浅谈反应堆堆芯熔融物与冷却剂的反应

表 1 FCI 模拟计算软件一览表
序号
软件名称
开发机构
所属国家
1
MC3D
IRSN
法国
2
JASMINE
JAERI
日本
3
VESUVIUS
NUPEC
日本
4
MATTINA
FZK
德国
5
IKEMIX(premixing)
IKE
德国
IDEMO(explosion)
6 PM-ALPHA(premixing)
UCSB
系 统 外 作 为 扳 机 引 入 的 事 件 有 ： （1） 持 续 的 压 力 脉 冲 ； （2） 高 压 气 囊 的 突 然 破 裂 ； （3） 小 规 模 的化学爆炸。
在 FCI 实验时，为了保守起见和研究需要， 通常引入一个扳机以触发爆炸。 2.3传播（propagation）
扳机事件发生后，冲击波迅速向周围传播， 使得熔融物颗粒表面蒸汽膜相互碰撞、破裂，颗 粒与水又发生直接接触， 在水力和热力作用下 进一步分裂成更加细小的颗粒。 传播速度与前 期 混 合 的 情 况 有 关 ，能 加 速 到 超 音 速 ；在 Al2O3/ 水实验系统中，曾测量到高达 1000m/s 的传播速 度。
图 1 铝-水蒸汽爆炸事故统计
图 2 堆芯熔融物进入水中可能的分裂模式
同样， 在核工业也存在发生蒸汽爆炸的安 全问题。 在反应堆发生严重事故时，如果熔化的 燃料元件和其它堆芯熔融物与冷却剂发生接 触， 就会产生激烈的传热和随之而来的冷却剂 汽化现象，并可能导致蒸汽爆炸。 这种现象称作 FCI（Molten Fuel-Coolant Interaction）。
图 3 反应堆中的两种 FCI 模式
这两种模式的 FCI 后果产生影响也是不同 一样的。 对于压力容器内 FCI，如果堆芯熔融物 掉到下封头时被迅速冷却， 就会在下封头形成 保护层， 在一定程度上能防止随后掉下来的高 温物质熔穿下封头， 比如三里岛事故就是这种 情况；如果发生了蒸汽爆炸，则可能产生如下后 果：（1） 压力容器下封头失效，（2） 一回路损坏 （包括管道和蒸汽发生器）。 对于堆坑 FCI，如果 堆芯熔融物被迅速冷却了， 则可缓解严重事故 的后果；如果发生蒸汽爆炸，则可能导致安全壳 失效和放射性向环境释放。 爆炸产生的碎片的 飞溅和散落，会造成放射性污染的扩散，并会对 安全壳内的空气进行加热增加安全壳内的热量 和压力。 另外，FCI 过程中还会产生氢气，在氢爆 分析中也应考虑到。
根据研究目的， 这些试验设施大概可以分 成三类：
（1）使 用 替 代 材 料 做 机 理 性 研 究 的 小 型 试 验设施或装置。 典型的试验做法就是用一滴替 代物（比如氧化铝）的液滴来模拟和研究 FCI 过 程。 这类试验设施比较多，在表 2 中没有一一列 举 ， 包 括 美 国 的 MAGICO 和 SIGMA， 日 本 的 ALPHA， 韩 国 的 CONVEX， 瑞 典 的 MIRA， 法 国 的 MICRONIS 和 TREPAM 等等。
由 于 目 前 对 FCI 的 有 些 过 程 还 不 了 解 ，存 在一些分歧， 所以这些 FCI 模拟计算软件采用 的数学模型和经验参数也不尽相同， 主要包括 以下方面：
（1）前 期 混 合 阶 段 对 堆 芯 熔 融 物 流 体 的 描 述方法不一样。 前期混合阶段堆芯熔融物流体 可能存在 5 种结构形式：连续相态、不连续的熔 融大颗粒、由大液滴脱落产生的不连续微粒、不 连续的已冷却大颗粒和碎片床。 对这些结构进 行确切的描述是非常困难的， 现实的做法是对 它们进行简化。 对于怎样简化和采用什么方法 （拉格朗日方法或欧拉方法）描述不尽相同。
美国
ESPROSE(explosion)
7
IFCI
NRC
美国
8
TEXAS
Univ. of Wisconsin 美国
9
VAPEX
EREC
俄罗斯
10
TRACER
KMU
韩国
5 FCI 试验设施
为了获取 FCI 的试验数据， 给理论研究和 软件开发提供支持， 不少核电国家建立了 FCI 的试验设施。 一些主要的 FCI 试验设施及其研 究内容见表 2“主要 FCI 试验设施一览表”。
在这个过程中， 熔融物颗粒的热能不断地 传到水中。 2.4膨胀（expansion）
在这个阶段， 水中的热能转化成周围构件 的机械能。 传播中产生的压力瞬间释放，会直接 损坏周围构件；或者压力的释放产生水弹，水弹 将动能传给周围构件，造成构件的损坏。
3 反应堆 FCI 事故的后果
在严重事故情况下， 堆芯熔融物掉到冷却 剂水中，要么被迅速冷却发生淬火现象（quenching），要么发生蒸汽爆炸。 对于前者，是趋于安全的
浅谈反应堆堆芯熔融物与冷却剂的反应（FCI）
总体所 黄伟峰
摘要
本文介绍了反应堆堆芯熔融物与冷却剂反应（FCI）的各个过程、可 能 产 生 的 后 果 ，以 及 FCI 的 模 拟 计 算 软 件 和 试 验设施等情况。
关键词：FCI 蒸汽爆炸 堆芯熔融物 分裂 触发 模拟计算软件 试验设施
1前言
