蒸汽爆炸研究綜述

1、蒸汽爆炸現(xiàn)象國際研究綜述宮厚軍1,2,熊萬玉2,閆曉2,黃彥平2(1.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，1000842.中核集團(tuán)核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都，610041)摘要：蒸汽爆炸是嚴(yán)重事故條件下安全分析的關(guān)注點(diǎn)，蒸汽爆炸的巨大威力可能威脅反應(yīng)堆壓力容器、安全殼的完整性以及安全殼內(nèi)部與安全相關(guān)設(shè)備的可用性。在過去的20多年內(nèi)，研究人員專注于蒸汽爆炸程序的開發(fā)與驗(yàn)證，以及在全尺寸真實(shí)事故條件下的應(yīng)用。程序開發(fā)和驗(yàn)證所需的數(shù)據(jù)由大多由JRC-Ispra的FARO和KROTOS實(shí)驗(yàn)、KAERI的TROI實(shí)驗(yàn)、德國 FZK的PREMIX 實(shí)驗(yàn)以及J

2、AERI的MJB系列實(shí) 驗(yàn)提供。本文是已經(jīng)完成的蒸汽爆炸研究工作的綜述，包括研究內(nèi)容、研究結(jié)論以及遺留問題。關(guān)鍵詞：蒸汽爆炸，反應(yīng)堆，嚴(yán)重事故1引言輕水反應(yīng)堆在嚴(yán)重事故條件下，含有燃料的堆 內(nèi)熔融物可能會(huì)與冷卻劑直接接觸發(fā)生燃料-冷卻劑反應(yīng)(fuel-coolant interaction, FCI )。當(dāng)大量熔融 物與冷卻水接觸后，熔融物在極端時(shí)間內(nèi)將自身儲(chǔ) 存的部分熱量傳遞給冷卻水，冷卻水在熔融物表面 劇烈沸騰，當(dāng)熱量傳遞的時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的壓 力釋放時(shí)間尺度時(shí)，壓力在局部驟增，熱能轉(zhuǎn)換為 機(jī)械能，巨大的動(dòng)能沖擊周圍構(gòu)件。根據(jù)熔融物的遷移過程，熔融物落入壓力容器 下封頭引起的蒸汽爆炸稱為

3、堆內(nèi)蒸汽爆炸，熔融物 落入堆腔引起的蒸汽爆炸稱為堆外蒸汽爆炸。堆內(nèi) 蒸汽爆炸產(chǎn)生的巨大能量可能會(huì)破壞壓力容器的 完整性，早期的研究認(rèn)為爆炸的沖擊嚴(yán)重威脅上封 頭緊固螺栓，更為嚴(yán)重的情況是上封頭如一枚高速 運(yùn)動(dòng)的彈頭擊穿安全殼，第三道安全屏障遭到破 壞，放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放，這種情形下的安全殼 失效稱為 a-mode失效。德國 FZK最早進(jìn)行了 BERDA實(shí)驗(yàn)1-2以研究o-mode失效的假設(shè)是否成 立，如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置與反應(yīng)堆原型比例為 1:10,部分構(gòu)件材料與原型完全相同，部分構(gòu)件材 料為替代金屬以模擬高溫條件下的原型構(gòu)件材料 屬性。BERDA實(shí)驗(yàn)證實(shí)：之前上封頭及緊固螺栓可 接受沖擊能

4、量的估計(jì)過于保守，從而堆內(nèi)蒸汽爆炸 引起的上封頭脫離而導(dǎo)致安全殼失效的假設(shè)是不 成立的。因此在 1995年NRC召開的第二次 SERG (Steam Explosion Review Group )會(huì)議上關(guān)閉了安 全殼a-mode失效的研究，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)為堆內(nèi)蒸汽 爆炸對(duì)壓力容器下封頭早期失效和堆外蒸汽爆炸 危害的研究。圖1 BERDA實(shí)驗(yàn)示意圖國際上關(guān)于蒸汽爆炸的研究主要分為兩個(gè)部 分，首先開展機(jī)理性實(shí)驗(yàn)，研究蒸汽爆炸機(jī)理和熱 能轉(zhuǎn)化為沖擊動(dòng)能的比例(也稱能量轉(zhuǎn)化系數(shù))，然后應(yīng)用實(shí)驗(yàn)獲取的機(jī)理認(rèn)識(shí)和數(shù)據(jù)進(jìn)行程序開 發(fā)，并最終將程序應(yīng)用到全尺寸反應(yīng)堆的安全分 析。2實(shí)驗(yàn)研究為了獲得蒸汽爆炸的機(jī)理

