坩堝式堆芯捕集器的發(fā)展及設(shè)計需求研究

王小吉

（中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610000）

0 引言

當(dāng)反應(yīng)堆發(fā)生堆芯熔化嚴(yán)重事故后，熔融物可能熔穿反應(yīng)堆壓力容器， 從而可能造成大量放射性釋放后果。 三代核電站對嚴(yán)重事故緩解能力提出了更高的要求， 致力于解決嚴(yán)重事故緩解中的熔融物長期冷卻問題， 以實現(xiàn)堆芯完全熔化后將熔融物穩(wěn)定限制在一定空間范圍內(nèi)，最終終止事故發(fā)展，確保安全殼的完整性。

目前， 國際核電領(lǐng)域?qū)θ廴谖锢鋮s措施提出兩種方案： 第一種方案是以壓力容器作為堆芯熔融物的包容裝置， 通過壓力容器外冷卻包容堆芯熔融物（IVR）[1，2]。 將堆芯熔融物滯留在壓力容器內(nèi)，通過能動或非能動方式注水冷卻壓力容器外表面， 防止壓力容器被熔穿，實現(xiàn)對堆芯熔融物的包容。 但是，由于目前對熔池形成的物理和化學(xué)等動態(tài)過程認識的不足，這種方案尚存在不確定因素；同時，為了保證壓力容器外壁能被充分冷卻而不致破壞， 需確保下封頭具有較大的臨界熱流密度并保證下封頭的完整性。 研究表明[3]，對于中等功率的反應(yīng)堆，通過壓力容器下封頭外表面注水冷卻措施基本能夠?qū)崿F(xiàn)熔融物堆內(nèi)滯留。

第二種方案是壓力容器外熔融物的冷卻，主要通過設(shè)置堆芯捕集器隔離熔融碎片與混凝土， 并對碎片提供長期冷卻； 其主要的設(shè)計思想是采用可與混凝土發(fā)生吸熱反應(yīng)的犧牲材料稀釋堆芯熔融物，利用注水直接冷卻熔融物或采用換熱器對熔融物進行間接冷卻。

從20 世紀(jì)90 年代開始，陸續(xù)提出了多種不同堆芯捕集器的設(shè)計方案[4]，這些堆芯捕集器設(shè)計根據(jù)熔融物的收集方式可分為擴展式（層式）和坩堝式（熔池式）， 本文將主要針對坩堝式堆芯捕集器的發(fā)展歷程和設(shè)計需求進行研究。

1 擴展式和坩堝式堆芯捕集器設(shè)計對比

兩種堆芯捕集器各有優(yōu)缺點。 擴展式堆芯捕集器的優(yōu)點是熔融物被攤薄后易冷卻，而且上下同時冷卻的效率高，捕集器隔離無失效風(fēng)險，而缺點是捕集器需求面積太大，熔融物最終的限制范圍不緊湊。 坩堝式堆芯捕集器的面積小，熔融物內(nèi)外冷卻的效率也較高，但在長期釋放衰變熱的過程中如果熱量無法有效帶出仍有可能促使底板熔穿。

相比擴展式堆芯捕集器，坩堝式堆芯捕集器采用布置在壓力容器下部堆坑內(nèi)的水冷熱交換器作為包容堆芯熔融物的主要邊界，冷卻水為來自安全殼內(nèi)乏燃料水池和堆內(nèi)構(gòu)件檢查井內(nèi)的含硼水，并且在熱交換器組成的內(nèi)部空間填充低熔點的氧化物作為犧牲性材料。 這種方案一方面采用犧牲性材料改善堆芯熔融物的特性，將熱交換面的熱流密度降低到低于IVR措施的水平，另一方面避開了擴展式堆芯捕集器需要在安全殼底部設(shè)置大面積堆芯熔融物展開和冷卻空間的問題。

2 坩堝式堆芯捕集器的發(fā)展歷程

早在 20 世紀(jì) 80 年代，以德國的 GRS、IKE，法國的CEA、IRSN 等為主的研究機構(gòu)就開始了對堆芯捕集器的研究[4]，主要的研究成果集中在堆芯熔融物物性、MCCI 模型等基礎(chǔ)研究上，并大量借鑒了國際上的研究成果 （如MATPRO 物性庫等）。 從20 世紀(jì)90 年代開始， 陸續(xù)提出了多種不同堆芯捕集器的設(shè)計方案， 其中坩堝式堆芯捕集器主要有德國的Widmann、Alsmeyer 等[5]提出的 COMET 設(shè)計， 法國的 Szabo、Seiler 等[6]提出的 MCCC（Multi-Crucible Core-Catcher）設(shè)計，以及田灣VVER 核電站[7]的坩堝式堆芯捕集器設(shè)計等。

