气溶胶模型对安全壳旁路释放类 事故源项的影响
终立丽，曹学武
（上海交通大学机械与助力工程学院，上海200240）
化严重事故分析程序中，并以600MW压水堆核电厂为研究对象，基于原模型与新开发的SG二次侧 气溶胶沉积模型，对蒸汽发生器传热管破发事款（SGTR）源项进行了计算，并对新模型对安全壳旁路释放类的影响进行了分析.结果表明，采用新的二次侧气溶胶沉积模型后将会有更多的气溶胶沉积在SG二次侧，新开发的SG二次侧气溶胶沉积模型导致安全壳旁路释放类中对环境释放份额减少26.6%~71.1%.
美键词：严重事放：安全壳务路释放类：气溶胶：沉积模型
中图分类号：TL364.4 文藏标志码：A
文章编号：0258-0918（2014)03-0397-06
Effect onSource Term of ContainmentBypassReleasesby Different Aerosol Deposition Model
TONG Li-li. CAO Xue-wu
(1. School of Mechsnica Engineering Shanghai Jiao Tong University. Shanghai 200240 China)
Abstract;A new aerosol deposition model of the secondary steam generator (SG) isdeveloped for the plex flow path configuration and the new model is integrated intothe severe accident analysis code. The integrated safety analysis model for 600 MWnuclear power plant with the new aerosol deposition model is built The aceident sequence of steam generator tube rupture (SGTR) and the bypass containment accidentsare analyzed with the old model and the new model The results show that more fissionproducts deposit in the secondary of the SG and the fractions of the fission productsreleasing to the environment with the new model decreases 26.6~71.1% for the containment bypass release category.
Key words; severe accident; containment bypass release category; fission productaerosol; deposition model
严重事故下裂变产物的释放和迁移行为是非常复杂的，严重事故源项特性及评价一直受到研究者的关注，蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）始发严重事故发生后，一次侧的冷却 剂通过二次侧向环境释放，在此过程中会向环境释放大量的裂变产物1，由于缺少相关经验数据且燕汽发生器（SG）二次侧具有复杂的几何结构，对SG二次侧的气溶胶去除仍缺乏系 统的认识，故SCTR始发严重事故下裂变产物气溶胶在失效SG二次侧的滞留被认为是NUREG-1150中源项计算时最大的不确定性之一.
欧盟研究项目EU-SGTR开展了对SGTR事故下裂变产物气溶胶在SG二次侧滞留的研究，表明SG二次侧的水将对裂变产物有很大的洗刷作用，即使二次侧没有水，气流与二次侧内部结构（例如SG传热管、支撑板和汽 水分离器等）的相互作用也将导致裂变产物气溶胶的沉积.气体沿着传热管束的流动形式对裂变产物气溶胶在传热管表面的沉积起到了很大的作用.为了形成气溶胶在SG内沉积的 数据库，ATRIST装置和PECA装置对立式SG内气溶胶的运动和沉积情况开展了实验研究.
对于SGTR始发严重事故，当堆芯开始熔严重事故下需要考虑SG排空情况下气溶胶的 化时，SG二次侧已经排空，因此SGTR始发的沉积行为.Bakker和Guntayl通过对SGTR事故下主要的边界条件研究后发现，当SG二次侧排空时，未在SG二次侧发现热梯度 和蒸汽冷凝现象，因此，在模拟SGTR事故时不需要考虑热电泳和扩散电泳，由大直径微粒（大于等于10m）携带的气溶胶通过布朗扩散导致沉积的情况也可以忽略，面在现有分析程序中的二次侧沉积模型，假设与一次侧的主 系统管道内气溶胶的行为是相同的，即采用了重力沉降、扩散电泳和热电泳三种沉积机理因此，需要针对SG二次侧的复杂流道结构开发专门的气溶胶沉积模型并植人大型安全分析 程序中.
本文将以600MW压水堆核电厂为研究对象，开发了针对SG二次侧复杂流道结构的
气溶胶沉积模型并植人分析程序中，分析了新模型对SG传热管破裂事故源项以及安全壳旁路释放类的影响.