5、性認(rèn)識(shí)，國際上開展 了 FARO、KROTOS、TROI、PREMIX、ALPHA 等著名實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。2.1 FARO/KROTOS 項(xiàng)目FARO/KROTOS 項(xiàng)目是由JRC-Ispra發(fā)起的國 際合作項(xiàng)目3,圖2為FARO與KROTOS試驗(yàn)裝置。FARO實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖悄M反應(yīng)堆發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，真 實(shí)條件下大質(zhì)量熔融物與水的接觸反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)材料 與堆芯熔融物基本相同，UO2、ZrO2、Zr、 SS按一定比例配比，雖然質(zhì)量比實(shí)際堆芯熔融物質(zhì)量小 兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但是比其他類似實(shí)驗(yàn)仍高出一個(gè)量 級(jí)。FARO的水池深度達(dá)到2m,系統(tǒng)壓力最高10MPa,實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)包括注射熔融物在水中的破 裂分布形式、能量釋放

6、曲線、碎片形狀、水池底部 熱負(fù)荷以及金屬錯(cuò)氧化等重要信息，能夠反應(yīng)出熔融物在水中所經(jīng)歷過程的主要現(xiàn)象。種模擬金屬,例如金屬錫、AI2O3、UO2、ZrO2等,為了認(rèn)識(shí)蒸汽爆炸機(jī)理,在FARO實(shí)驗(yàn)之后開質(zhì)量范圍為1-10kg,溫度為3300K,反應(yīng)區(qū)域壓力展了小規(guī)模的KROTOS基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)4。實(shí)驗(yàn)材料為多2.5MPa。FmeeeMft vnAn- sot, dCZff ffl3) IMJnowd-VUCkme Dwc(W3 ，wfjMnm!田占修 沖. AC nniVESSEL EtwmKifTCK (ratki nci)TESTS8CTK1M-IQ |ILania. FARO實(shí)驗(yàn)裝置b. KRO

7、TOS實(shí)驗(yàn)裝置圖 2 FARO 與 KROTOS試驗(yàn)裝置示意圖2.2 TROI 實(shí)驗(yàn)韓國原子能研究院1997年開始組織TROI (Test5-6for Real cOnum Interaction with water ) 頭驗(yàn)1鰭Mah gtwnlurE1M置如圖3所示。金屬材料為 UO2、ZrO2、Zr、SS的混合物，如今韓國繼續(xù)在TROI上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果也成為程序開發(fā)與驗(yàn)證的重要依據(jù)。MrtgniBfcPpymmailar.Furnpc：I M,J IFVBPt-* FWTCCCIIrtrgrwiruMrvrais,llaShx*Fim w#rg nnaFflffTWftT4wuri

8、 .CyimdwRJFOEMpkiwn. 1 InggorPrtl O- 、EWw pwl= _PratembVlEO! j rPre寫如守圖4 PREMIX與ECO實(shí)驗(yàn)裝置示意圖PEXMIX、ECO實(shí)驗(yàn)是在德國 FZK 開展的,* IPV1TO1ItfT I4KJ- )t* UWDP IplIVUIIII：IT02” ivur iifi ITrA-l V如圖4所示，其目的為研究蒸汽爆炸的整個(gè)過程,并獲得能量轉(zhuǎn)化比，為分析程序提供可靠數(shù)據(jù)，減少不必要的保守估計(jì)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，堆芯熔融物模Unll ： cmHMiJH -rinnJn擬材料大部分為氧化鋁，溫度高達(dá)2600K。2.4 ALPHA-MJ

9、B 實(shí)驗(yàn)2.3 PREMIX 與 ECO 實(shí)驗(yàn)日本原子能研究院在ALPHA項(xiàng)目框架下開展了MJB系列實(shí)驗(yàn)7-8,裝置如圖5所示。熔融物材料圖3 TROI實(shí)驗(yàn)裝置示意圖為研究金屬噴射物在水中的分裂、破碎機(jī)理,為低熔點(diǎn)的鉛州合金，反應(yīng)水池體積為83cm x83cm x 3000cm。圖5 ALPHA-MJB實(shí)驗(yàn)裝置示意圖2.5上海交大細(xì)?；瘜?shí)驗(yàn)?zāi)壳埃虾＝煌ù髮W(xué)是國內(nèi)唯一開展過蒸汽爆炸機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究的單位，建立了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)裝置，用于研究高溫金屬液滴在水中運(yùn)動(dòng)及細(xì)粒化 現(xiàn)象9-10。圖6上海交大細(xì)?；瘜?shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)中選用了純錫（99%純度）、鉛錫合金（50% 錫）、純鉛（99%純度）3種金屬

