineer, 福斯克& Associates, LLC

1.简介
在核严重事故中具有严重损害的氢爆炸不是假设事件。氢气爆炸的风险是真实的。自1979年3月在三英里岛2号机组(TMI-2)的安全壳中发生氢气爆炸以来,在概率安全评估(PSA)领域,确定氢气爆炸风险一直是人们关注的主要领域[5]。最近的证据是福岛第一核反应堆1号机组和3号机组反应堆建筑物发生爆炸[6]。有趣的是,单元3反应堆建筑物中的氢气爆炸与单元1中的爆炸非常不同。单元1中的爆炸是从反应堆建筑物的顶层水平引导的。爆炸炸毁了建筑物的屋顶和壁板,但混凝土柱完好无损。第3单元中的爆炸完全不同且充满活力。 (从录像带中)似乎至少发生了两次爆炸。第一个不太活跃,水平指向(类似于第一单元)。第二个是垂直指向的,几乎完美的球形火球出现在建筑物上方,并高高地射向天空。大块的材料似乎被火球抬高了。与第1单元相反,从图片中可以看到,建筑物顶层的混凝土柱受到了严重破坏。

在本文中,提出了一种新的方法来定量计算严重事故期间DDT(爆燃到爆轰过渡)形式的氢爆炸的可能性[1]。迄今为止,确定严重事故场景下滴滴涕的可能性已得到定性专家的意见。 Sherman和Berman [2]的方法给出了滴滴涕的可能性,它需要定性的工程判断,这可能是非常主观的。没有提议的定量方法来根据作者的知识来计算此类概率。所提出的方法使我们能够量化严重事故分析代码可以模拟的任何给定严重事故序列的DDT概率。不同的事故序列将具有不同的包层氧化特性,氢产生速率和氢释放速率,因此具有不同的滴滴涕发生概率。提议的DDT概率定义基于燃烧的物理学,并假设在TMI-2和福岛第一核电站事故中总是随时出现随机着火。 行动计划分析用于模拟事故序列并计算7λ标准。 行动计划分析的目的是确定事故过程中是否存在易燃或易爆条件的密闭大气条件。易燃气体的浓度在很大程度上取决于个别事故场景中可燃气体的产生与消耗之间的平衡。 7λ标准是经合组织/国家能源局委托的专家组提出的最新方法,该方法为目前的滴滴涕评估设定了标准[3]。可以在每个遏制节点中事故模拟的每个时间步骤上计算DDT条件。在此,DDT条件是指气体混合物,其成分符合火焰加速(FA)和爆炸单元尺寸的标准,允许DDT在隔室的特征长度内发展。在事故模拟中检测到DDT条件时,表示存在所有DDT必要条件。

2.滴滴涕可能性的拟议定义
提议的DDT概率定义基于可在严重事故代码中建模的燃烧物理学,并假设随机点火始终在任何时候都具有相等的机会。如果仅存在爆炸条件,即存在一个足够长的DDT时间窗口,则毫无疑问是否存在随机点火,将DDT发生的可能性简单地分配为1。如图1所示,如果在DDT窗口之前有向下可燃的非DDT窗口条件,则DDT概率简单地定义为DDT时间窗口与DDT窗口与向下可燃的非DDT窗口的组合时间之比(图2)。在DDT窗口之前向下燃烧的非DDT条件可能会消耗当时的可燃气体,并防止DDT随后发生。因此,先前的易燃非DDT条件会降低DDT窗口期间DDT的可能性。

N-16-01_The_Probability_of_DDT_During_Severe_Accidents.jpg图1. DDT概率的建议定义

发生滴滴涕时,应假定密闭性将发生灾难性故障。因此,DDT概率也是DDT无法遏制的概率。也就是说,根据我们提出的定义,在任何以“ i”表示的建筑节点中,DDT的概率为

              t滴滴涕 

P滴滴涕 =    —————

                   t滴滴涕  +tDF,我

 

哪里             t滴滴涕 =节点i在持续爆炸条件下的DDT时间窗
                          tDF,我 =节点i的爆燃时间窗口,其间连续向下 易燃条件                                         节点i在DDT窗口开始之前存在

DDT概率是根据可爆混合条件的时间比率计算的。没有关于可以点燃这些混合物的点火源的知识。但是,为了表示概率,仅假设在易燃或可爆期间有随机点火的可能性相同。由于DDT条件可以全局或局部发生,因此以上给出的定义可以应用于安全壳的全局或局部条件。但是,由于氢的局部释放和积累,DDT更有可能局部发生。

