薛　偉，李　穎，佟立麗，陳　松，潘　楠

大空間內(nèi)混合氣體遷移及外部冷卻影響試驗研究

薛偉1，李穎1，佟立麗1，陳松2，潘楠2

（1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240；2. 上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233）

核電廠嚴(yán)重事故條件下，外部冷卻對安全殼內(nèi)混合氣體行為的影響可能帶來額外的氫氣風(fēng)險。本文對大空間內(nèi)混合氣體遷移行為及外部冷卻的影響進(jìn)行了試驗研究。試驗中采用氦氣來替代氫氣，試驗開始階段將一定體積份額的水蒸氣和氦氣混合物注入試驗容器?；旌蠚怏w在初始動量的作用下，向容器上部空間遷移，在空間內(nèi)形成上部氦氣體積濃度高、中下部氦氣體積濃度低的分層現(xiàn)象。當(dāng)混合噴放停止一段時間后開啟外部冷卻系統(tǒng)，由于外部冷卻帶走熱量使得空間內(nèi)蒸汽產(chǎn)生冷凝，隨著系統(tǒng)溫度和壓力的下降，氦氣體積濃度呈現(xiàn)快速上升的趨勢。結(jié)果表明，外部冷卻增強(qiáng)了對流換熱，使得容器內(nèi)溫度更加均勻，但蒸汽冷凝引起氦氣體積濃度大幅升高。

氫氣風(fēng)險；外部冷卻；蒸汽冷凝；氣體遷移

氫氣安全是核工業(yè)界一直關(guān)注的重點研究問題，國際各大研究機(jī)構(gòu)針對嚴(yán)重事故條件下的氫氣遷移行為研究開展廣泛研究，如TOSQAN[1]、THAI[2]和MISTRA[3]等。福島核事故后，國家核安全局對嚴(yán)重事故下氫氣安全問題提出了更高的要求[4]。嚴(yán)重事故緩解措施對氫氣分布的影響研究值得進(jìn)一步關(guān)注。

外部冷卻是緩解事故后果和保持安全殼完整的有效方法之一[5]，其主要特點是來自高位水箱的水噴淋在鋼制安全殼外壁面形成水膜冷卻，安全殼內(nèi)壁面發(fā)生蒸汽冷凝。Erkan等在PANDA裝置中進(jìn)行了安全殼內(nèi)部噴淋試驗，分析了安全殼內(nèi)部噴淋對系統(tǒng)減壓、氦氣層破裂的影響。實驗結(jié)果表明內(nèi)部噴淋對混合安全殼內(nèi)氣體環(huán)境和降低安全殼整體壓力非常有效[6]。德國GRS基于已退役的核電廠安全殼建立了HDR試驗裝置，試驗針對較高和較低位置的破口事故進(jìn)行了模擬。試驗結(jié)果表明在自然對流驅(qū)動力作用下，整個安全殼內(nèi)熱分層現(xiàn)象并不嚴(yán)重，在對安全殼進(jìn)行外部噴淋后可以減弱熱分層現(xiàn)象[7,8]。LI[9]等對外部冷卻對安全殼大空間內(nèi)混合氣體流動的影響進(jìn)行了初步研究。國內(nèi)研究方面：蔡駿馳[10]進(jìn)行了大空間內(nèi)熱空氣混合與熱分層試驗研究，開展了安全殼外包裹保溫層與空氣自然對流冷卻條件的影響試驗。蘇曉煒[11]通過可視化試驗臺架模擬破口噴射引起的安全殼內(nèi)的混合對流傳熱現(xiàn)象，將可視化裝置置于恒溫水中模擬外部冷卻條件。王曄云[12]以蒸汽為試驗介質(zhì)，開展了安全殼內(nèi)熱分層現(xiàn)象和安全殼殼壁傳熱的影響試驗。然而，由于噴射溫度不高，蒸汽進(jìn)入安全殼內(nèi)后被快速冷卻，影響了試驗結(jié)果?？梢钥闯觯瑖鴥?nèi)對大空間混合氣體行為研究尚不深入，采用的試驗介質(zhì)及冷卻方式與實際相差較大，特別是難以分析蒸汽冷凝和外部冷卻對混合和熱分層現(xiàn)象的影響。同時，試驗初始噴射溫度偏低，沒有考慮氫氣影響，試驗測點偏少，不能有效反映嚴(yán)重事故下實際安全殼大空間內(nèi)的混合氣體特性。