2.1 COMET

COMET 堆芯捕集器設(shè)計的主要特點是采用了底部注水、熔融物層內(nèi)部冷卻的方案（見圖1）。 所以，COMET 設(shè)計分析需要解決的主要問題是如何模擬底部注水后堆芯熔融物的碎化和多孔結(jié)構(gòu)的形成。 IKE與FKP 聯(lián)合對COMET 堆芯捕集器設(shè)計進行了研究，并在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了形成堆芯熔融物多孔結(jié)構(gòu)的機理性模型。 該模型對驟冷初期堆芯熔融物的上部和下部分別建模，下部研究冷卻水的汽化、升壓、膨脹以及多孔結(jié)構(gòu)的形成和向側(cè)面的擴展，上部研究垂直流道的形成和在冷卻水注入點附件的多孔結(jié)構(gòu)的形成。 在熔融物驟冷的后期，由于多孔結(jié)構(gòu)已形成，冷卻水與液態(tài)熔融物接觸時的汽化效應(yīng)將大大減弱。注入冷卻水對堆芯熔融物的主要影響，將是熔融物的降溫與多孔結(jié)構(gòu)的固化。

圖1 COMET 機理模型

COMET 機理模型主要回答了兩個問題：（1）熔融物下部的多孔結(jié)構(gòu)是如何形成的；（2）向上的蒸汽流是如何形成垂直流道的。 基于Sehgal 等人對紊流交混過程的分析，提出了局部升壓模型，認為升壓是導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)，尤其是側(cè)面多孔結(jié)構(gòu)形成的重要原因，而升壓后的坍塌則進一步促進了熔融物的碎化。 COMET機理模型直接應(yīng)用在IKE 開發(fā)的WABE-2D 程序中，該程序能夠計算冷卻水的汽化、熔融物的驟冷和多孔結(jié)構(gòu)的形成過程。

2.2 MCCC

德國采用的是熔融物層內(nèi)部冷卻的方式，而CEA的Szabo、Seiler 等人是干式堆芯捕集器MCCC 的支持者。 他們認為利用冷卻水與堆芯熔融物的直接接觸冷卻熔融物，有相當(dāng)多仍需解決的問題：

（1）如何選取足夠保守的模型描述堆芯熔融物與水接觸的過程；（2）發(fā)生蒸汽爆炸的概率和強度受多種不可控因素的制約，如何解決不確定性問題；（3）如何保證可靠的并且可控的冷卻水的收集和供應(yīng)；（4）壓力容器內(nèi)堆芯熔融物實驗 （LOFT-FP2、CORA 等），都顯示注水后氫產(chǎn)量的迅速增加和堆芯的迅速升溫，注水過程反而會導(dǎo)致事故的進一步惡化；（5）注水后，將通過包括熔融物與水的反應(yīng)、蒸汽爆炸、沉積物再懸浮、氣泡輸運等過程，增加裂變產(chǎn)物的釋放；（6）大量水蒸氣的釋放將使壓力容器地坑和安全殼升溫升壓。 基于以上的考慮，CEA 提出了MCCC 堆芯捕集器設(shè)計，如圖2 所示。MCCC 是一個經(jīng)典的堆芯捕集器設(shè)計，從圖2 中可以看出，這種多坩堝的堆芯捕集器包括三個重要部分：

（1）一個收集器，它圍繞著RPV；

（2）數(shù)十個豎直坩堝，位于收集器下面；

（3）一個非能動冷卻系統(tǒng)。

圖2 MCCC 堆芯捕集器設(shè)計

當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重事故并且下封頭失效后，飛濺的液態(tài)和固態(tài)堆芯熔融物被熔融物收集系統(tǒng)所捕獲。 堆芯熔融物繼續(xù)熔蝕收集系統(tǒng)底板上的防水環(huán)和金屬塞，當(dāng)金屬塞被熔穿后，堆芯熔融物將直接進入無水的坩堝中。 坩堝中的堆芯熔融物被坩堝外側(cè)的冷卻水所冷卻，被加熱的液態(tài)冷卻水返回安全殼內(nèi)熔融物冷卻水箱（ICCWT）后，由水箱內(nèi)的換熱器冷卻，并將余熱最終帶至安全殼最終導(dǎo)熱系統(tǒng)。 水蒸氣則在安全殼內(nèi)冷凝后收集至ICCWT 中。

