【CAE案例】硼稀释事故时堆芯内硼浓度空间分布情况模拟

01 研究背景

当反应堆处于停堆、换料停堆或者正常运行状态，稀释一回路时，通过上充管线将清水注入一回路。稀释时由于厂外电丧失等事故导致主泵停运，上充泵在应急柴油机启动后自动投入运行，将容控箱内的清水注入一回路。若自然循环不够，则注入的低温清水就会在上充管线进入一回路的入口处形成水塞。另外，由于主泵轴封注水的注入，也会在主泵壳内积聚清水，此时如果电源恢复，主泵重新启动就会将这些清水推入堆芯，从而引入正反应性，产生堆芯超临界风险，导致非均匀硼稀释事故。

此算例的目的在于, 通过code_saturne模拟一回路出现硼稀释事故时，堆芯内硼浓度的空间分布情况，计算得到堆芯入口最低硼浓度，并与JULIETTE 试验结果对比验证。

02 实际试验介绍

JULIETTE 试验台架是由AREVA公司搭建的1/5尺寸EPR实体模型，试验堆芯包括4个冷段、下降段、分流装置、堆芯下支撑板等结构，如下图所示。

硼酸溶解度随温度变化，试验过程中通过测量温度来间接测量硼酸浓度。在堆芯入口，下降段，和冷段共设置了130个热电偶来测量温度。热电偶分布情况如下图所示：

试验步骤

1)在两个相近阀门间产生水塞；
2)使用热流体箱对水塞进行加热；
3)向流体中加入盐来调节流体的密度；
4)当开启阀门时，泵随之启动；
5)与此同时，开启数据采集系统；
6)当水塞完全通过堆芯后，数据采集结束。

03 模拟介绍

网格划分

整体网格由7个部分组成，共约150万六边形网格：

边界条件

对于受水塞影响的冷段，根据试验数据设置流速和硼酸浓度边界条件；对于不受水塞影响的冷段，流速设置为0。堆芯出口设置为自由流出边界条件，其他壁面设置为光滑固壁边界条件。此外，时间步长设置为1.5ms，物性参数不考虑温度影响均设为常数，采用多种湍流模型进行结果对比。

04 模拟结果

1.下面是水塞进入堆芯时的无量纲温度分布图：

2.下图为不同湍流模型下（k-ε PL, k-w SST, RSM SSG）计算得到堆芯入口处无量纲温度分布：

3.下图为使用其他湍流模型下（RSM SSG –SGDH，RSM SSG –GGDH，RSM SSG –AFM）计算得到堆芯入口处无量纲温度分布：

4.下图为网格敏感性测试，如图所示，下面所有网格都可以正确的计算出最低温度，随着最低温度一同出现的暂时变化与定位格架的存在有关：

5.下图为试验结果与模拟结果的对比图:

05 研究结论

使用code_saturne对压水堆一回路中硼浓度瞬态稀释过程的计算验证:

1.code_satrune 可以得到与实际试验非常接近的数据；

2.高精度湍流模型对水塞混合实验的模拟更加准确；

3. 与RSM SSG和k-epsion PL湍流模型相比，k-omega SST模型计算得到的结果与实验值更符合；

4. 随着最低温度一同出现的暂时变化与定位格架的存在有关。然而，高雷诺数的网格已经足够去正确的模拟出最低温度以及最低温度在出口处的分布。

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