本論文采用實驗手段，開展了嚴(yán)重事故工況下混合氣體在大空間內(nèi)的噴放和遷移行為，以及外部冷卻對氦氣分布影響特性的研究。

1　試驗條件

試驗裝置本體為一個鋼制壓力容器，該容器按1:10的幾何比例縮放CAP1400的設(shè)計。容器的穹頂上方設(shè)有冷卻水源和水分布器，容器周圍有一個鋼制圓筒，從而形成一個冷卻環(huán)腔。容器內(nèi)部共設(shè)有80個溫度測點，50個濃度測點，3個壓力測點。試驗裝置和測點位置具體見文獻(xiàn)[9]。

本文試驗?zāi)M了噴口處蒸汽氫氣共同注入的假想嚴(yán)重事故工況條件[13]。通過預(yù)處理獲得試驗初始?xì)怏w成分、體積濃度、壓力和溫度條件。首先，注入純蒸汽以加熱整個容器；然后通過熱空氣吹掃蒸汽直到蒸汽體積濃度達(dá)到一定份額，將容器減壓至常壓；最后，將容器靜置一段時間使氣體穩(wěn)定。試驗工況初始參數(shù)如表1所示。

表1　試驗主要參數(shù)

試驗過程分為三個階段：第一階段，以4 g/s的質(zhì)量流量注入蒸汽，以0.5 g/s的質(zhì)量流量注入氦氣，共注入2 400 s，此階段，氦氣預(yù)計會遷移至容器上部并形成分層。第二階段，將試驗容器靜置5 200 s，以達(dá)到穩(wěn)定的氣體分層狀態(tài)。第三階段，以流量為2 m3/h的冷卻水進(jìn)行外部冷卻，持續(xù)3 600 s。

2　試驗結(jié)果與討論

2.1　熱工水力現(xiàn)象

容器內(nèi)溫度變化如圖1所示，在第一階段開始時，容器內(nèi)有6 ℃左右的溫度梯度。在第一階段開始時，由于氦氣和蒸汽注入，溫度稍有上升，然后緩慢下降。在第二階段，由于停止注入，溫度下降明顯，但始終高于飽和溫度。

圖1　容器中心線溫度瞬變

當(dāng)外部冷卻從7 600 s開始時，內(nèi)部氣體溫度并沒有立即迅速下降，而是略有滯后。這種滯后可以用外部冷卻的過程來解釋。噴淋到穹頂?shù)睦鋮s水沿外壁面形成下落液膜。因此，穹頂和壁面由于其較大的熱容量而形成第一個熱沉，從而引起內(nèi)部氣體溫度響應(yīng)的滯后。溫度在3 600 s內(nèi)迅速下降了40 ℃左右，溫度分層被外部冷卻引起的對流和換熱打破，整體上空間內(nèi)的溫度趨于均勻。在第三階段的前600 s，容器內(nèi)部中心線處溫度梯度迅速下降，位于容器上部的IN0201（內(nèi)部第二層第一列測點）、IN0501的降溫速度遠(yuǎn)快于IN0801。說明在外部冷卻的情況下，由于冷卻水的流動方式，容器上部的蒸汽冷凝現(xiàn)象更加劇烈。

容器中部壓力結(jié)果如圖2所示，初始壓力約為100 kPa（a），隨著注入的開始，壓力升高，第一階段結(jié)束時達(dá)到140 kPa（a）左右。第二階段，容器處于靜置階段，壓力相對穩(wěn)定。第三階段，由于外部冷卻的投入，容器內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的蒸汽冷凝。3 600 s內(nèi)容器的壓力降低了40 kPa（a），由于降壓機(jī)理主要為蒸汽冷凝，容器內(nèi)的蒸汽濃度是決定壓力瞬變的重要因素。在第三階段結(jié)束時，容器內(nèi)壓力在100 kPa（a）左右。

