一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型制造技术

本发明专利技术公开了一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型，基于在土壤力学中广泛采用的抗剪切强度概念，结合颗粒密度、大小、形状、位置因素对碎片床中的碎片颗粒所处状态进行受力分析，引入动量交换系数计算反应堆下腔室中流体对碎片颗粒单元的曳力作用，得到考虑外部流体流动后的碎片颗粒单元抗剪切强度及所受切应力。通过受力分析，比较所计算的碎片床颗粒的抗剪切强度和内部切应力大小，判断其是否发生迁移和自平现象。本发明专利技术能够正确预测碎片床迁移过程中的运动趋势，对钠冷快堆堆芯解体事故中下腔室碎片床迁移过程中的形状和厚度进行有效评估，解决了之前碎片床迁移现象模拟效果较差、可信度不高的问题。

A Model of Debris Bed Migration Mechanism for Sodium Cooled Fast Reactor

The present invention discloses a transport mechanism model of sodium cooled fast reactor debris bed. Based on the concept of shear strength widely used in soil mechanics, the force analysis of debris particles in debris bed is carried out by combining the factors of particle density, size, shape and location, and momentum exchange coefficient is introduced to calculate the drag force of fluid on debris particles in the lower chamber of reactor. Shear strength and shear stress of debris particle element considering external fluid flow. Through force analysis, the shear strength and internal shear stress of debris bed particles calculated are compared to determine whether migration and self-leveling occur. The invention can correctly predict the movement trend of debris bed in the process of debris bed migration, effectively evaluate the shape and thickness of debris bed in the lower chamber during the core disintegration accident of sodium cooled fast reactor, and solve the problems of poor simulation effect and low reliability of debris bed migration phenomenon before.

