王小吉

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)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(duì)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(zhǎng)期冷卻問(wèn)題， 以實(shí)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(guó)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(guò)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(guò)能動(dòng)或非能動(dòng)方式注水冷卻壓力容器外表面， 防止壓力容器被熔穿，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯熔融物的包容。 但是，由于目前對(duì)熔池形成的物理和化學(xué)等動(dòng)態(tài)過(guò)程認(rèn)識(shí)的不足，這種方案尚存在不確定因素；同時(shí)，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(duì)于中等功率的反應(yīng)堆，通過(guò)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(guò)設(shè)置堆芯捕集器隔離熔融碎片與混凝土， 并對(duì)碎片提供長(zhǎng)期冷卻； 其主要的設(shè)計(jì)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(duì)熔融物進(jìn)行間接冷卻。

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

1 擴(kuò)展式和坩堝式堆芯捕集器設(shè)計(jì)對(duì)比

兩種堆芯捕集器各有優(yōu)缺點(diǎn)。 擴(kuò)展式堆芯捕集器的優(yōu)點(diǎn)是熔融物被攤薄后易冷卻，而且上下同時(shí)冷卻的效率高，捕集器隔離無(wú)失效風(fēng)險(xiǎn)，而缺點(diǎn)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(zhǎng)期釋放衰變熱的過(guò)程中如果熱量無(wú)法有效帶出仍有可能促使底板熔穿。

相比擴(kuò)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(lái)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(diǎn)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(kāi)了擴(kuò)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(kāi)和冷卻空間的問(wèn)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(guó)的 GRS、IKE，法國(guó)的CEA、IRSN 等為主的研究機(jī)構(gòu)就開(kāi)始了對(duì)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(guó)際上的研究成果 （如MATPRO 物性庫(kù)等）。 從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始， 陸續(xù)提出了多種不同堆芯捕集器的設(shè)計(jì)方案， 其中坩堝式堆芯捕集器主要有德國(guó)的Widmann、Alsmeyer 等[5]提出的 COMET 設(shè)計(jì)， 法國(guó)的 Szabo、Seiler 等[6]提出的 MCCC（Multi-Crucible Core-Catcher）設(shè)計(jì)，以及田灣VVER 核電站[7]的坩堝式堆芯捕集器設(shè)計(jì)等。

2.1 COMET

COMET 堆芯捕集器設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是采用了底部注水、熔融物層內(nèi)部冷卻的方案（見(jiàn)圖1）。 所以，COMET 設(shè)計(jì)分析需要解決的主要問(wèn)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(duì)COMET 堆芯捕集器設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并在實(shí)驗(yàn)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(jī)理性模型。 該模型對(duì)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(kuò)展，上部研究垂直流道的形成和在冷卻水注入點(diǎn)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(shí)的汽化效應(yīng)將大大減弱。注入冷卻水對(duì)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(jī)理模型

COMET 機(jī)理模型主要回答了兩個(gè)問(wèn)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(duì)紊流交混過(guò)程的分析，提出了局部升壓模型，認(rèn)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(jìn)一步促進(jìn)了熔融物的碎化。 COMET機(jī)理模型直接應(yīng)用在IKE 開(kāi)發(fā)的WABE-2D 程序中，該程序能夠計(jì)算冷卻水的汽化、熔融物的驟冷和多孔結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程。

2.2 MCCC

德國(guó)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(rèn)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(wèn)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(guò)程；（2）發(fā)生蒸汽爆炸的概率和強(qiáng)度受多種不可控因素的制約，如何解決不確定性問(wèn)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(shí)驗(yàn) （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(guò)程反而會(huì)導(dǎo)致事故的進(jìn)一步惡化；（5）注水后，將通過(guò)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(yùn)等過(guò)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(jì)，如圖2 所示。MCCC 是一個(gè)經(jīng)典的堆芯捕集器設(shè)計(jì)，從圖2 中可以看出，這種多坩堝的堆芯捕集器包括三個(gè)重要部分：

（1）一個(gè)收集器，它圍繞著RPV；

（2）數(shù)十個(gè)豎直坩堝，位于收集器下面；

（3）一個(gè)非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)。

圖2 MCCC 堆芯捕集器設(shè)計(jì)

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(jìn)入無(wú)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(jì)的主要特點(diǎn)是采用多坩堝堆芯捕集器的外部池式冷卻。 分析的重點(diǎn)在于坩堝內(nèi)熔融物的傳熱過(guò)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(dòng)。 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(jì)進(jìn)行了分析之外，沒(méi)有繼續(xù)其實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證工作，雖然進(jìn)行了初步的不確定性分析，甚至進(jìn)行了初步的熱工水力分析。但MCCC 堆芯捕集器概念設(shè)計(jì)中難以工程實(shí)現(xiàn)的坩堝陣列、復(fù)雜的兩相流動(dòng)以及經(jīng)典的嚴(yán)重事故不確定性和蒸汽爆炸等問(wèn)題，注定了這一堆芯捕集器設(shè)計(jì)最終只可能停留在概念設(shè)計(jì)階段。

2.3 VVER

田灣VVER 堆型堆芯捕集器設(shè)計(jì)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(gè)大坩堝取代了MCCC 中的數(shù)十個(gè)小坩堝的設(shè)計(jì)。

田灣堆芯捕集器的設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(guò)RASPLAV 以及MACE項(xiàng)目的研究，通過(guò)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(jì)，充分利用了田灣電站的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和其他成熟的堆芯捕集器設(shè)計(jì)與嚴(yán)重事故的研究成果，在工程應(yīng)用上有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 但采用熔池外部包容冷卻，意味著堆芯熔融物將在數(shù)個(gè)月內(nèi)保持液態(tài)，并在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間后（約1 年）才能被充分冷卻。 與EPR 堆芯捕集器設(shè)計(jì)相比，田灣堆芯捕集器設(shè)計(jì)有著突出的優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、造價(jià)低廉、節(jié)約空間。 雖然該堆芯捕集器設(shè)計(jì)也沒(méi)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(wèn)題，同時(shí)熔池外部冷卻方式需要數(shù)周的時(shí)間固化冷卻堆芯熔融物，但可以通過(guò)對(duì)其設(shè)計(jì)的改進(jìn)，解決以上問(wèn)題。

3 坩堝式堆芯捕集器設(shè)計(jì)需求

堆芯捕集器的分析是其工程設(shè)計(jì)的重要理論支撐，在進(jìn)行堆芯捕集器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)其功能以及可用性和可靠性進(jìn)行充分的分析評(píng)價(jià)。 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(jì)，本文將參考該捕集器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出坩堝式堆芯捕集器的設(shè)計(jì)需求。

3.1 設(shè)計(jì)功能

坩堝式堆芯捕集器在設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)載荷下不超過(guò)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(shí)，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(hù)。

3.2 可靠性及可用性評(píng)價(jià)

為滿足以上功能需求，需對(duì)堆芯捕集器進(jìn)行充分的計(jì)算分析和試驗(yàn)研究，以確定其形態(tài)、材料組成、布局設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)等。 對(duì)坩堝式堆芯捕集器，需要進(jìn)行的可靠性及可用性評(píng)價(jià)包括：

（1）需開(kāi)發(fā)可用于計(jì)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(jì)算程序，如 SCDAP/RELAP、MELCOR 和 MAAP 等相耦合，需利用嚴(yán)重事故計(jì)算程序?qū)毫θ萜鲀?nèi)整個(gè)堆芯熔化過(guò)程直到堆芯熔融物遷移到壓力容器下封頭進(jìn)行分析計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

（2）需對(duì)熔融物與“犧牲性”材料之間的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程以及熔融物對(duì)堆芯捕集器內(nèi)壁面的腐蝕過(guò)程進(jìn)行研究計(jì)算。

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

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

（5）需計(jì)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(zhǎng)期處于次臨界狀態(tài)的最小流量。

（6）需計(jì)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(yǔ)

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

本文廣泛調(diào)研了坩堝式堆芯捕集器的特點(diǎn)，分析了坩堝式堆芯捕集器的發(fā)展歷程， 提出了針對(duì)坩堝式堆芯捕集器的研究思路及需開(kāi)展相應(yīng)的理論研究。對(duì)于坩堝式堆芯捕集器，需開(kāi)展的相關(guān)計(jì)算分析包括坩堝式堆芯捕集器內(nèi)事故現(xiàn)象的計(jì)算程序開(kāi)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(guò)程、熱交換器的熱工水力現(xiàn)象等。