圖2　容器中部壓力瞬變

2.2　混合氣體體積濃度

通過氣體濃度測量系統(tǒng)研究了外部冷卻對容器內(nèi)氣體分布的影響，容器第一列相對氦氣和蒸汽的體積濃度如圖3和圖4所示。在注入階段，由于容器上部氦氣體積濃度增長速率更高，容器內(nèi)建立起了上部氦氣體積濃度較高，中下部氦氣體積濃度較低，水蒸氣體積濃度整體相對均勻分布。從圖3中可以看出，容器上部富氦區(qū)中氦氣體積濃度約為16%，氦氣濃度梯度主要分為三層，上部（＞4.5 m）、中部（1.5 m＜＜4.5 m）和噴口以下區(qū)域（＜1.5 m）。氦氣分層對蒸汽體積濃度影響較小。

在靜置過程中，由于氦氣體積濃度擴(kuò)散的影響，容器上部和中部的氦氣體積濃度緩慢降低，而容器噴口以下區(qū)域的氦氣體積濃度相應(yīng)上升，豎直方向的濃度梯度略有降低。隨著外部冷卻開始，在外部冷卻的作用下，容器內(nèi)的蒸汽冷凝，蒸汽體積濃度迅速降低，而氦氣體積濃度受蒸汽體積濃度變化影響而整體升高。為了更好地顯示混合氣體的遷移行為，利用相對氦氣體積濃度等高線圖來顯示氦氣在容器空間的遷移過程，如圖5所示。

圖3　01列相對氦氣體積濃度

圖4　01列相對水蒸氣體積濃度

第一階段，在動量和浮力的作用下，氦氣在容器上部積聚。蒸汽體積濃度較均勻，自上而下濃度梯度較小。在=1 000 s，也就是注入的早期，可以觀察到氦氣在容器的上部積聚并沿壁向下擴(kuò)散，如圖5（a）所示。擴(kuò)散發(fā)生在容器上部的富氦層（4.5 m＜），而噴口下部氦氣體積濃度較低。當(dāng)2 400 s注入結(jié)束時，形成了明顯的氦氣濃度分層，如圖5（b）所示。容器中部有明顯的分層邊界（≈4.5 m）。

圖5　不同時刻相對氦氣體積濃度等高線

第三階段，外部冷卻措施投入之后，由于冷卻水溫度較低，其在容器外壁通過對流換熱和蒸發(fā)不停地導(dǎo)出熱量，使得容器內(nèi)壁溫度低于容器內(nèi)水蒸氣的飽和溫度。水蒸氣在內(nèi)壁發(fā)生冷凝，容器內(nèi)溫度、壓力持續(xù)下降，由于冷凝的發(fā)生水蒸氣體積濃度降低，而氦氣體積濃度則相應(yīng)的升高，如圖5（d）～圖5（e）所示。當(dāng)=9 000 s，即外部冷卻開始后1 400 s，上部氦氣體積濃度增加到20%，中下部氦氣體積濃度趨于均勻，也呈現(xiàn)上升趨勢。

3　結(jié)論

本文開展了大空間內(nèi)混合氣體遷移行為及外部冷卻影響的實驗研究。將氦氣和蒸汽的混合氣體注入一定初始條件的大型試驗容器中，模擬事故情景下蒸汽和氫氣的排放。得到如下研究結(jié)論：

（1） 混合氣體在初始動量的作用下，向容器上部空間遷移，在空間內(nèi)形成上部氦氣體積濃度高、中下部氦氣體積濃度低的分層現(xiàn)象。

（2） 外部冷卻可以有效地降低安全殼內(nèi)的壓力，增強(qiáng)對流換熱，但蒸汽冷凝引起氫氣體積濃度整體大幅升高，可能會增加安全殼內(nèi)的氫氣風(fēng)險。

致謝

本項工作得到了國家科技重大專項（2017ZX06002003-002-002），國家自然科學(xué)基金（11675104）的資助。

［1］ MALET J，PORCHERON E，VENDEL J．OECD international standard problem ISP-47 on containment thermal-hydraulics conclusions of the TOSQAN part［J］．Nuclear Engineering and Design，2010，240：3209-3220．

