反应堆严重事故压力容器下封头内熔池结构计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及核电厂严重事故缓解措施，具体地，涉及一种在反应堆严重事故状态下压力容器下封头内熔池结构计算方法。
【背景技术】
[0002]目前的一些核电厂在设计上采用了压力容器下封头熔融物堆内滞留技术以缓解严重事故，由于在堆芯熔融物形成的熔池出现分层的情况下，金属层的热聚焦效应可能造成压力容器下封头失效，因此对于熔融物堆内滞留技术而言，分析、判断出压力容器下封头内熔融物形成的熔池结构对该技术的有效性影响很大。
[0003]熔池内所含的熔融物主要为金属和氧化物，根据现有的分析计算方法，熔池结构大致分为两种:均匀模型和分层模型。在分层模型中公认的方法是分两层，上层为金属相层，下层为氧化物层。分层过程简化处理为成分的混合，即金属相和氧化相独立存在。
[0004]现有的分析计算方法存在的主要问题是将分层看成是成分之间的混合，过于简单，没有充分考虑熔融物之间的相互反应，也没有结合熔融物在压力容器中的迀移方式。由于熔池结构的计算涉及到严重事故下核反应压力容器下封头内熔融物滞留技术的有效性判断，如不能准确计算熔池结构，则可能会造成严重事故缓解技术的实效，进而影响反应堆安全。
[0005]为正确评估严重事故下核反应堆压力容器下封头内熔融物滞留技术的有效性，熔池的结构计算是一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种反应堆严重事故压力容器下封头内熔池结构计算方法，利用熔融物系统相图，在熔池结构计算过程中引入了熔融物在压力容器内的不同迀移方式以及熔融物之间的相互反应的因素，更为准确地判断熔池结构，从而更为准确地评价严重事故情况下熔融物堆内滞留措施的有效性。
[0007]本发明具体实现过程如下:
反应堆严重事故压力容器下封头内熔池结构计算方法，包括如下步骤:计算下封头堆芯熔融物各组分质量，将计算结果与成分系统相图中的可混溶范围比较，根据比较结果判断熔融物是否分层，如果熔融物出现分层，则比较各层中熔融物的密度得出熔融物的分层结果。
[0008]进一步的，当熔融物以侧面迀移方式向下封头迀移时，包括以下步骤:
步骤一:当熔融物上表面与堆芯下支撑板下表面接触时，计算出压力容器下封头内熔融物各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的质量，进入步骤二:
步骤二:根据计算结果判断熔融物成分是否在U-Zr-O-Fe系统相图中可混溶范围之内，如果在可混溶范围内，则熔融物均匀分布，如果不在，则出现分层:
如均匀分布，进入步骤三； 如分层分布，将各层中熔融物密度进行比较:
如果金属层密度小，熔融物分为两层:金属层在上，氧化层在下，进入步骤四；
如果金属层密度大，熔融物分为两层:金属层在下，氧化层在上，进入步骤五；
步骤三:待熔融物将堆芯下支撑板淹没时，计算此时压力容器下封头内各成分uo2、ZrO2、Zr和Fe的质量:
根据计算结果判断熔融物成分是否在U-Zr-O-Fe系统相图中可混溶范围之内，如果在可混溶范围内，则熔融物均匀分布，如果不在，则出现分层:
如均匀分布，则判断熔池结构为熔融物均匀分布，计算结束；
如分层分布，将各层中熔融物密度进行比较:
如果金属层密度大，熔池最终结构为两层:金属层在下，氧化层在上，计算结束；
如果金属层密度小，熔池最终结构为两层:金属层在上，氧化层在下，计算结束；
步骤四:待熔融物将堆芯下支撑板淹没时，计算此时压力容器下封头内各成分U02、ZrO2、Zr和Fe的质量，判断其成分是否在U-Zr-O-Fe系统相图中可混溶范围之内，如果在可混溶范围内，则熔融物均匀分布，如果不在，则出现分层:
如均匀分布，则判断熔池结构为均匀分布，计算结束；
如分层分布，将各层中熔融物密度进行比较:
如果金属层密度大，熔池最终结构为两层:金属层在下，氧化层在上，计算结束；
如果金属层密度小，熔池最终结构为两层:金属层在上，氧化层在下，计算结束；
步骤五:在堆芯熔融物完全迀移到下封头后，下层金属层成分保持不变，待上层氧化层与再进入熔池内的熔融物混合后计算混合物各组分质量，判断混合物各组分是否在U-Zr-O-Fe系统相图中可混溶范围之内，如果在可混溶范围内，则混合物均匀分布，如不在，则混合物出现分层如均匀分布，计算混合物密度，与保持不变的金属层密度进行比较:如果金属层密度大，熔池最终结构为两层:金属层在下，氧化层在上，计算结束；
如果金属层密度小，熔池最终结构为两层:金属层在上，氧化层在下，计算结束；
如分层分布则进入步骤六；
步骤六:根据混合物各层熔融物成分密度进行比较:
如果比较结果为金属层密度小，则分层中金属层在上，氧化层在下，熔池最终结构为三层:从上到下分布为金属层-氧化层-金属层，计算结束；
如果比较结果为金属层密度大，则分层中金属层在下，氧化层在上，进入步骤七；步骤七:氧化层成分保持不变，并计算其密度，待混合物中金属层与步骤五中下层金属层混合后，计算混合后金属层密度，并与混合物中氧化层密度进行比较:
如果混合后金属层密度大，熔池最终结构为两层:金属层在下，氧化层在上，计算结束；
如果混合后金属层密度小，熔池最终结构为两层:金属层在上，氧化层在下，计算结束。
[0009]进一步的，当熔融物以垂直迀移方式向下封头迀移时，包括以下步骤:
步骤一:当下支撑板坍塌进下封头形成熔池时，计算出压力容器下封头内熔融物各成分UO2、ZrO2、Zr和Fe的质量，进入步骤二:
步骤二:根据U-Zr-O-Fe系统相图判断恪融物成分是否在U-Zr-O-Fe系统相图中可混溶范围之内，如果在可混溶范围内，则熔融物均匀分布，如果不在，则出现分层: 如均匀分布，计算结束；
如分层分布，进入步骤三；
步骤三:将各层中熔融物密度进行比较:
如果比较结果为金属层密度小，则分层中金属层在上，氧化层在下，熔池最终结构为上层为金属层，下层为氧化层，计算结束；
如果比较结果为金属层密度大，则分层中金属层在下，氧化层在上，熔池最终结构为上层为氧化层，下层为金属层，计算结束。
[0010]进一步的，熔融物为液态，且下封头无水。
[0011]本发明所提供的方法，与现有的将熔池结构简单分层的方法相比，区分了堆芯熔融物在不同的迀移方式下的不同计算方法，并在计算过程中充分考虑了成分之间的相互作用，更加准确地判断出熔池结构，从而更为准确地评价严重事故情况下熔融物堆内滞留措施的有效性。
【附图说明】
[0012]图1为U-Zr-O-Fe系统相图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明:
当发生核电站严重事故时，例如:某百万千瓦级核电厂发生全场断电事故。
[0014]此时，由于堆芯受热熔化，堆芯熔融物在压力容器内迀移，其迀移方式有两种:一种是熔融物在熔穿堆芯围板后从堆芯侧面迀移进入下封头并不断积累，最终将堆芯下支撑板浸没并将其熔化，即熔融物的侧面迀移；另一种是大部分熔融物垂直向下迀移，在堆芯下支撑板聚集并逐渐将其溶解，最终下支撑板失效，掉入下封头内形成熔池。
[0015]在此过程中，利用严重事故计算程序，得到熔融物在各个阶段的成分和质量。核电站严重事故计算程序是一种比较成熟的事故计算程序，常用的有MAAP、MELCOR等计算程序，在以下的实施例中均是以使用MAAP程序为例。
[0016]发生严重事故时，堆芯熔融物主要为U02、ZrO2, Zr和Fe，从相图手册或文献中查阅得到为U-Zr-O-Fe系统的相图，针对反应堆堆芯材料的特点，由于U/Zr的比例相比0、Fe而言是固定的，因此选取了如图1所示的以U/Zr为三角形一角的平面相图，在以下实施例中，需要用到该系统相图进行熔融物的分层判断，具体的判断方法为:图1中曲线为可混溶范围的分界，如果根据严重事故计算程序计算得到的成分值在L+L区，则判断熔融物分层，如成分点在曲线右侧的L区，则判断熔融物均匀分布。
[0017]在熔融物出现分层时，根据相图中的平衡态连线，即直线LJPLc,得出各成分的比例，然后根据密度判断分层情况。
[0018]实施例一
在本计算方法中，假设堆芯熔融物为液态，且堆芯无水。
[0019]反应堆严重事故压力容器下封头内熔池结构计算方法，当熔融物以侧面迀移方式向下封头迀移时，包括以下步骤:
步骤一:根据严重事故计算程序的计算生成文件判断，当熔融物上表面与堆芯下支撑板下表面接触时，用该程序计算出压力容器下封头内熔融物各成分(U02、ZrO2, Zr和Fe)的质量，进入步骤二:
步骤二:根据计算结果判断熔融物成分是否在(U-Zr-O-Fe)系统相图中可混溶范围之内，如果在可混溶范围内，则熔融物均匀分布，如果不在，则出现分层:
如均匀分布，进入步骤三；
如分层分布，将各层中熔融物密度进行比较:
如果金属层密度小，熔融物分为两层:金属层在上，氧化层在下，进入步骤四；
如果金属层密度大，熔融物分为两层:金属层在下，氧化层在上，进入步骤五；
步骤三:待熔融物将堆芯下支撑板淹没时，用严重事故计算程序计算此时压力容器下封头内各成分(UO2、ZrO2、Zr和Fe )的质量
根据计算结果判断熔融物成分是否在(U-Zr-O-Fe)系统相图中可混溶范围之内，如果在可混溶范围内，则熔融物均匀分布，如果不在，则出现分层:
如均匀分布，则判断熔池结构为熔融物均匀分布，计算结束；
如分层分布，将各层中熔融物密度进行比较:
如果金属层密度大，熔池最终结构为两层: