楊寒

【摘 要】堆芯再淹沒是超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下處理控制堆芯失效的重要手段。堆芯再淹沒過程中，主要考慮三個(gè)方面的物理化學(xué)現(xiàn)象——換熱、包殼的力學(xué)表現(xiàn)、鋯的氧化。

【關(guān)鍵詞】超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)；堆芯再淹沒；高溫

0 引言

超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下堆芯再淹沒的傳熱機(jī)理

總體上，描述堆芯再淹沒淬冷的傳熱有兩個(gè)方面：（1）固體燃料棒內(nèi)部的導(dǎo)熱以及（2）燃料棒和周圍兩相流的對(duì)流換熱問題。而第二個(gè)方面更為重要。

在堆芯再淹沒的過程中，燃料棒會(huì)經(jīng)過不同的冷卻工況，其流動(dòng)沸騰的流型和傳熱工況不同。雖然燃料棒的溫度很高，熱流密度大，但同樣可以發(fā)生泡核沸騰。由于產(chǎn)生的汽泡數(shù)量很大，進(jìn)而在包殼外表面附近形成蒸汽片或蒸汽柱。當(dāng)汽泡產(chǎn)生的頻率高到在汽泡脫離壁面之前就形成了蒸汽膜覆蓋在壁面上，使液體不能接觸壁面，出現(xiàn)反環(huán)狀流，相應(yīng)的傳熱工況為模態(tài)沸騰。膜態(tài)沸騰之后，上部的燃料棒包殼會(huì)被夾雜著液滴的蒸汽流冷卻，最頂部的燃料棒則會(huì)被蒸汽冷卻。

燃料棒的指定位置則會(huì)隨時(shí)間先后經(jīng)歷以下的傳熱工況：當(dāng)再淹沒開始后，燃料棒包殼先會(huì)被上游沸騰產(chǎn)生的蒸汽所冷卻，該過程幾乎和再淹沒啟動(dòng)同步，隨著時(shí)間的推移會(huì)被夾雜液滴的蒸汽流（滴狀流）冷卻，當(dāng)淬冷發(fā)生時(shí)，會(huì)由反環(huán)狀膜態(tài)沸騰過渡為泡核沸騰，最后被逐漸冷卻到該壓力下的飽和溫度。

1 燃料棒包殼的物理化學(xué)表現(xiàn)

1000℃左右時(shí)，包殼開始受熱腫脹；200℃時(shí)由于力學(xué)性質(zhì)的變化產(chǎn)生裂痕、穿孔，有明顯損傷；1200℃包殼材料開始氧化，產(chǎn)生氫氣和額外的熱量；1500℃左右開始會(huì)有B4C-Fe，F(xiàn)e-Zr的共熔物產(chǎn)生；2000℃左右包殼材料Zr開始熔化；3000℃左右ZrO2和UO2開始熔化。

2 包殼材料的氧化及氫氣的產(chǎn)生

在1200℃開始會(huì)有明顯的Zr+2H2O=ZrO2+2H2的反應(yīng)，消耗包殼材料，生成氫氣，并產(chǎn)生大量的熱量，使事故情況惡化。生成的氫氣量如果超過了安全范圍，可能會(huì)引起氫爆，造成更大的事故后果。在由空氣進(jìn)入的情況下，會(huì)發(fā)生Zr+O2=ZrO2的反應(yīng)，消耗單位質(zhì)量的Zr會(huì)產(chǎn)生比Zr-H2O反應(yīng)更大的熱量，使溫度上升速率增加。

3 國外超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故再淹沒實(shí)驗(yàn)研究

3.1 CODEX實(shí)驗(yàn)

CODEX實(shí)驗(yàn)設(shè)施是1995年由KFKI原子能研究院建立的堆外實(shí)驗(yàn)設(shè)施，用以調(diào)查研究堆芯退化的某些特定的影響因素，進(jìn)而利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來建立和改進(jìn)數(shù)學(xué)模型。CODEX實(shí)驗(yàn)包含了VVER和PWR的模型實(shí)驗(yàn)。VVER和PWR的燃料棒分別為7個(gè)和9個(gè)，利用鎢進(jìn)行電加熱模擬堆芯放熱，中心燃料棒不加熱用來進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。燃料棒加熱全長為600mm，包殼材料為Zr1%Nb（VVER）合金，以及Zircaloy（PWR）。環(huán)形UO2材料包裹著中心的鎢發(fā)熱元件。