10、或合金粉末作為實(shí) 驗(yàn)材料，通過此裝置研究了熔融液滴與水作用后的 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物形狀，高溫金屬球在水中的運(yùn)動(dòng)曲線，熔 融液滴細(xì)粒化的影響因素，結(jié)果表明：熔融液滴的 下落高度對(duì)細(xì)?；^程的影響不大；水溫和材料悟 性對(duì)細(xì)粒化過程影響很大；熔融液滴初始溫度是一 個(gè)敏感參數(shù)，在 400500 c之間發(fā)生細(xì)粒化的效果 最明顯。3機(jī)理認(rèn)識(shí)經(jīng)過30年的研究，對(duì)蒸汽爆炸的機(jī)理有了深 刻的認(rèn)識(shí)，普遍將蒸汽爆炸過程分為 4個(gè)階段11-12, 分別是預(yù)混合、觸發(fā)、傳播、爆炸。預(yù)混合當(dāng)熔融物落入水中之后會(huì)破碎成毫米級(jí)到厘 米級(jí)大小的顆粒，釋放熱量，產(chǎn)生蒸汽，生成熔融 物-水-蒸汽的混合物，因?yàn)檫@個(gè)過程在蒸汽爆炸之 前，所以在

11、蒸汽爆炸術(shù)語中稱為預(yù)混合 （premixing）。圖7為實(shí)驗(yàn)中拍攝到的預(yù)混合景象， 在預(yù)混合階段，熔融物的釋熱受到包裹蒸汽的低導(dǎo) 熱率限制，熔融物顆粒外部為固體表層，內(nèi)部為高 溫液體。預(yù)混合物類似于油-空氣的混合物，當(dāng)油氣 混合物溫度升高時(shí)就會(huì)引起爆炸。同樣，當(dāng)預(yù)混合 物中局部區(qū)域的熔融物出現(xiàn)細(xì)?；?，細(xì)粒化反應(yīng)會(huì) 迅速大范圍傳播，此時(shí)熔融物與水的接觸面積驟 增，水的汽化加劇，產(chǎn)生爆炸。細(xì)?；F(xiàn)象類似傳 統(tǒng)爆炸中的劇烈化學(xué)反應(yīng)。預(yù)混合物是不同物質(zhì)，不同相態(tài)的組合，對(duì)蒸 汽爆炸的熱力學(xué)過程有重要影響。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 任何偏離最佳比例的預(yù)混合物對(duì)蒸汽爆炸的觸發(fā) 都有阻礙作用，即使觸發(fā)，也會(huì)對(duì)爆炸起到

12、緩解作 用。在預(yù)混合過程中，對(duì)一個(gè)封閉系統(tǒng)，溫度、壓 力的變化取決于熔融物的墜落速率。蒸汽爆炸未發(fā) 生時(shí)，熔融物聚集在底部形成粒子床，在衰變熱的 作用下可能會(huì)形成液態(tài)金屬池。三哩島事故中，20噸熔融物聚集在下封頭形成粒子床，壓力升高 2MPa,但未發(fā)生蒸汽爆炸。KROTOS實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同組分的金屬材料形成 的預(yù)混合區(qū)大小有所不同，氧化鋁的預(yù)混合區(qū)占據(jù) 了整個(gè)反應(yīng)水池截面，真實(shí)熔融物的預(yù)混合區(qū)更集 中圍繞熔融物下落中心線，而且氧化鋁顆粒的平均 直徑為10mm ,熔融物顆粒的平均直徑為 2mm。通 過KROTOS與FARO的對(duì)比，說明預(yù)混合過程中 熔融物顆粒的大小與金屬材料、組分及液態(tài)金屬釋 放速

