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正激波与纳米流体沸腾耦合作用下的熔融液滴表面触发机理研究

批准号:
12105167
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
彭程
依托单位:
学科分类:
反应堆物理与技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
彭程

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
反应堆严重事故下的堆芯熔融物与冷却剂相互作用后果是安全评估的重要内容,其中熔融液滴的触发与细粒化是关键机理,而相应的模型对评估结果影响很大。纳米流体作为新型冷却介质,是未来优化堆外注水策略的重要选择,在此种情况下堆芯熔融物与冷却剂相互作用机理发生了改变,其相应的评估模型也需要发展。本课题针对堆芯熔融物与冷却剂相互作用关键过程中外部引入正激波与新型冷却介质沸腾耦合作用下的熔融液滴表面触发机理开展研究,并发展相应的模型,确立正激波与冷却剂沸腾耦合作用下的熔融液滴表面的气液界面不稳定性传播与发展的主导机制,建立考虑纳米流体影响的触发发生判据。通过本课题的研究,采用理论与实验相结合的方法,阐明纳米流体中气液界面演化和正激波触发机理,获得纳米流体影响气液界面不稳定性的传播与发展规律,建立机理模型。相关研究对开发多相热物理分析工具具有理论意义,对未来新型核反应堆安全设计、安全评估具有实际应用价值。
英文摘要
The consequence of core-melt and coolant interaction in severe accident is an important part of the safety assessment for nuclear power plant. Moreover, triggering and fragmentation of molten droplets during melt/coolant interaction are the crucial mechanisms and their corresponding models have significant impacts on the outcome of safety assessment. In addition, nano-fluid, which can be treated as a newly-designed coolant, may be an important option to optimize the ex-vessel cooling strategy in the future. However, the mechanism of core-melt and coolant interaction is varied under this circumstance, and its relevant model for safety assessment needs to be developed. In this research, triggering mechanism of molten droplet under coupled effects of normal shock waves from external and boiling of new type of coolant, which is a key process of melt/coolant interaction is investigated, with its corresponding model being proposed. The dominant regime which leads to the propagation of instability on the gas-molten droplet interface under coupled effects of normal shock waves and boiling of coolant is determined, based on which, a criterion which judges whether trigger event may occur is given in consideration of the effect of nano-fluid. Through this project, figure out gas-liquid interface evolution and triggering mechanism under normal shock in nano-fluid, and obtain how the nano-fluid can influence the propagation of instability on gas-liquid interface and a mechanistic model, with combining theoretical derivation and experimental tests. The present study would have theoretical significance to the development of multi-phase thermophysical analysis codes, and have practical value to the safety design and assessment for new type of nuclear power plants in the future, as well.
反应堆严重事故下的堆芯熔融物与冷却剂相互作用后果是安全评估的重要内容,其中熔融液滴的触发与细粒化是关键机理,而相应的模型对评估结果影响很大。纳米流体作为新型冷却介质,是未来优化堆外注水策略的重要选择,在此种情况下堆芯熔融物与冷却剂相互作用机理发生了改变,其相应的评估模型也需要发展。本课题通过开展纳米流体冷却剂系统内高温表面气液界面演化实验研究,基于气液界面不稳定性发展的正激波触发机理实验研究及正激波与纳米流体沸腾耦合作用下的熔滴细粒化率模型研究,结果表明:(1)在质量浓度范围为0.001~0.004ωt%时,粒径为50nm的Al2O3纳米流体对于临界热流密度(CHF)的增强能力随浓度的增加逐渐增加,0.004ωt%的Al2O3纳米流体的CHF相比于纯水增加了49.00%,其作用机理在于接触角的减小会使润湿性增强,导致泰勒临界波长变短,从而延迟了临界热流密度的出现。(2)根据纳米流体对润湿性的影响构建了泰勒临界波长预测模型,并基于气液界面不稳定性对纳米流体的临界热流密度预测模型进行了优化。经过计算,泰勒临界波长预测模型的误差在±4%以内,CHF预测模型的误差在±15%以内。(3)高温熔滴由空气自由下落到水面时,由于速度差会夹带空气进入水中,并与水蒸汽共同形成气囊。气囊的形成有助于减少熔滴的下落阻力,进而增加熔滴的速度峰值。在有外部正激波的条件下,随着正激波幅值的升高,气囊更易被破坏,熔滴速度峰值呈现出减少的趋势。(4)随正激波幅值的增加,减少了熔滴表面的触发时间,故其膨胀速率峰值呈现出增加的趋势。当幅值升至3 MPa时,熔滴膨胀速率峰值提高了近一倍多。(5)基于所构建的气液界面不稳定性模型及细粒化率模型,揭示了空气夹带会增加扰动振幅,进而减少熔滴表面触发时间的普适性规律,熔滴表面触发强度的变化趋势与气液界面压差的变化趋势相一致。结合由实验获得的沸腾临界下高温表面的表面张力值,即可定量计算不同纳米流体环境下高温熔融液滴表面气液界面演化及细粒化率变化。本课题的研究成果对加深核电厂多相多组分热物理现象理解,增强核电厂严重事故分析能力,判明FCI触发发生机制,提高核电厂严重事故管理水平具有重要意义。
聚变堆包层内破口事故下气泡运动行为及界面失稳特性研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    彭程
  • 依托单位:
国内基金
海外基金