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基于GASFLOW的AP1000核电厂氢气风险分析

更新时间:2009-03-28

根据国家核安全局HAF102《核动力厂设计安全规定》及《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》要求,必须对核电厂安全壳的氢气燃爆风险及缓解措施进行分析论证。《“十二五”期间新建核电厂安全要求》中明确指出,针对严重事故,“应采取措施防止氢气局部聚集,否则应考虑局部氢气燃烧的影响”。国内外均有基于GASFLOW的NPPs电厂相关氢气风险分析的文献[1,2]。从公开发表的文献可知,关于AP1000核电厂的GASFLOW建模[3,4],多采用圆柱坐标系。考虑到AP1000核电厂堆芯并不位于安全壳的中心位置,且AP1000内隔间不同于M310和华龙一号,其隔间多为方正的房间。因此,对于AP1000核电厂采用圆柱坐标需要做多种假设与近似。GASFLOW中除了圆柱坐标之外,还设置有笛卡儿坐标系。如果采用笛卡儿坐标系对AP1000进行建模分析,就会避免采用圆柱坐标系造成的模型堆芯不能位于安全壳中心的情况出现。因此,本文采用笛卡儿坐标系对徐大堡核电厂AP1000系统进行建模,增加了系统模型的准确性。

碾压混凝土浇筑过程中的温度控制同样是防比温度裂缝的关键。温度控制措施有控制温升、采用低热水泥、增加活性掺合料用量、采取保温措施、在适宜的气候下浇筑、埋设冷却水管以及预冷却等方法。因碾压混凝土浇筑仓面大,受周围气候的影响大,预冷却法的效果不明显,所以预冷却法已经基本不用。一般来说,碾压混凝土施工气温在3~25℃较为合适。

1 几何模型

1.1 程序简介

GASFLOW[5]是由美国洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)和德国卡尔斯鲁厄研究中心(FzK)共同开发的三维计算流体力学程序。该程序是一个最佳流场估计工具,主要可以描述流场中以下三维流动现象:氢气的扩散、混合分布与分层;氢气燃烧和火焰扩散;不可凝气体的分布对局部凝结和蒸发的影响,气溶胶的夹带、运输与沉降等。

该程序可以求解安全壳和其他核设施内的氢气和其他气体的输运、混合和燃烧等现象。目前,国内多个核电研究设计单位采用该程序开展了严重事故下核电厂安全壳内的氢气风险分析。

1.2 安全壳模型

AP1000压水堆核电站由两环路组成,其安全壳由圆柱部分和半球形的穹顶部分组成。其内径约40 m,高度约66 m。安全壳内部的隔间主要位于操作平台以下。对于AP1000的非能动热量导出系统(PCS),由于GASFLOW程序无法模拟,本文采用冷壁替代PCS系统。安全壳空间庞大,内部几何结构复杂。要准确地描述安全壳空间的几何结构需要设置众多的网格系统。在计算时间上将造成不能接受的后果。因此,在安全壳建模过程中,需要基于较少的网格数量,尽可能好地描述安全壳内部的几何结构。在建模时需要对构筑物的外形进行调整,以适应已有网格系统。各隔间的相互连通情况将对安全壳内氢气的传播产生重要影响。因此,几何模型要着重反映隔间连通的实际情况,避免忽略实际存在的连通口。模型中的氢气点火器和氢气复合器的布置方案尽量与徐大堡核电站的布置方案一致。x方向设置网格数为57,y方向设置网格数为57,z方向设置网格数为56。利用GASFLOW对AP1000系统进行建模,典型截面如图1所示。

参考文献:

  

图1 安全壳模型典型截面Fig.1 The cross section of the containment

 