［2］ GUPTA S，SCHMIDT E，LAUFENBERG B，et al．THAI test facility for experimental research on hydrogen and fission product behaviour in light water reactor containments［J］．Nuclear Engineering and Design，2015，294：183-201．

［3］ STUDER E，MAGNAUD J P，DABBENE，F(xiàn)，et al．International standard problem on containment thermal- hydraulics ISP47 Step 1-Results from the MISTRA exercise［J］．Nuclear Engineering and Design，2007，237，536-551．

［4］ 國家核安全局．福島核事故后核電廠改進(jìn)行動通用技術(shù)要求（試行）［S/OL］．2012［2020-06-30］．http://www. nea.gov.cn/2012-06/19/c_131660225.htm．

［5］ LEE S W，BAEK W P，et al．Assessment of passive containment cooling concepts for advanced pressurized water reactors［J］．Annals of Nuclear Energy，1997，24．6：467-475．

［6］ ERKAN N，MIGNOT G，PALADINO D，et al．Spray Tests in PANDA to Study Accident Mitigation in PWR Containments［C］．Proceedings of the International Conference Nuclear Energy for New Europe，2009．

［7］ WOLF L，MUN K，F(xiàn)LOYD J．HDR hydrogen mixing evaluation for containment safety evaluations-Phase 1［R］，F(xiàn)inal Report for DOE-Project，Order Number：DE-AP07-951 D81401，University of Maryland at College Park，1995．

［8］ WOLF L，GAVRILAS M，MUN K．Overview of experimental results for long-term，large-scale natural circulations in LWR-containments after large LOCAS［R］，F(xiàn)inal Report for DOE-Project，Order Number：DE-AP07-961 D10765．University of Maryland at College Park，1996．

［9］ LI Ying，XUE Wei，CAO Xuewu，et al．Experimental investigation on gas mixing and stratification in containment influenced by external cooling［C］．28th International Conference on Nuclear Engineering，2020．

［10］蔡駿馳．大空間內(nèi)混合與熱分層試驗研究［D］．華北電力大學(xué)，2015．

［11］蘇曉煒．大空間內(nèi)流體混合與分層現(xiàn)象的模擬實驗及模型計算［D］．華北電力大學(xué)（北京），2016．

［12］王曄云．小型堆非能動安全殼冷卻系統(tǒng)傳熱特性實驗研究［D］．華北電力大學(xué)（北京），2017．

［13］李京喜，佟立麗，曹學(xué)武．AP1000嚴(yán)重事故下的氫氣源項及消氫措施分析［J］．科技導(dǎo)報，2012，30（21）：30-33．

Experimental Research on Transport of Mixed Gas in Large Space and Influence of External Cooling

XUE Wei1，LI Ying1，TONG Lili1，CHEN Song2，PAN Nan2

（1. School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2. Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Insitute Co.，Ltd．Shanghai 200233，China）

Under severe accident conditions in nuclear power plants，the influence of external cooling on the behavior of mixed gas in the containment may bring additional hydrogen risks．This paper conducts an experimental study on the transport behavior of mixed gas in a large space and the influence of external cooling．In the test，helium is used to replace hydrogen，and a certain volume fraction of steam and helium mixture is injected into the test vessel at the beginning．Under the effect of the initial momentum，the mixed gas transports to the upper space of the large space，resulting in the stratification of high helium volume concentration in the upper part and low helium volume concentration in the middle and lower parts．When the mixed gas injection stops，the external cooling system is opened after standing for a period of time．With the heat removal by the external cooling system，the steam in the space is condensed．As the decrease of the system temperature and pressure，the helium volume concentration increases rapidly．The results show that the external cooling enhances convective heat transfer，makes the temperature in the space more uniform，but the helium concentration increases greatly due to steam condensation．

Hydrogen risk；External cooling；Steam condensation；Gas transport

TL364

A

0258-0918（2021）06-0657-05

2020-08-14

國家科技重大專項（2017ZX06002003-002-002），國家自然科學(xué)基金（11675104）

薛偉（1995—），男，河北館陶縣人，碩士研究生，現(xiàn)主要從事核設(shè)施退役方面研究