1分析模型
1.1SG二次侧气溶胶沉积机理
在排空的SG二次侧导致气溶胶沉积的主要机理包括惯性碰撞、素流沉积、重力沉降和中 途拦截.为了确定主要的沉积机理，需对相关沉积机理的特征参数进行评价.表1所示为以上4种沉积机理的无量纲特征参数”.关于素流沉积，DouglasandIlias采用素流施密特数纲数.通常认为，只有当某种沉积机理的无量 S和气体雷诺数平方根Re的沉积作为无量纲数大于10-时，该沉积机理对SG二次侧气溶胶的沉积才会起主要贡献，因此，新流沉积和惯性碰撞两种沉积机理将对SG二次侧气溶胶的沉积起主要作用，
表1气溶胶沉积机理的特征参数Table 1 Characterization parameters ofacrosol deposition mechanism
特征参数 评价值惯性碰撞 18μd 10SmR = Ss. *o d ) 10素流沉积 pd...重力沉降 a10中建拦氟 s10~f
1.2SG二次侧排空时气溶胶沉积模型的开发
新流沉积和惯性碰撞两种沉积机理将对SG二次侧气溶胶的沉积起主要作用，实验认为，影响素流沉积和惯性碰撞的最主要的参数是斯托 克斯数Suk.面且，当Sk较小时（Sk<0.1），气溶胶沉积的主要机理是素流沉积，面当Sk较大时（Stk大于等于0.1），气溶胶沉积的主要机理是惯性碰撞.关于素流沉积和惯性碰撞的实验数 据如图1和图2所示， 本文采用拟合实验数据的方法建立素流沉积和惯性碰的模型.其中，素流沉积机 式中，C微粒修正因子：pr：气溶胶微粒的密度，kg/m²；d ：气溶胶微粒的直径，m；u：气体的黏度，m/siμ：气体的黏度，Pasid：碰撞直径，m. 2新模型评价SGTR事故源项 2.1SGTR事故进程 选取2根SG传热管冷却剂人口处发生双端断裂的SGTR事故，并假设高低压安注、安 全壳喷淋和辅助给水均失效，破口SG隔离失效，口SG的安全阀打开后复位失效. 图1素流沉积导致气溶胶的去除率与实验数据 Fig 1 The removal ratio andexperimental data for aerosolresulted from turbulence deposit 表2给出了SGTR事故进程.SGTR事故发生后，一回路冷却剂快速进人破口SG，主 系统压力快速下降，如图3所示，导致反应堆在150s时发生低压停堆，破口SG的安全阀打开后由于不能回座，因此大量冷却剂直接向环境释放，导致破口SG二次侧的水位快速下降，如图4所示，到1900s左右破口SG排空，由 于堆芯衰变热的作用，主系统压力下降后又逐渐上升，维持一段时间的高压以后，由于破口流量的存在，压力又有下降趋势，往复前面的过程以后，未破口环路的冷却剂也基本排空，最终， 主系统压力下降至口SG二次侧的压力，堆芯水位也在约17500s左右下降至0m.堆芯在9890s开始熔化，随后堆芯场，压力容器在17741s时发生端变失效，安注箱的大量注 射发生在压力容器失效以后，因此无法恢复堆芯的水位. 图2惯性碰擅导致气溶胶的去除率与实验数据 Fig 2 The removal ratio andexperimental data for aerosolresulted from inertial collision 表2SGTR事故进程Table 2SGTR acident progress 事件 时间/s事放开始 0反应堆停难 150SG安全网开启 堆芯棵露 7184 161堆芯开始熔化 9 890准芯开始辨增 13 590压力容器失效 17 741安注箱排空 17 781 理中采用了对数线性拟合的方法，惯性碰撞机理中采用了S型曲线拟合方法，拟合关系式如密度、气溶胶直径、气体速度、气体黏度和碰撞 式1和2所示，斯托克斯数Stk是气溶胶微粒直径的函数，在事故进程中是实时变化的，如式3所示. (1) (2) (3) 图3主系统和SG压力 Fig. 3 The main system and SG pressure 图4堆芯和SG水位Fig. 4 Core and SG water level 2.2新模型评价SGTR事故源项 将开发的气溶胶素流沉积模型和惯性碰撞模型植人一体化安全分析模型中，对SGTR事挥发性裂变产物组，组内核索具有相似的物理 故进行重新评价.对于挥发性裂变产物组和非和化学性质，因此分别选取CsI组和SrO组为代表对挥发性裂变产物和非挥发性裂变产物向环境的释放进行分析. 图5和图6所示为一体化安全分析模型中植人新的二次侧气溶胶沉积模型后与原有模型计算结果的比较，对于挥发性裂变产物和非挥发性裂变产物，采用新的二次侧气溶胶沉积模型后将会有更多的气溶胶沉积在SG二次侧， 这样就导致更少的气溶胶向环境释放，其中CsI组释放份额减少16.2%，SrO减少54%.因此，原有模型是偏保守的，而新的二次侧气溶 胶沉积模型更加符合安全分析最佳估算的原理， 图5SG二次侧沉积和释人环境的CsI质量比较Fig. 5 Comparison of the quality of CslSG and released into the environment deposited at the secondary side of 图6SG二次侧沉积和释人环境的SrO质量比较Fig. 