(a)安全壳模型高度方向上截面;(b)安全壳模型径向截面

2 事故序列

根据MAAP计算结果,以氢气风险较为严重的DVI双端断裂始发的严重事故为例进行分析。整个事故过程中,ADS1-3级管线出口通过一个共同的降压管线与位于IRWST中的一个喷洒器相连,向内置换料水箱喷放。两列第4级ADS直接和RCS的管段顶部相连,并且分别直接向SG所在的隔间里喷放。计算零点为事故后开始有氢气释放的时刻,到氢气集中释放结束时终止计算,总的计算时间为500 s。根据MAAP计算结果,在计算零点,安全壳内部平均压力约为0.19 MPa,平均温度约为382.87 K,水蒸气体积浓度约为0.45。在选取的集中释放的500 s时间内,ADS1-3级管线已停止释放。其中,破口环路第4级ADS的质能释放源项如图2所示。

  

图2 ADS-4破口源项Fig.2 The source ofADS-4

3 结果分析

3.1 二维流场及浓度分布

安全壳内混合气体二维流场如图3所示。

由图3可以看出,随着时间的推进,破口源项沿着破口方向上升,最后达到穹顶区域,之后又慢慢扩散,在计算结束时,形成了位置较高处氢气浓度高,位置偏低处氢气浓度低的分层式分布。另外,由于破口源项具有较高的水蒸气浓度,所以沿着源项上升路径,会形成较低的氢气浓度空间。氢气的分层作用会造成,不同高度的建筑物会面临不同程度的氢气风险。同等条件下,位置较高的构筑物其氢气风险较位置较低处要大。

MRI组患者接受核磁共振检查,应用专用膝关节线圈,患者取平卧位,设置参数:间距3mm、层厚0.5mm,根据患者病情进行轴位和斜位一般扫描,采用梯度回波、自旋形式回波序,扫描患者膝关节矢状位和冠状位,采取T2加权成像,T2、T1加权成像。

  

图3 安全壳内混合气体二维流场Fig.3 Flow field of the mixture gas

 

(a)t=16 s;(b)t=400 s;(c)t=500 s

t=500 s时,不同截面气体分布如图4所示。

  

图4 t=500 s不同截面氢气浓度分布Fig.4 Hydrogen density in broken room at different time

 

(a)蒸汽发生器截面;(b)PXS系统截面

由图4可知,气体出现分层现象,且壁面附近氢气浓度较高。但是,单就大空间而言,其分层浓度并不明显。靠近穹顶区域氢气浓度较大。这是由于相对于水蒸气,氢气具有较小的密度,因此,氢气会更容易占据上部空间,加之水蒸气的冷凝,使上部空间的氢气浓度较大。也正因为如此,在氢气风险分析中,除了破口隔间外,穹顶区域也是一个危险隔间。

3.2 不同隔间氢气风险

利用GASFLOW对AP1000压水堆核电厂安全壳进行系统建模,得到了用于氢气风险分析的AP1000 GASFLOW模型,结论如下:

(2)除了破口隔间在不足60 s的时间内出现FA准则数大于1的情况外,其他隔间或其他时间段内均没有出现FA准则数大于1的情况;

在所有隔间内的DDT准则数均小于1,可以认为所研究的事故工况下,均不存在燃爆风险。

  

图5 不同隔间FA准则数(a)SG隔间氢气风险;(b)PXS隔间氢气风险Fig.5 FAnumber of different room

  

图6 不同隔间DDT准则Fig.6 DDT number of different room

3.3 全局快燃风险

全局可燃云团体积如图7所示。

  

图7 全局可燃云团体积Fig.7 Global sigma cloud volume

由图7可知,全局可燃气体云团的体积大约是2 000 m3,占了安全壳自由容积的1/30。因此,安全壳内就不可能发生全局FA,安全壳的完整性也就不会受到威胁。安全壳内存在火焰加速风险的地方主要是安全壳的上部和中部区域,消氢系统的应用可以消除可燃气体云团。