13、率相關(guān)。圖7金屬熔融物與水反應(yīng)的預(yù)混合過程觸發(fā)預(yù)混合區(qū)的穩(wěn)定性取決于包裹熔融物顆粒的 蒸汽膜的穩(wěn)定性。當(dāng)局部的蒸汽膜脫落，液態(tài)金屬 與水直接接觸，可能會(huì)引發(fā)局部的熔融物細(xì)?；?細(xì)?；觿〔⒃趲缀撩氲臅r(shí)間內(nèi)傳播到整個(gè)混合 物區(qū)，系統(tǒng)會(huì)急劇升壓，局部壓力可達(dá)幾十MPa。把引起細(xì)粒化的初始事件成為觸發(fā)，觸發(fā)可能來自 內(nèi)部（熔融物觸底），也可能來自外部（震蕩）。實(shí) 際上，在實(shí)驗(yàn)中觀察到的蒸汽爆炸，觸發(fā)幾乎全部 是來源于熔融物觸底。對(duì)這一現(xiàn)象的解釋不是很充 分，但可以肯定的是沸騰機(jī)理發(fā)生改變（膜態(tài)沸騰 轉(zhuǎn)變?yōu)楹藨B(tài)沸騰）會(huì)造成局部的壓力脈動(dòng)，能夠觸 發(fā)蒸汽爆炸。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在不銹鋼底部安裝熱塑料 襯墊能夠

14、明顯抑制蒸汽爆炸，從而說明沸騰機(jī)理改 變是蒸汽爆炸的觸發(fā)事件。輕微改變金屬熔融物組分，例如從共晶變?yōu)榉?共晶，或者在預(yù)混合區(qū)內(nèi)添加惰性氣體都能阻止蒸 汽爆炸的發(fā)生。在 FARO與KROTOS使用非共晶 材料，實(shí)驗(yàn)中并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的蒸汽爆炸，但在 TROI實(shí)驗(yàn)中使用共晶的70% UO2與30%ZrO2混合 物，更容易產(chǎn)生蒸汽爆炸。三哩島事故中未發(fā)生蒸 汽爆炸的原因推測為不具備觸發(fā)條件，熔融物在下 封頭內(nèi)與水接觸時(shí)，壓力大于 100巴，過大的蒸汽 體積份額，不凝性氣體氫氣的產(chǎn)生以及非共晶的熔 融物都因素起到了抑制出發(fā)的作用。傳播蒸汽膜塌縮會(huì)造成熔融物細(xì)?；耙簯B(tài)金屬 與水的直接接觸傳熱這一現(xiàn)象已得

15、到公認(rèn)，這個(gè)過 程稱為熱裂，首先影響到幾個(gè)熔融物顆粒，然后波 及臨近的顆粒，層層向外傳播。如果混合物金屬顆 粒的密度足夠大，空泡份額比較低，傳播的速度會(huì) 迅速增加，甚至達(dá)到超音速。熔融物的能量釋放維持一個(gè)沖擊波，波前沿以準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)穿過整個(gè)混合物區(qū) 域。普遍認(rèn)為，單獨(dú)依靠熱裂作用是不能產(chǎn)生沖擊 波的，而是波在前進(jìn)過程中，熱力裂變被動(dòng)力裂變 所替代或補(bǔ)充，而動(dòng)力裂變是由液態(tài)金屬顆粒與冷 卻水的運(yùn)動(dòng)速度不同引起的。對(duì)于反應(yīng)堆壓力容器 的尺度，傳播過程幾毫秒就可完成。熔融物的性質(zhì)在幾個(gè)方面影響到傳播過程。熔 融物顆粒外部的固體包層能夠阻止沖擊波引起的 細(xì)?；?，顯著減小參與爆炸的液態(tài)金屬量。近期的 研究表明

16、，氧化鋁與真實(shí)熔融物的輻射性質(zhì)不同 （氧化鋁半透明，熔融物不透明），對(duì)液體金屬的表面固化有影響13-14。通過分析爆炸與未爆炸實(shí)驗(yàn) 的顆粒，發(fā)現(xiàn)氧化鋁的化學(xué)性質(zhì)能夠強(qiáng)化爆炸過程 中的能量釋放。在 TROI實(shí)驗(yàn)中，共晶與非共晶熔 融物組分在蒸汽爆炸時(shí)表現(xiàn)出了不同的力能學(xué)，共 晶的70%UO2與30%2。2的爆炸效率大于 78%UO2 與22%ZrO 2的爆炸效率，起原因歸結(jié)于后者的漿狀 區(qū)域的粘性更大，對(duì)細(xì)?；且环N阻礙15。爆炸目前為止，所有計(jì)算蒸汽爆炸的程序均不能對(duì) 上述物理化學(xué)現(xiàn)象直接建模，一般基于兩種概念， 一是微彳用（micro-interaction ）,二是非平衡傳熱。 程序中關(guān)于