MCCC 設(shè)計的主要特點是采用多坩堝堆芯捕集器的外部池式冷卻。 分析的重點在于坩堝內(nèi)熔融物的傳熱過程：（1）堆芯熔融物的物性與初始條件；（2）堆芯熔融物向堆芯捕集器的傳熱；（3）堆芯捕集器向冷卻水的傳熱；（4）堆芯捕集器坩堝陣列中冷卻水的流動。 遺憾的是，CEA 除了利用FLICA-III 熱工水力程序與CASTEM-2000 有限元程序?qū)CCC 概念設(shè)計進行了分析之外，沒有繼續(xù)其實驗研究與驗證工作，雖然進行了初步的不確定性分析，甚至進行了初步的熱工水力分析。但MCCC 堆芯捕集器概念設(shè)計中難以工程實現(xiàn)的坩堝陣列、復(fù)雜的兩相流動以及經(jīng)典的嚴(yán)重事故不確定性和蒸汽爆炸等問題，注定了這一堆芯捕集器設(shè)計最終只可能停留在概念設(shè)計階段。

2.3 VVER

田灣VVER 堆型堆芯捕集器設(shè)計原理與MCCC理念相當(dāng)類似，主要的區(qū)別在于田灣堆芯捕集器用一個大坩堝取代了MCCC 中的數(shù)十個小坩堝的設(shè)計。

田灣堆芯捕集器的設(shè)計基準(zhǔn)是能夠包容、冷卻并滯留初始衰變熱為 25 MW， 質(zhì)量約 200t 的 UO2、Zr、ZrO2以及不銹鋼的混合物。 在堆芯捕集器中預(yù)先堆積了大量的犧牲材料， 從而降低堆芯熔融物的溫度和熔點，增大堆芯熔融物的體積，以滿足堆芯捕集器冷卻堆芯熔融物的要求——堆芯熔融物向堆芯捕集器傳熱的熱流密度， 必須小于堆芯捕集器向冷卻水傳熱的臨界熱流密度（CHF）。經(jīng)過RASPLAV 以及MACE項目的研究，通過以下準(zhǔn)則：（1）犧牲材料熔化后能與氧化熔融物混合；（2）犧牲材料能與堆芯熔融物形成均質(zhì)的氧化熔融混合物；（3）犧牲材料有較低的熔化溫度， 從而能夠顯著地降低氧化熔融混合物的凝固溫度；（4）犧牲材料與堆芯熔融物形成的氧化熔融混合物的密度， 最終小于金屬熔融混合物的密度；（5）犧牲材料能降低形成的氧化熔融混合物的粘度；（6）犧牲材料應(yīng)該是穩(wěn)定而且不易揮發(fā)的；（7）犧牲材料應(yīng)當(dāng)是低成本而且易于制造的。 最終確定了合適的犧牲材料——按50%-50%摩爾分?jǐn)?shù)燒結(jié)的氧化鐵與氧化鋁的混合物。

田灣核電站堆芯捕集器設(shè)計，充分利用了田灣電站的設(shè)計特點和其他成熟的堆芯捕集器設(shè)計與嚴(yán)重事故的研究成果，在工程應(yīng)用上有其獨特的優(yōu)勢。 但采用熔池外部包容冷卻，意味著堆芯熔融物將在數(shù)個月內(nèi)保持液態(tài)，并在相當(dāng)長的一段時間后（約1 年）才能被充分冷卻。 與EPR 堆芯捕集器設(shè)計相比，田灣堆芯捕集器設(shè)計有著突出的優(yōu)點：系統(tǒng)簡潔、造價低廉、節(jié)約空間。 雖然該堆芯捕集器設(shè)計也沒有引入功能隔離的思想，從工程上徹底地解決蒸汽爆炸與嚴(yán)重事故不確定性的問題，同時熔池外部冷卻方式需要數(shù)周的時間固化冷卻堆芯熔融物，但可以通過對其設(shè)計的改進，解決以上問題。