(4)全局可燃气体云团的体积大约占了安全壳自由容积的1/30,安全壳内就不可能发生全局火焰加速。

4 结论

不同隔间内FA准则数如图5所示。

我吃过竹笋,却不知道它一夜之间竟可长这么高;旁边那块空地,也长了几根竹子,昨晚要是睡那儿,竹笋突然冒出来,可能会把人伤了;原来竹子拔节,声音这么响,喀喀喀的。

(1)氢气在安全壳内形成了分层现象,且壁面附近氢气浓度较高;

由图5可知,除了破口隔间在不足60 s的时间内出现FA准则数大于1的情况外,其他隔间或其他时间段内均没有出现FA准则数大于1的情况。可以认为,在所研究的事故情况下,不会出现氢气快速燃烧的风险。FA准则数作为一个保守的经验关系式,认为当FA准则数小于1时,不会出现快燃风险,在FA准则数大于1时,可能出现快燃风险。图上所示的较短时间内FA准则数刚刚超过1,可以认为快燃风险不存在,或者风险极低。

(3)在所有隔间内的DDT准则数均小于1,可以认为所研究的事故工况下,均不存在燃爆风险;

民国纪元前十三年,公历一八九九年,十二月二十五日,于其循例之游艺会中加演话剧。是役也,不特为学生演剧之先声;亦即为话剧输入中国之嚆矢。剧凡三:一曰《禀见得妻》,取材于昆曲《人兽关》之《演官》,而多所损益。属混沌初开,因简陋特甚,既无布景,又乏灯光;而上场有诗,下场有对,犹未尽脱旧剧窠臼。其二则为系西洋短剧,纯以英语出之。至剧名为何,已不复能举矣。[4]32

2)查找相关工程实践资料,包括企业生产中涉及的实例、生活中涉及的实例以及科研项目中的研究实例等,将这些工程实例与上述整理的知识点或者知识点组合进行对应,即完成工程实例与理论知识的结合过程。如电气专业的课程可以与电力系统的相关工程实践结合。

[1] Huang X G,Yang Y H,Zhang S X.Analysis of hydrogen risk mitigation with passive autocatalytic recombiner system in CPR1000 NPP during a hypothetical station blackout[J].Annals of Nuclear Energy,2011,38:2762-2769.

[2] Kim J,Hong S W,Kim S.B,et al.Three-Dimensional Behaviors of the Hydrogen and Steam in the APR1400 Containment During a Hypothetical Loss of Feed Water Accident[J].Annals of Nuclear Energy,2007,34(12):992-1001.

这取决于传播者能否专有体育赛事转播权,实现“赢家通吃”的局面。当法律允许一个传播者专有体育赛事转播权时,传播者将面临“烧钱”竞争,从而极大地推高传播费用,甚至达到最终的“赢家”都成为“输家”的泡沫化程度。㊴ 同注释㉒。相反,当法律禁止传播者专有体育赛事转播权时,传播者之间更有可能通过合作的方式拿下体育赛事转播权,传播成本也会被控制在一定范围内。

[3] 陈龙.AP1000核电厂安全壳内氢气风险缓解措施研究[R].华北电力大学,2014.

随着科学技术的不断创新,“互联网+”理念的革新,使产业和产业之间的融合有了便捷交流的平台;而大数据时代的到来则为以体育特色小镇为核心的产业链构建提供了可能,通过对数据的分析预测规避了小镇的运营风险,提高了小镇的服务水平[7]。一系列以体育为借力点的跨界融合模式的推出,作为新的经济增长点,在满足大众消费需求的同时也成为拉动经济发展的内在动力。

[4] 王方年,沈峰,程旭,等.GASFLOW程序液膜模型开发及初步验证[J].原子能科学技术,2015,49(11):2044-2050.

[5] Travis J R,Necker GA,Royl P.GASFLOW:AComputational Fluid Dynamics Code for Gases Aerosols,and Combustion,Volume 2[M].Karlsruhe,Germany:FZK,2007.

 
李精精,王辉,陈巧艳
《核科学与工程》 2018年第02期
《核科学与工程》2018年第02期文献

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