3.制氢的严重事故代码模拟, 分布与消费
所提出的DDT概率方法需要在严重事故期间获得局部和全局气体成分,反应堆安全壳压力和温度的信息。该信息可以通过使用严重事故代码(例如)模拟感兴趣的严重事故场景来提供 地图[4]。该信息将用于确定向下易燃时间窗口和DDT时间窗口。

严重事故分析的目的是确定安全壳内的大气条件以及在事故过程中是否存在易燃或易爆条件。易燃气体的浓度在很大程度上取决于个别事故场景中可燃气体的产生,消耗和运输之间的平衡。 行动计划代码可模拟堆芯熔化过程,并生成安全壳的氢源项。氢在安全壳中的分布将取决于细节以及安全壳如何在输入中划分为小隔间。对于消耗可燃气体的机制,模拟应尽可能逼真。可以在[1]中找到有关模型和假设的详细说明,这些模型和假设可以反映事故模拟中的燃烧现象的物理性质。

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图2:易燃极限[7]和PAR引起的着火极限[8]

4.滴滴涕评价方法
已经提出了两种评估滴滴涕的方法。 Sherman and Berman [2]的较旧方法将DDT的可能性分为五类,即DDT的可能性很高(p = 0.99),DDT的可能性很大(p = 0.9),DDT的发生可能性(p = 0.5),滴滴涕是可能的,但不太可能(p = 0.1),而滴滴涕的可能性极小或不可能(p = 0.01)。该方法根据爆炸室的宽度将可燃气体混合物分为五类。该方法还根据隔室的几何形状及其内部的障碍促进火焰加速的程度,将包含可燃混合物的隔室分为五个几何类别。大型但受限的几何形状在未燃烧气体膨胀的路径中具有障碍,被认为最有利于火焰加速。如果在上述路径上增加横向通风,则认为是阻碍火焰加速的功能。如果从路径中除去障碍物,则该几何图形被认为对DDT是中性的。几乎没有任何障碍的大体积和横向于火焰路径的大量排气被归类为不利于火焰加速的部分。最后但并非最不重要的一点是,完全不受限制的几何形状被归类为不利于火焰加速。根据分配给感兴趣条件的混合物类别和几何类别,分配了五个DDT概率类别之一。这种方法的问题和困难在于确定几何等级,这需要太多的定性工程判断。实际的工厂几何结构可能非常复杂,以至于不同人的主观判断可能导致各种各样的答案。

经合组织/核能机构委托的专家组提出了一种较新的方法。该小组发布了所谓的“核安全中的火焰加速和爆燃-爆轰过渡的最新报告(SOAR)”,该报告为目前的滴滴涕评估设定了标准[3]。 SOAR方法基于直到1999年的火焰加速(FA)和从爆燃过渡到爆轰过渡(DDT)的理论考虑和实验数据,大多数实验是从1993年到1999年进行的。重要的是要意识到,引爆单元宽度方法基于直到1980年代的文献与SOAR方法不同。 SOAR方法将σ准则用于火焰加速,将7λ准则用于DDT作为前提条件。 σ准则是衡量混合物反应性以促进火焰加速的指标。 σ是指膨胀率,其定义为未燃烧与已燃烧混合物的密度比。膨胀比必须大于发生火焰加速的临界膨胀比(σcritical)(这是DDT的前提)。尽管膨胀比代表混合物的反应性,但临界膨胀比被视为慢速火焰和快速加速火焰之间的边界。临界膨胀比是一个函数  温度。临界膨胀率随温度升高而降低。爆轰孔宽度(λ)是用于表征混合物对爆轰引发的敏感性的基本参数。 7λ标准是尺度对爆轰开始的影响的量度。在1990年代为支持SOAR报告而广泛进行的实验数据总体上表明,在很宽的标度和混合物组成上,它与7λ标准完全吻合。这两个标准都是滴滴涕发作的必要条件。达到或超过这些标准并不一定会导致滴滴涕。该标准仅是必要条件。该标准不是滴滴涕的充分条件。使用此方法量化DDT可能性与假设这些标准是DDT发作的充分条件相同。