17、細(xì)?；⒛芰酷尫?、傳熱系數(shù)、觸發(fā)事 件、能量分配等參數(shù)都需要作為輸入，這些參數(shù)直 接決定給定預(yù)混合物的爆炸能量。圖8為 SERENA-1成員應(yīng)用不同程序計(jì)算出的堆外蒸汽爆 炸對(duì)墻壁的沖擊16,計(jì)算結(jié)果具有很大的發(fā)散性， 從中等破壞水平變化到嚴(yán)重破壞水平，而且依賴于 堆腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前的蒸汽爆炸模型非常豐富， 當(dāng)務(wù)之急就是確定一組較為合理的參數(shù)，較為保守 且合理的評(píng)估蒸汽爆炸的危害。蒸汽爆炸與熔融物 組分密切相關(guān)，在大尺度 FARO實(shí)驗(yàn)中，熔融物含 有4%Zr,幾乎難以觸發(fā)蒸汽爆炸。在小尺度ZREX實(shí)驗(yàn)中，熔融物含有超 60%Zr,蒸汽爆炸的能量轉(zhuǎn) 化系數(shù)與KROTOS的氧化鋁相當(dāng)，因此熔融物

18、組 分對(duì)蒸汽爆炸的影響還需繼續(xù)研究。壓力容器下封 頭的失效位置目前沒有定論，目前的蒸汽爆炸程序 多為2D,無法計(jì)算下封頭側(cè)面失效，熔融物在堆 腔引起的蒸汽爆炸18。In wvsvl. MdAitviuii4 ijqiipulH* 吼 ibdloma.堆內(nèi)蒸汽爆炸模擬結(jié)果Gfld。紀(jì) ng認(rèn)為AP1000發(fā)生堆內(nèi)蒸汽爆炸的可能性非常小， 原因是堆芯活性區(qū)有非常大的熱阱(錯(cuò)端塞、燃料 組件管座、堆芯下支撐板)，堆芯活性區(qū)下部很難 快速熔化，相反，活性區(qū)周圍的吊籃、屏蔽相對(duì)薄 弱，熔融物從四周向下聚集的可能性較大，因此不 具備蒸汽爆炸的條件。雖然安全殼c-mode失效已被排出，堆內(nèi)蒸汽 爆炸造成下封

19、頭早期失效也被認(rèn)為可能性較低，但 堆外蒸汽爆炸仍被認(rèn)定為會(huì)嚴(yán)重破壞堆腔及相應(yīng) 安全設(shè)備。同時(shí)蒸汽爆炸會(huì)造成熔融物顆粒飛濺， 對(duì)熔融物滯留與冷卻造成挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)：150.DIOC DI K fl* 2DO.O見口口 CO 5-0 1ID.O 15,D2J&.D25.0 3G.DIrmib.堆外蒸汽爆炸模擬結(jié)果圖8不同程序計(jì)算的蒸汽爆炸作用力4總結(jié)通過對(duì)蒸汽爆炸的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)蒸汽爆炸的機(jī) 理有了一定的認(rèn)識(shí)，但無法量化或模型化其中的物 理過程。目前，已經(jīng)形成了多款能夠計(jì)算蒸汽爆炸 的程序(IKEMIX , JASMINE , MC3D , VESUVIUS , ESPROSE),程序采用了不同的物

20、理模型與數(shù)值方 法，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，但根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)很難 對(duì)其應(yīng)用于全尺寸反應(yīng)堆模擬的準(zhǔn)確度做出評(píng)價(jià)。 不同的機(jī)構(gòu)應(yīng)用不同的程序進(jìn)行了蒸汽爆炸的安 全評(píng)估，計(jì)算結(jié)果具有很大的發(fā)散性，缺少說服力。具有IVR-ERVC系統(tǒng)第三代反應(yīng)堆， 必須考慮 到RPV內(nèi)蒸汽爆炸可能造成的下封頭早期失效。造成下封頭失效的沖擊能量為11.5GJ,大約3-5t熔融物儲(chǔ)存的能量。T.G.Theofanous, W.W.Yuen等 人從4個(gè)技術(shù)方面對(duì)RPV內(nèi)蒸汽爆炸進(jìn)行研究18, 分別是堆內(nèi)構(gòu)件失效條件，熔融物遷移過程，預(yù)混 合物的量化，蒸汽爆炸能量量化，并考慮了再淹沒 過程中的FCI,其結(jié)論是類似 AP600的反

21、應(yīng)堆，RPV 內(nèi)蒸汽爆炸造成下封頭失效是不可信的。西屋公司. R.Krieg, B.Dolensky. Load carrying capacity of a reactor vessel head under a corium slug impact from a postulated in-vessel steam explosionJ. Nuclear Engineering and Design, 2000,202:P179-196. R. Krieg, B. Dolensky. Load carrying capacity of a reactor vessel head under

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