6Comparison of the quality of SrO deposited at the secondary side ofSG and relessed into the environment 3 新模型评价安全壳旁路释放类 SG二次侧气溶胶沉积模型改进后，直接影响到的是安全壳旁路释放类，因为SGTR事敬以及SGTR事故叠加主蒸汽管线破裂事故 （MSLB）是引起安全壳旁路的主要因素，表3所示为计算所得的二次侧沉积模型改进后对安全壳旁路释放类的影响，对于SGTR事故，挥发性裂变产物和非挥发性裂变产物对环境释放 份额减少15.1%~68.3%：对于SGTR叠加MSLB事故，挥发性裂变产物和非挥发性裂变产物对环境释放份额减少28.7%~86.0%.最终，加权的安全壳旁路释放类对环境释放份额减少26.6%~71.1%. 开发的二次侧气溶胶沉积模型对SGTR事故的源项分析表明，采用新的二次侧气溶胶沉积模型后将会有更多的气溶胶沉积在SG二次侧，从而导致更少的气溶胶向环境释放. 全壳旁路释放类有一定的影响，通过计算表明， 新开发的SG二次侧气溶胶沉积模型对安对于SGTR事故，挥发性裂变产物和非挥发性裂变产物对环境释放份额减少15.1%~产物和非挥发性裂变产物对环境释放份额减少 68.3%对于SGTRMSLB事故，挥发性裂变28.7%~86.0%.最终，加权的安全壳旁路释放类中对环境释放份额减少26.6%~71.1%. 4结论 SGTR始发的严重事故下需要考虑SG排SG二次侧复杂流道结构的气溶胶沉积模型. 空情况下气溶胶的沉积行为，本文开发了针对通过对二次侧气溶胶沉积机理的特征参数分析，确定素流沉积和惯性碰撞两种沉积机理将对SG二次侧气溶胶的沉积起主要作用.将新 表3二次侧气溶胶沉积模型改进后对安全夹旁路释放类的影响Table 3The influence of the upgraded secondary side aerosol deposit model on containment bypass release quantity 事妆 释放量占准芯总量的份额序列 Xt.Kr Cl组 TO SrO MoO:CsOHBsOLOCO Sb Te: UO;SGTR.新模量 $.5E-1 4.5E-1 9.6E25.7E42.1E-21.TE-15.5E-33.9E52.1E-41.0E-1 0.0E0 0.0E0SGTR_释放份额 SGTR_原结果 9.SE-1 &. 3E-1 3.0E-1 1.2E-3 15.3E-22.7E-11.1E2 7.2E-5 4.0E-4 1.2E10.DE00.0E0减少/% 0.0 15.1 68.3 50.6 60. 6 36.6 50 8 45. 0 47.1 17.9SGTR MSLB_ 9.1E-13.7E-19.6E-±7.8E-14.0E-33.6E-11.1E-22.2E-42.0E-31.3E-1 0.0E0 0.0E0SGTR MSLB 新模型原结果 9.2E-1 7.7E-1 01121SGTR MSLB 0.0 51.$ 86.0 43.7 92.1 53.4 59.5 33.6 28.7 48.9放份额减少/%加权_新模型 IS-LOCA 9.3E-1 $ 4E-1 4.6E-1 4.4E-1 6.3E-1 1.2E-1 2.T8-3.0E-22.4E-19.4E-31.0E-47.4E-41.2E10.0E00.080加权_原蜡果 8.4E-1 6.0E-1 4.2E-1 4.7E3T.1E-24.2E-1 1.BE-2 L6E411E-31.7E10.0E00.0E0加权_暴放份额 .o 26.6 71.1 42.6 57.5 42. 1 45.8 34.1 31.6 28.3 /减少/% U. 8 nueleer power plantsER]. NUREG 115o. 1990.[3] BAKKER P J T. [mportant sridet scemarios and conditions [R] NRG Repert . 521540C EU-SGTR Projeet SAM- SGTR-D001 2001.[4]HERRANZ L E. BALL 1. AUVINEN A. et al. Progress in understanding key aerosol issues The 3rdEuropean Review Meeting on Severe Arident Resesrch(ERMSAR-2008) Nesseber Vigo Hotel. Bulgaria. 23- 25 September 2008. 参考文献： [1]LUIS E HERRANZ B.Clement.In-containment source term key insights gzined from * sperisonbetween the PHEBUS-FP progrsmme and the US-NRCNUREG-1465 revised source term [1]. Progress in[2] U. S. NRC. Severe sccident risks: sn sssessment of five Nvelesr Energy. 2010.52: 481-486.
