蒸汽爆炸研究综述

蒸汽爆炸现象国际研究综述宫厚军1,2，熊万玉2，闫晓2，黄彦平2（1.清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京，1000842.中核集团核反应堆热工水力技术重点实验室，成都，610041）摘要：蒸汽爆炸是严重事故条件下安全分析的关注点，蒸汽爆炸的巨大威力可能威胁反应堆压力容器、安全壳的完整性以及安全壳内部与安全相关设备的可用性。在过去的20多年内，研究人员专注于蒸汽爆炸程序的开发与验证，以及在全尺寸真实事故条件下的应用。程序开发和验证所需的数据由大多由JRC-Ispra的FARO和KROTOS实验、KAERI的TROI实验、德国FZK的PREMIX实验以及JAERI的MJB系列实验提供。本文是已经完成的蒸汽爆炸研究工作的综述，包括研究内容、研究结论以及遗留问题。关键词：蒸汽爆炸，反应堆，严重事故1引言轻水反应堆在严重事故条件下，含有燃料的堆内熔融物可能会与冷却剂直接接触发生燃料-冷却剂反应（fuel-coolantinteraction,FCI）。当大量熔融物与冷却水接触后，熔融物在极端时间内将自身储存的部分热量传递给冷却水，冷却水在熔融物表面剧烈沸腾，当热量传递的时间尺度远小于系统的压力释放时间尺度时，压力在局部骤增，热能转换为机械能，巨大的动能冲击周围构件。根据熔融物的迁移过程，熔融物落入压力容器下封头引起的蒸汽爆炸称为堆内蒸汽爆炸，熔融物落入堆腔引起的蒸汽爆炸称为堆外蒸汽爆炸。堆内蒸汽爆炸产生的巨大能量可能会破坏压力容器的完整性，早期的研究认为爆炸的冲击严重威胁上封头紧固螺栓，更为严重的情况是上封头如一枚高速运动的弹头击穿安全壳，第三道安全屏障遭到破坏，放射性物质向环境释放，这种情形下的安全壳失效称为α-mode失效。德国FZK最早进行了BERDA实验[1-2]以研究α-mode失效的假设是否成立，如图1所示，实验装置与反应堆原型比例为1:10，部分构件材料与原型完全相同，部分构件材料为替代金属以模拟高温条件下的原型构件材料属性。BERDA实验证实：之前上封头及紧固螺栓可接受冲击能量的估计过于保守，从而堆内蒸汽爆炸引起的上封头脱离而导致安全壳失效的假设是不成立的。因此在1995年NRC召开的第二次SERG（SteamExplosionReviewGroup）会议上关闭了安全壳α-mode失效的研究，研究重点转为堆内蒸汽爆炸对压力容器下封头早期失效和堆外蒸汽爆炸危害的研究。图1BERDA实验示意图国际上关于蒸汽爆炸的研究主要分为两个部分，首先开展机理性实验，研究蒸汽爆炸机理和热能转化为冲击动能的比例（也称能量转化系数），然后应用实验获取的机理认识和数据进行程序开发，并最终将程序应用到全尺寸反应堆的安全分析。2实验研究为了获得蒸汽爆炸的机理性认识，国际上开展了FARO、KROTOS、TROI、PREMIX、ALPHA等著名实验项目。2.1FARO/KROTOS项目FARO/KROTOS项目是由JRC-Ispra发起的国际合作项目[3]，图2为FARO与KROTOS试验装置。FARO实验目的是模拟反应堆发生严重事故时，真实条件下大质量熔融物与水的接触反应，实验材料与堆芯熔融物基本相同，UO2、ZrO2、Zr、SS按一定比例配比，虽然质量比实际堆芯熔融物质量小两个数量级，但是比其他类似实验仍高出一个量级。FARO的水池深度达到2m，系统压力最高10MPa，实验获取数据包括注射熔融物在水中的破裂分布形式、能量释放曲线、碎片形状、水池底部热负荷以及金属锆氧化等重要信息，能够反应出熔融物在水中所经历过程的主要现象。为了认识蒸汽爆炸机理，在FARO实验之后开展了小规模的KROTOS基础实验[4]。实验材料为多种模拟金属，例如金属锡、Al2O3、UO2、ZrO2等，质量范围为1-10kg，温度为3300K，反应区域压力2.5MPa。