CODEX的主要實(shí)驗(yàn)有7個(gè)，分別具有不同的側(cè)重點(diǎn)和研究目的：

CODEX-1再淹沒總體性的實(shí)驗(yàn)研究；

CODEX-2溫度的增加以及緩慢的冷卻過程，氣冷；

CODEX-3/11150℃啟動(dòng)的底部水冷再淹沒；

CODEX-3/21500℃啟動(dòng)的底部水冷再淹沒；

CODEX-AIT-1再淹沒啟動(dòng)前空氣進(jìn)入的再淹沒實(shí)驗(yàn)；

CODEX-AIT-2再淹沒啟動(dòng)前蒸汽和空氣進(jìn)入的再淹沒實(shí)驗(yàn)；

CODEX-B4C燃料棒的退化失效。

部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)過程中，燃料棒的溫度隨著高度的增加而上升，再淹沒前溫度增加，再淹沒啟動(dòng)后溫度下降。燃料棒頂部部分熔化，底部相對(duì)完整性更好

包殼峰值溫度低于1200℃的再淹沒過程中，基本沒有氫氣的生成，也沒有明顯的溫度增長。這于Zr-H2O反應(yīng)的理論機(jī)理相吻合。

預(yù)氧化形成的表面ZrO對(duì)包殼有一定程度的保護(hù)作用，防止在高溫下強(qiáng)烈Zr-H2O反應(yīng)的發(fā)生，產(chǎn)生大量的H2和釋放熱量。

再淹沒前有空氣進(jìn)入的預(yù)氧化中，有明顯的溫度驟升，燃料棒有氧化嚴(yán)重，并有氮化物ZrN生成，燃料棒結(jié)構(gòu)受影響嚴(yán)重，甚至可能熔化脫落。

控制棒碳化硼B(yǎng)4C熔點(diǎn)更低，是事故中最先熔化的部分，并且會(huì)產(chǎn)生CO，CO2，CH4等氣體。

3.2 PARAMETER-SF實(shí)驗(yàn)

NPO“LUTCH”，Podolsk，Russia的PARAMETER實(shí)驗(yàn)設(shè)施是用來研究VVER燃料裝配在模擬條件下的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、以及嚴(yán)重事故中的表現(xiàn)。PARAMETER實(shí)驗(yàn)燃料棒束由19個(gè)燃料棒模型構(gòu)成。其中18個(gè)加熱的燃料棒長度3.12m，加熱長度為1275mm，不加熱的中心燃料棒2.92m。采用電加熱的方式模擬堆芯放熱，將直徑4mm的鎢加熱元件放在燃料棒的中心，并用內(nèi)徑4.2mm的環(huán)狀UO2包圍。燃料包殼材料和VVER中相同，采用外直徑為9.13mm的Zr1%Nb合金，厚度為0.7mm。燃料棒中充滿氦氣，用來檢測(cè)包殼失效。模擬堆芯中還有其他用于測(cè)量溫度，壓力，流量等重要參數(shù)的設(shè)施。

PARAMETER的實(shí)驗(yàn)步驟主要為4部，不同的實(shí)驗(yàn)有局部差別：

1）加熱（準(zhǔn)備）階段，把燃料棒穩(wěn)步的加熱到預(yù)定的溫度，并使燃料棒溫度分布均勻；

2）預(yù)氧化階段，在Ar-蒸汽的混合氣流下，于指定溫度下進(jìn)行包殼的預(yù)氧化；

3）瞬變加熱階段，加熱燃料棒到再淹沒前的預(yù)定溫度；

4）再淹沒階段，再淹沒開始，直到實(shí)驗(yàn)終止。

PARAMETER實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙还策M(jìn)行4次，分別為PARAMETER-SF1，SF2，SF3，SF4。各實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)施過程手段以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有所不同。其中主要的時(shí)再淹沒手段的不同，SF1和SF3是頂部再淹沒實(shí)驗(yàn)、SF2是底部和頂部結(jié)合再淹沒實(shí)驗(yàn)、SF4是底部再淹沒實(shí)驗(yàn)。此外，PARAMETER-SF4實(shí)驗(yàn)中還研究了再淹沒前空氣泄入對(duì)堆芯現(xiàn)象的影響。

部分實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

由于再淹沒前有空氣進(jìn)入，Zr-O2反應(yīng)放出大量的熱量，使得中部甚至底部加熱位置的燃料棒的溫度也迅速增長到接近包殼峰值溫度，這于其他沒有空氣進(jìn)入的再淹沒實(shí)驗(yàn)不同。這是因?yàn)轭A(yù)氧化階段產(chǎn)生的ZrO2層不足以防止空氣進(jìn)入時(shí)Zr-O2的進(jìn)行，從而釋放出大量熱量，使溫度驟升。

頂部再淹沒過程需要的時(shí)間比底部再淹沒時(shí)間要短，但是驟冷前沿的變現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)非線性的震蕩顯現(xiàn)，這可能是由于逆流現(xiàn)象（counter-current flooding limitation）造成的；

由于格柵的存在會(huì)使驟冷前沿的前進(jìn)受到一定程度影響，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)模擬暫時(shí)沒有具體的修正。

3.3 QUENCH實(shí)驗(yàn)

QUENCH實(shí)驗(yàn)是由德國卡爾斯魯厄研究中心進(jìn)行的，以研究輕水堆裸露堆芯再淹沒過程中堆芯退化和氫氣產(chǎn)生情況為目的的試驗(yàn)。試驗(yàn)段包含21根試驗(yàn)棒束。棒外徑為10.75mm，棒間距為14.3mm，其中20跟加熱，一根不加熱，加熱棒的長度為2480mm，不加熱的長度為2842mm。試驗(yàn)中用鎢絲加熱器加熱，加熱器長1024mm，直徑為6mm。加熱棒包殼和定位格架材料都為鋯合金，環(huán)形芯塊為ZrO，而不是UO2。

QUENCH到目前進(jìn)行了16組實(shí)驗(yàn)，從QUENCH-01到QUEHCH-16，在研究堆芯損壞失效和氫氣產(chǎn)生的同時(shí)，又有不同的實(shí)驗(yàn)條件和研究目的。其中，QUENCH-02和-03研究了在高溫條件（接近2500K）下的現(xiàn)象；

QUENCH-07和-09研究了B4C、不銹鋼和Zircaloy-5共融物導(dǎo)致熔點(diǎn)下降；

QUENCH-07、-08、-09在低再淹沒流量下進(jìn)行；

QUENCH-09研究了蒸汽缺失；

QUENCH-10研究了空氣泄入；

QUENCH-16研究了空氣泄入導(dǎo)致氮化物的形成；

QUENCH-12、-14、-15利用先進(jìn)堆芯材料（ACM）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為E110，M5，Zirlo。

部分實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

利用不同的先進(jìn)堆芯材料進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同的材料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有明顯的影響；

高溫、低再淹沒水質(zhì)量流量、預(yù)氧化階段蒸汽缺失預(yù)氧化不足（ZrO2保護(hù)層不完整）都會(huì)使再淹沒階段生成更多的氫氣。

4 現(xiàn)階段超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下堆芯再淹沒實(shí)驗(yàn)存在的問題：

高溫條件下，測(cè)溫元件失效使得溫度測(cè)量精確度下降；

包殼結(jié)構(gòu)變化不能通過有效手段實(shí)時(shí)的檢測(cè)，只能在實(shí)驗(yàn)過程中抽取燃料棒觀察以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后觀察；

包殼氧化厚度，特別是不同位置氧化程度不能有效的實(shí)時(shí)觀測(cè)，只能通過生成的氫氣質(zhì)量來計(jì)算氧化厚度，計(jì)算結(jié)果只具有普片性，不具有特定性；

現(xiàn)階段數(shù)據(jù)模擬在大多數(shù)情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，但有細(xì)節(jié)方面需要更深入的研究和建模，比如控制格柵對(duì)兩相流流動(dòng)的影響和逆流現(xiàn)象對(duì)頂部再淹沒的影響。

[責(zé)任編輯：王偉平]