【技术实现步骤摘要】
一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型
本专利技术属于核反应堆安全设施设计
，具体涉及一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型。
技术介绍
钠冷快堆燃料富集度较高，因此在安全性方面，钠冷快堆尤其关注再临界和堆芯解体事故的发生。在堆芯解体事故的过渡阶段，一方面熔融的堆芯燃料在冷却剂的作用下骤冷成碎片颗粒，在堆芯下腔室和压力容器下部堆积成碎片床；另一方面床内冷却剂在熔融颗粒衰变热的作用下发生沸腾，使得熔融物颗粒在气、液的共同“推动”下，会发生“迁移”和“自平”过程。如果燃料碎片在堆芯底部过分积聚，厚度超过一定限值，碎片床内部所产生的衰变热将无法排出，可能导致再临界现象的发生，破坏安全壳的完整性。因此为保证熔融物堆内滞留措施的有效实施，必须对碎片床的形状和厚度进行有效评估。虽然燃料碎片床的迁移过程一般不考虑堆芯熔融物颗粒受热后的熔化，但却是一个涉及了固、液、气三相流动传热传质的复杂过程，对其进行数值模拟较为困难。在模拟过程中，尤其是碎片颗粒迁移初始时刻临界点的判断和受力分析一直以来主要依赖经验判据，缺乏具体的物理机理模型，从而使得模拟效果较差，可信度不高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型，对钠冷快堆堆芯解体事故中下腔室碎片床迁移过程中的形状和厚度进行有效评估。本专利技术采用以下技术方案：一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型，基于抗剪切强度，结合颗粒密度、大小、形状及位置对碎片床中碎片颗粒所处状态进行受力分析，参考土壤力学中库伦土压力理论计算碎片床中碎片颗粒单元所承受的静止压力，引入动量交换系数计算反应堆下腔室中流体对碎片颗粒单元的曳力作用，根据流体曳力修正后的碎片颗粒单元静止压力得出剪切面的正应力和切应力，最终得到考虑外部流体流动后碎片颗粒单元的抗剪切强度及所受的内部切应力，判断碎片床是否发生迁移和自平现象，对碎片床迁移过程中的形状和厚度进行有效评估。具体的，碎片床中碎片颗粒单元所承受垂直和水平方向的静止压力σ1和σ3如下：σ1＝γzσ3＝K0γz其中，γ为碎片颗粒的有效重度，z为颗粒单元所处位置与碎片床表面同一轴线上的垂直距离，K0为静止土压力系数。进一步的，碎片颗粒的有效重度γ和静止土压力系数K0计算如下：γ＝αp(ρp-ρw)gK0＝1-sinφ其中，αp为碎片颗粒体积份额，ρp和ρw分别为颗粒和冷却剂的密度，g是重力加速度。φ为颗粒内摩擦角，为23°～28°。具体的，反应堆下腔室中流体对碎片颗粒单元水平和垂直方向上的曳力作用Δpx和Δpz计算如下：其中，Kpq′,x和Kpq′,z分别为碎片颗粒和流体间水平方向和竖直方向的动量交换系数，Δx和Δz分别为颗粒单元径向和轴向长度，vp,x、vp,z、vq′,x和vq′,z分别为颗粒和流体的径向和轴向速度，q′为除颗粒外的流体组分。进一步的，动量交换系数Kpq′计算如下：Kpq'＝Apq'+Bpq'·|vq'-vp|其中，阻力系数和界面面积的函数Kpq'由层流项和紊流项组成，第一项Apq'由Stoke定律描述，第二项紊流项Bpq'·|vq'-vp|与相间速度差以及阻力系数成比例，用动量交换系数与颗粒和流体速度差的乘积Kpq′(vq′-vp)描述颗粒和流体之间单位体积的动量交换率。具体的，修正后的颗粒单元垂直和水平方向静止压力σ1′和σ3′计算如下：σ1′＝σ1-Δpzσ3′＝σ3-|Δpx|其中，σ1和σ3为碎片床中碎片颗粒单元所承受垂直和水平方向的静止压力，Δpx和Δpz为反应堆下腔室中流体对碎片颗粒单元水平和垂直方向上的曳力作用。具体的，剪切面的正应力σ′和切应力τ′计算如下：其中，σ1′和σ3′为修正后的颗粒单元垂直和水平方向静止压力，α为颗粒单元内部任意方向剪切面与最大主应力作用面的夹角，范围为0°～180°。具体的，经过颗粒间流体流动曳力修正后的颗粒单元的抗剪切强度τ′f和切应力τ′计算如下：其中，σ1′和σ3′为修正后的颗粒单元垂直和水平方向静止压力，φ是内摩擦角。进一步的，非粘性颗粒的抗剪切强度τf计算如下：τf＝σtanφ当碎片床处于迁移前的临界状态时，剪切面与最大主应力作用面的夹角αf为：具体的，判断如下：其中，τ′f和τ′分别为颗粒间流体流动曳力修正后颗粒单元的抗剪切强度和切应力。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术提供一种钠冷快堆碎片床迁移的机理模型，基于在土壤力学中广泛采用的抗剪切强度概念，结合颗粒密度、大小、形状、位置等具体因素对碎片床中的碎片颗粒所处状态进行受力分析，并且引入动量交换系数计算反应堆下腔室中流体对碎片颗粒单元的曳力作用，最终得到考虑了外部流体流动后的碎片颗粒单元的抗剪切强度及所受的切应力。通过受力分析，比较所计算的碎片床颗粒的抗剪切强度和内部切应力大小，判断其是否发生迁移和自平现象，对碎片床迁移过程中的形状和厚度进行有效评估。进一步的，参考土壤力学中库伦土压力理论计算碎片床中碎片颗粒单元所承受的静止压力，充分考虑了颗粒大小、形状、位置和密度等因素，使计算结果真实可信。进一步的，通过引入动量交换系数计算反应堆下腔室中流体对碎片颗粒单元的曳力作用，以此来修正之前计算的颗粒单元静止压力，将外部流体作用合理引入到机理模型的计算过程中。进一步的，根据楔体的静力平衡状态的受力分析和土壤力学中抗剪切强度概念来得到颗粒单元内部所受的正应力和切应力以及抗剪切强度的计算关系式，建立起机理模型，该模型参数易于调整，具有很强的适应性。进一步的，通过比较所计算的碎片床颗粒的抗剪切强度和内部切应力大小，判断其是否发生迁移和自平现象并进行模拟，能够正确预测碎片床迁移过程中的形状和厚度变化。综上所述，本专利技术通过简化的建模，在钠冷快堆碎片床迁移现象模拟中能够正确预测碎片床迁移的运动趋势，对迁移过程中碎片床的形状和厚度进行有效评估，解决了之前碎片床迁移现象模拟效果较差、可信度不高的问题。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术流程图；图2为颗粒相关角度定义，其中，(a)为内摩擦角，(b)为休止角，(c)为堆积倾角；图3为静止条件颗粒单元应力分析图；图4为颗粒抗剪切强度定义，其中，(a)为粘性颗粒，(b)为非粘性颗粒；图5为颗粒单元迁移临界状态应力分析图；图6为典型迁移工况模拟曲线，其中，(a)为工况1，(b)为工况2，(c)为工况3，(d)为工况4，(e)为工况5。具体实施方式请参阅图1，本专利技术提供了一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型，该模型基于在土壤力学中广泛采用的抗剪切强度概念，结合颗粒密度、大小、形状、位置等具体因素对碎片床中的碎片颗粒所处状态进行受力分析，通过计算流体曳力修正后的碎片颗粒单元的静止压力，最终得到考虑了外部流体流动后碎片颗粒单元的抗剪切强度及所受的内部切应力，比较所计算的碎片床颗粒的抗剪切强度和内部切应力大小，判断碎片床是否发生迁移和自平现象，对碎片床迁移过程中的形状和厚度进行有效评估。本专利技术一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型，具体步骤如下：S1、参考土壤力学中库伦土压力理论计算碎片床中碎片颗粒单元所承受的静止压力；当碎片床处于静止时，碎片单元所受到的最大主应力和最小主应力分别对应该单元由于颗粒自重而产生的垂直和水平方向的静压力，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型，其特征在于，基于抗剪切强度，结合颗粒密度、大小、形状及位置对碎片床中碎片颗粒所处状态进行受力分析，参考土壤力学中库伦土压力理论计算碎片床中碎片颗粒单元所承受的静止压力，引入动量交换系数计算反应堆下腔室中流体对碎片颗粒单元的曳力作用，根据流体曳力修正后的碎片颗粒单元静止压力得出剪切面的正应力和切应力，最终得到考虑外部流体流动后碎片颗粒单元的抗剪切强度及所受的内部切应力，判断碎片床是否发生迁移和自平现象，对碎片床迁移过程中的形状和厚度进行有效评估。