a.FARO实验装置b.KROTOS实验装置图2FARO与KROTOS试验装置示意图2.2TROI实验韩国原子能研究院1997年开始组织TROI（TestforRealcOriumInteractionwithwater）实验[5-6]，装置如图3所示。金属材料为UO2、ZrO2、Zr、SS的混合物，如今韩国继续在TROI上进行实验，实验结果也成为程序开发与验证的重要依据。图3TROI实验装置示意图2.3PREMIX与ECO实验图4PREMIX与ECO实验装置示意图PEXMIX、ECO实验是在德国FZK开展的，如图4所示，其目的为研究蒸汽爆炸的整个过程，并获得能量转化比，为分析程序提供可靠数据，减少不必要的保守估计。两个实验中，堆芯熔融物模拟材料大部分为氧化铝，温度高达2600K。2.4ALPHA-MJB实验为研究金属喷射物在水中的分裂、破碎机理，日本原子能研究院在ALPHA项目框架下开展了MJB系列实验[7-8]，装置如图5所示。熔融物材料为低熔点的铅铋合金，反应水池体积为83cm×83cm×3000cm。图5ALPHA-MJB实验装置示意图2.5上海交大细粒化实验目前，上海交通大学是国内唯一开展过蒸汽爆炸机理实验研究的单位，建立了如图6所示的实验装置，用于研究高温金属液滴在水中运动及细粒化现象[9-10]。图6上海交大细粒化实验装置示意图实验中选用了纯锡（99%纯度）、铅锡合金（50%锡）、纯铅（99%纯度）3种金属或合金粉末作为实验材料，通过此装置研究了熔融液滴与水作用后的实验产物形状，高温金属球在水中的运动曲线，熔融液滴细粒化的影响因素，结果表明：熔融液滴的下落高度对细粒化过程的影响不大；水温和材料悟性对细粒化过程影响很大；熔融液滴初始温度是一个敏感参数，在400~500℃之间发生细粒化的效果最明显。3机理认识经过30年的研究，对蒸汽爆炸的机理有了深刻的认识，普遍将蒸汽爆炸过程分为4个阶段[11-12]，分别是预混合、触发、传播、爆炸。3.1预混合当熔融物落入水中之后会破碎成毫米级到厘米级大小的颗粒，释放热量，产生蒸汽，生成熔融物-水-蒸汽的混合物，因为这个过程在蒸汽爆炸之前，所以在蒸汽爆炸术语中称为预混合（premixing）。图7为实验中拍摄到的预混合景象，在预混合阶段，熔融物的释热受到包裹蒸汽的低导热率限制，熔融物颗粒外部为固体表层，内部为高温液体。预混合物类似于油-空气的混合物，当油气混合物温度升高时就会引起爆炸。同样，当预混合物中局部区域的熔融物出现细粒化，细粒化反应会迅速大范围传播，此时熔融物与水的接触面积骤增，水的汽化加剧，产生爆炸。细粒化现象类似传统爆炸中的剧烈化学反应。预混合物是不同物质，不同相态的组合，对蒸汽爆炸的热力学过程有重要影响。经过实验验证，任何偏离最佳比例的预混合物对蒸汽爆炸的触发都有阻碍作用，即使触发，也会对爆炸起到缓解作用。在预混合过程中，对一个封闭系统，温度、压力的变化取决于熔融物的坠落速率。蒸汽爆炸未发生时，熔融物聚集在底部形成粒子床，在衰变热的作用下可能会形成液态金属池。三哩岛事故中，20吨熔融物聚集在下封头形成粒子床，压力升高2MPa，但未发生蒸汽爆炸。KROTOS实验发现，不同组分的金属材料形成的预混合区大小有所不同，氧化铝的预混合区占据了整个反应水池截面，真实熔融物的预混合区更集中围绕熔融物下落中心线，而且氧化铝颗粒的平均直径为10mm，熔融物颗粒的平均直径为2mm。通过KROTOS与FARO的对比，说明预混合过程中熔融物颗粒的大小与金属材料、组分及液态金属释放速率相关。图7金属熔融物与水反应的预混合过程3.2触发预混合区的稳定性取决于包裹熔融物颗粒的蒸汽膜的稳定性。当局部的蒸汽膜脱落，液态金属与水直接接触，可能会引发局部的熔融物细粒化，细粒化加剧并在几毫秒的时间内传播到整个混合物区，系统会急剧升压，局部压力可达几十MPa。把引起细粒化的初始事件成为触发，触发可能来自内部（熔融物触底），也可能来自外部（震荡）。实际上，在实验中观察到的蒸汽爆炸，触发几乎全部是来源于熔融物触底。