射性释放， 因此核电发达国家对 FCI 的研究非 常重视，也取得了一些成果。
由于 FCI 产生的蒸汽爆炸会直接威胁到压 力容器和安全壳的完整性， 可能导致大量的放
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在堆芯熔融物掉到冷却剂水的过程中，由 于水力作用使得粘连在一块的堆芯熔融物发生 分裂。 开始是分裂成厘米级的颗粒，然后又不断 分裂成更小的毫米级的颗粒， 直至达到临界大 小。 在这个临界大小中，使颗粒分裂的力和使颗 粒结合的力达到了平衡。 图 2 表示堆芯熔融物 在前期混合阶段可能的分裂模式。
（6）在爆炸阶段，对于微分裂（fine fragmentation） 过 程 采 用 的 分 析 模 型 不 一 样 ， 大 部 分 采 用 水力 微 分 裂 模 型 （hydrodynamic fragmentation）, 小 部 分 采 用 热 力 微 分 裂 模 型 （thermal fragmentation）， 也有的直接采用定义好的参 数 式。
（2）前 期 混 合 阶 段 对 冷 却 剂 流 体 以 及 其 与 不连续颗粒之间的相互作用的描述不一样。 现 在这些软件均将冷却剂流体分成 3 种结构形 式：泡状流（bubbly flow）、过渡流（transition flow） 和滴状流 （droplet flow）。 假定 α 为相对空泡份 额 ，当 α<αB 时 ，冷 却 剂 流 为 泡 状 流 ，颗 粒 与 水 接 触 ；当 α>αD 时 ，冷 却 剂 流 为 滴 状 流 ，颗 粒 与 气体接触；当 αB<α<αD 即过渡流时，有两种不 同的理论： 一种理论认为这时的冷却剂流就是 泡状流和滴状流的混合体，有的颗粒与水接触， 有的颗粒与气体接触，如图 4 所示；另一种理论 认为这时的冷却剂流是搅拌流 （churn flow），颗 粒只与水接触，如图 5 所示。 另外，不同软件对 αB 和 αD 的取值也不太一样， 采用 αB＝0.3 和
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第 72 期
黄伟峰：浅谈反应堆堆芯熔融物与冷却剂的反应（FCI）
在反应堆发生的 FCI 中， 前期混合阶段对 以后的阶段有着重要的影响， 它决定了与水混 合以及参与蒸汽爆炸的堆芯熔融物的可能最大 质量。 2.2触发（triggering）
在前期混合过程中， 如果水中某处出现了 震动，致使附近的颗粒产生局部的蒸汽爆炸，爆 炸产生的冲击波就会在水中迅速传播到其它颗 粒， 从而导致在水中的颗粒发生全面的蒸汽爆 炸。 这个触发蒸汽爆炸的震动就被形象地称作 扳机（trigger）。
为了更好地研究 FCI 和对 FCI 的机理形成 某 些 共 识 ，经 合 组 织 （OECD）于 2001 年 启 动 了 SERENA 项目， 第一阶段就是对 FCI 的模拟计 算软件进行分析， 比较它们数学物理模型和计 算结果的差异。
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第 72 期
黄伟峰：浅谈反应堆堆芯熔融物与冷却剂的反应（FCI）
当高温的液体接触到易蒸发的冷液体时， 可能会产生蒸汽爆炸（Vapor Explosion）。 这种情 况在自然界 （比如火山爆发） 和工业界都有发 生；特别是在冶金工业中，高温熔融的金属掉到 冷却剂里引起蒸汽爆炸造成人员伤亡和经济损 失，是一种严重的工业事故。 图 1 统计了冶铝工 业 在 1984-1993 年 间 有 报 道 的 铝-水 蒸 汽 爆 炸 事故。
（2）重 点 研 究 FCI 某 一 过 程 或 特 性 的 试 验 设施。 由于建造综合试验设施模拟 FCI 全过程 难度很大且成本高， 所以研究人员就根据研究 目的有针对性地设计试验设施， 使其用于 FCI 某一过程或特性的研究。 比如德国 ECO 试验设 施， 专门用于研究在蒸汽爆炸中物质能量的转 化比例。
（4） 在 前 期 混 合 阶 段 ， 对 于 堆 芯 熔 融 物 的 喷 射物（jet）分裂、滴粒（drop）分裂和滴粒凝固的机 理还不太清楚， 因此软件开发者们根据研究成 果和自己的理解建立的物理模型和关系式也不 尽相同。
（5）对 于 堆 芯 熔 融 物 向 冷 却 剂 的 传 热 和 有 关的质量转移方面， 采用的数学模型和关系式 不尽相同。
图 4 冷却剂流的第一种结构
图 5 冷却剂流的第二种结构
（3） 爆 炸 阶 段 采 用 的 流 体 模 型 有 两 种 ： 一 种 是 采 用 微 观 作 用 概 念 （micro -interaction concept）， 另 一 种 是 采 用 非 平 衡 概 念 （non equilibrium concept）。 对 于 碎 片 （fragment or debris）、 水 和 蒸 汽 的 相 互 作 用 ， 这 两 种 模 型 的 处 理方法不一样。