【技术特征摘要】
1.一种钠冷快堆碎片床迁移机理模型，其特征在于，基于抗剪切强度，结合颗粒密度、大小、形状及位置对碎片床中碎片颗粒所处状态进行受力分析，参考土壤力学中库伦土压力理论计算碎片床中碎片颗粒单元所承受的静止压力，引入动量交换系数计算反应堆下腔室中流体对碎片颗粒单元的曳力作用，根据流体曳力修正后的碎片颗粒单元静止压力得出剪切面的正应力和切应力，最终得到考虑外部流体流动后碎片颗粒单元的抗剪切强度及所受的内部切应力，判断碎片床是否发生迁移和自平现象，对碎片床迁移过程中的形状和厚度进行有效评估。2.根据权利要求1所述的钠冷快堆碎片床迁移机理模型，其特征在于，碎片床中碎片颗粒单元所承受垂直和水平方向的静止压力σ1和σ3如下：σ1＝γzσ3＝K0γz其中，γ为碎片颗粒的有效重度，z为颗粒单元所处位置与碎片床表面同一轴线上的垂直距离，K0为静止土压力系数。3.根据权利要求2所述的钠冷快堆碎片床迁移机理模型，其特征在于，碎片颗粒的有效重度γ和静止土压力系数K0计算如下：γ＝αp(ρp-ρw)gK0＝1-sinφ其中，αp为碎片颗粒体积份额，ρp和ρw分别为颗粒和冷却剂的密度，g是重力加速度，φ为颗粒内摩擦角，为23°～28°。4.根据权利要求1所述的钠冷快堆碎片床迁移机理模型，其特征在于，反应堆下腔室中流体对碎片颗粒单元水平和垂直方向上的曳力作用Δpx和Δpz计算如下：其中，Kpq′,x和Kpq′,z分别为碎片颗粒和流体间水平方向和竖直方向的动量交换系数，Δx和Δz分别为颗粒单元径向和轴向长度，vp,x、vp,z、vq′,x和vq′,z分别为颗粒和流体的径向和轴向速度，q′为除颗粒外的流体组分。5.根据权利要求4所述的钠冷快堆碎片床迁移机理模型，其特征在于，动...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，滕春明，单建强，胡文军，张熙司，曹永刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61