对这一现象的解释不是很充分，但可以肯定的是沸腾机理发生改变（膜态沸腾转变为核态沸腾）会造成局部的压力脉动，能够触发蒸汽爆炸。实验中发现在不锈钢底部安装热塑料衬垫能够明显抑制蒸汽爆炸，从而说明沸腾机理改变是蒸汽爆炸的触发事件。轻微改变金属熔融物组分，例如从共晶变为非共晶，或者在预混合区内添加惰性气体都能阻止蒸汽爆炸的发生。在FARO与KROTOS使用非共晶材料，实验中并没有发现明显的蒸汽爆炸，但在TROI实验中使用共晶的70%UO2与30%ZrO2混合物，更容易产生蒸汽爆炸。三哩岛事故中未发生蒸汽爆炸的原因推测为不具备触发条件，熔融物在下封头内与水接触时，压力大于100巴，过大的蒸汽体积份额，不凝性气体氢气的产生以及非共晶的熔融物都因素起到了抑制出发的作用。3.3传播蒸汽膜塌缩会造成熔融物细粒化及液态金属与水的直接接触传热这一现象已得到公认，这个过程称为热裂，首先影响到几个熔融物颗粒，然后波及临近的颗粒，层层向外传播。如果混合物金属颗粒的密度足够大，空泡份额比较低，传播的速度会迅速增加，甚至达到超音速。熔融物的能量释放维持一个冲击波，波前沿以准稳态穿过整个混合物区域。普遍认为，单独依靠热裂作用是不能产生冲击波的，而是波在前进过程中，热力裂变被动力裂变所替代或补充，而动力裂变是由液态金属颗粒与冷却水的运动速度不同引起的。对于反应堆压力容器的尺度，传播过程几毫秒就可完成。熔融物的性质在几个方面影响到传播过程。熔融物颗粒外部的固体包层能够阻止冲击波引起的细粒化，显著减小参与爆炸的液态金属量。近期的研究表明，氧化铝与真实熔融物的辐射性质不同（氧化铝半透明，熔融物不透明），对液体金属的表面固化有影响[13-14]。通过分析爆炸与未爆炸实验的颗粒，发现氧化铝的化学性质能够强化爆炸过程中的能量释放。在TROI实验中，共晶与非共晶熔融物组分在蒸汽爆炸时表现出了不同的力能学，共晶的70%UO2与30%ZrO2的爆炸效率大于78%UO2与22%ZrO2的爆炸效率，起原因归结于后者的浆状区域的粘性更大，对细粒化是一种阻碍[15]。3.4爆炸目前为止，所有计算蒸汽爆炸的程序均不能对上述物理化学现象直接建模，一般基于两种概念，一是微作用（micro-interaction），二是非平衡传热。程序中关于细粒化、能量释放、传热系数、触发事件、能量分配等参数都需要作为输入，这些参数直接决定给定预混合物的爆炸能量。图8为SERENA-1成员应用不同程序计算出的堆外蒸汽爆炸对墙壁的冲击[16]，计算结果具有很大的发散性，从中等破坏水平变化到严重破坏水平，而且依赖于堆腔的结构设计。目前的蒸汽爆炸模型非常丰富，当务之急就是确定一组较为合理的参数，较为保守且合理的评估蒸汽爆炸的危害。蒸汽爆炸与熔融物组分密切相关，在大尺度FARO实验中，熔融物含有4%Zr，几乎难以触发蒸汽爆炸。在小尺度ZREX实验中，熔融物含有超60%Zr，蒸汽爆炸的能量转化系数与KROTOS的氧化铝相当，因此熔融物组分对蒸汽爆炸的影响还需继续研究。压力容器下封头的失效位置目前没有定论，目前的蒸汽爆炸程序多为2D，无法计算下封头侧面失效，熔融物在堆腔引起的蒸汽爆炸[18]。a.堆内蒸汽爆炸模拟结果b.堆外蒸汽爆炸模拟结果图8不同程序计算的蒸汽爆炸作用力4总结通过对蒸汽爆炸的实验研究，对蒸汽爆炸的机理有了一定的认识，但无法量化或模型化其中的物理过程。目前，已经形成了多款能够计算蒸汽爆炸的程序（IKEMIX，JASMINE，MC3D，VESUVIUS，ESPROSE），程序采用了不同的物理模型与数值方法，并通过实验进行了验证，但根据现有知识很难对其应用于全尺寸反应堆模拟的准确度做出评价。不同的机构应用不同的程序进行了蒸汽爆炸的安全评估，计算结果具有很大的发散性，缺少说服力。具有IVR-ERVC系统第三代反应堆，必须考虑到RPV内蒸汽爆炸可能造成的下封头早期失效。造成下封头失效的冲击能量为1~1.5GJ，大约3-5t熔融物储存的能量。T.G.Theofanous，W.W.Yuen等人从4个技术方面对RPV内蒸汽爆炸进行研