3 坩堝式堆芯捕集器設(shè)計需求

堆芯捕集器的分析是其工程設(shè)計的重要理論支撐，在進行堆芯捕集器設(shè)計時，應(yīng)對其功能以及可用性和可靠性進行充分的分析評價。 VVER 式坩堝堆芯捕集器作為較成熟的緩解嚴(yán)重事故后果且冷卻堆芯熔融物的設(shè)計，本文將參考該捕集器設(shè)計經(jīng)驗提出坩堝式堆芯捕集器的設(shè)計需求。

3.1 設(shè)計功能

坩堝式堆芯捕集器在設(shè)計上應(yīng)具備以下功能：

（1）接收和保持堆芯和結(jié)構(gòu)材料的熔融物；

（2）提供從熔融物到冷卻水之間穩(wěn)定的熱傳遞；

（3）用熔融物包容壓力容器底部防止其破裂或者塑性變形導(dǎo)致的壓力容器內(nèi)的熔融物噴射；

（4）防止熔融物超出設(shè)定的邊界；

（5）在混凝土腔內(nèi)保持熔融物處于次臨界狀態(tài)；

（6）保證向堆芯捕集器供應(yīng)水并排出水蒸氣；

（7）保證向安全殼內(nèi)排出盡量少的放射性物質(zhì)；

（8）使氫的產(chǎn)生最小化；

（9）在可能的靜態(tài)和動態(tài)載荷下不超過布置在混凝土腔內(nèi)的設(shè)備的最大應(yīng)力；

（10）堆芯捕集器執(zhí)行功能時，應(yīng)使人員控制最小化；

（11）保持安全殼的完整性；

（12）超壓保護。

3.2 可靠性及可用性評價

為滿足以上功能需求，需對堆芯捕集器進行充分的計算分析和試驗研究，以確定其形態(tài)、材料組成、布局設(shè)置和運行狀態(tài)等。 對坩堝式堆芯捕集器，需要進行的可靠性及可用性評價包括：

（1）需開發(fā)可用于計算坩堝式堆芯捕集器內(nèi)相關(guān)現(xiàn)象的分析程序， 并可與現(xiàn)有的嚴(yán)重事故計算程序，如 SCDAP/RELAP、MELCOR 和 MAAP 等相耦合，需利用嚴(yán)重事故計算程序?qū)毫θ萜鲀?nèi)整個堆芯熔化過程直到堆芯熔融物遷移到壓力容器下封頭進行分析計算，并對計算結(jié)果進行對比分析。

（2）需對熔融物與“犧牲性”材料之間的物理化學(xué)反應(yīng)過程以及熔融物對堆芯捕集器內(nèi)壁面的腐蝕過程進行研究計算。

（3）需利用熔融物材料的熱力學(xué)特性計算其在堆芯捕集器內(nèi)的分層現(xiàn)象以及冷卻過程。

（4）需計算熱交換器的熱工水力現(xiàn)象并分析其在運行溫度下的力學(xué)性能。

（5）需計算可用冷卻水裝量及供給堆芯捕集器的流量，并確定熔融物保持長期處于次臨界狀態(tài)的最小流量。

（6）需計算堆芯捕集器釋放的蒸汽、氫氣、不凝結(jié)氣體、氣溶膠和裂變產(chǎn)物量。

4 結(jié)語

隨著國際社會對核電安全要求的不斷提高，堆芯熔融物冷卻和包容策略對嚴(yán)重事故緩解起著越來越重要的作用。 三代核電站對熔融物處理方式較以前有明顯改進，而深入研究各種堆型熔融物的處理措施對保障核電站安全具有重要的價值。

本文廣泛調(diào)研了坩堝式堆芯捕集器的特點，分析了坩堝式堆芯捕集器的發(fā)展歷程， 提出了針對坩堝式堆芯捕集器的研究思路及需開展相應(yīng)的理論研究。對于坩堝式堆芯捕集器，需開展的相關(guān)計算分析包括坩堝式堆芯捕集器內(nèi)事故現(xiàn)象的計算程序開發(fā)、熔融物與“犧牲性”材料及與堆芯捕集器壁面之間的物理化學(xué)反應(yīng)、 堆芯捕集器內(nèi)混合物的熱力學(xué)特性、分層現(xiàn)象以及冷卻過程、熱交換器的熱工水力現(xiàn)象等。