5.例子
例如,拟议的定义适用于干容量较大的典型1000 MWe PWR中的严重事故。第一个示例假设在热停机期间发生堆芯冷却故障,这会导致堆芯熔化,容器故障和MCCI。产生了大量氢气,但密闭气氛因蒸汽而呈惰性。事故后期,在容器故障后很长一段时间,假定密闭喷雾致动通过蒸汽冷凝来降低密闭压力,并且最终腔体被喷雾水淹没。图3显示了在腔室被喷水淹没的情况下,蒸汽,H2,CO和O2的气体体积分数随时间变化的情况。图4显示了另一种情况,当腔体流动路径不允许喷雾水淹没腔体时,蒸汽,H2,CO和O2的气态体积分数。在两个图中还显示了每种情况下超过3天计算和监视的DDT概率。对于满腔情况,当H2体积分数增加到14%,而蒸汽体积分数(最初是高的)减少到15%时,DDT概率从零变为非零值。事故发生三天后,由于玄武混凝土中MCCI产生了大量可燃气体(主要是氢气),DDT概率增加到0.75。

但是,对于假定空腔没有被喷水淹没并在MCCI条件下保持干燥的情况,熔化的碎屑池在空腔内部仍然非常热。 MCCI驱动的熔融碎片池可通过气体起泡和熔融喷发过程生成热的“飞扬颗粒” [9]。假定这些热粒子会点燃空腔中形成的可燃气体混合物。此过程可能会继续 直到足够的氧气消耗到整个安全壳缺氧状态为止。结果,在整个事故序列中,DDT的概率保持为零(图4)。此示例表明,只要腔体流动路径的限制不至于使氧气流到外部,可通过MCCI过程本身的高温性质将可燃气体(由MCCI过程产生)的浓度控制在较低水平。其余部分的空腔。 MCCI熔融碎屑的燃烧模式不确定。在这项研究中假设的燃烧模式是多个热表面引起的爆燃。但是,也有可能以扩散火焰的形式在熔融碎屑上燃烧。在任何一种模式下,氢气都会被消耗,并且趋势将相同。

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图3:示例PWR中严重事故序列的DDT概率

由于后期安全壳喷雾致动而导致腔泛滥

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图4:示例PWR中严重事故序列的DDT概率为

后期遏制喷雾 启动但腔保持干燥

 

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图5:没有PAR的示例PWR中严重事故序列的DDT概率

 

作为另一个示例,建议的定义适用于同时具有较大干围的较大压水堆中的大型LOCA和SBO事故。事故导致型芯熔化,容器故障以及模腔中石灰石混凝土引起的MCCI。在这种情况下,会产生大量的CO和较少的H2。计算并监测DDT的概率3天。由于MCCI产生大量可燃气体,DDT概率峰值达到0.866(图5)。达到峰值0.886的时间与爆轰孔宽度超过2 m的时间相对应,这是在任何实验中都从未观察到DDT的尺寸[3]。在这项研究中,它被用作爆炸单元宽度的截止标准。在DDT概率从零上升到峰值的时间内,爆炸单元的宽度减小并增加,形成U形。爆炸室宽度的减小是由于可燃气体浓度的增加,而这种增加是由安全壳压力的增加引起的,安全壳压力在这段时间内增加了约0.8 bar,总压力为5.5 bar。

但是,如果假定该工厂配备了合理数量的PAR,且这些PAR与严重的事故考虑相称(例如,来自MCCI的可燃气体的产生率约为50千克摩尔/小时),则计算出的DDT概率为零(图6)。在此示例中,未将CO模拟为被PAR氧化为CO2。如果对CO氧化进行建模,则CO浓度将小于图6中所示的浓度,而H 2浓度将更高。

众所周知,在芯部熔化过程中,PARs的氢重组速度太慢而无法应付极快的锆合金-蒸汽反应速度(例如〜0.3 kg / s或更高)。第二个例子表明,PARs有潜力将MCCI过程中产生的可燃气体控制在不可能发生DDT的水平。 MCCI工艺产生的可燃气体的生成速度不太快,可以通过PAR的复合速率来应对。

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图6:没有PAR的示例PWR中严重事故序列的DDT概率

6.总结
  • 该方法是定量的和客观的,并且完全基于使用严重事故代码进行的事故场景模拟,该事故代码使用7λ方法尽可能机械地计算事故情况,以定量地计算DDT限值。
  • 该方法消除了过去实践中所需的主观和定性判断。
  • 计算出的概率是事故时间的函数,并且是事故序列的唯一特征。
  • 可以很容易地对不同事故场景下的DDT风险进行排名。

欲了解更多信息或进行讨论,请联系 Wison Luangdilok, [email protected] 630-887-8245. www.yqlife.cn 

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话题: 核电厂, 严重事故, 核安全, t, 电源 , 意外情况, 可燃气体, 氢爆炸

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