钠冷快堆柱状流钠火仿真研究

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第四代反应堆相比第三代反应堆在有效地利用核资源,固有安全性等方面有了进一步的提高。在各种备选的四代堆型中,最可能满足商用运行需求的堆型之一就是钠冷快堆。然而当作为冷却剂的液态金属钠发生泄漏时会引发钠火事故,严重威胁反应堆的安全运行,因此本研究针对钠火事故中的柱状流钠火进行了仿真建模研究。本研究结合现有的柱状流钠火的实验研究成果,同时采用了液体射流理论,液态钠燃烧模型和液池扩展模型等一系列成熟的理论模型,完成了柱状流钠火的仿真模型。随后基于仿真模型对流体计算软件FLUENT进行二次开发,并利用该软件完成了最终仿真模型计算,得到了燃烧温度场、燃烧速率和氧浓度变化等各种参数。为了验证仿真模型的有效性,将仿真结果与柱状流钠火的实验数据进行了比对验证,仿真模型对于柱状钠火中心燃烧区域仿真有较高的精度,对于燃烧区域最高温度的预测误差不超过10%。此外还通过改变柱状流钠火的初始条件进行仿真计算,对影响柱状流钠火的因素,包括初始环境氧气浓度,液态钠温度和流量进行了研究分析。根据仿真结果,在柱状流钠火发生时,较为集中的雾化燃烧会导致局部区域温度迅速上升,与外围区域产生较大的温度差,但由于氧气浓度的限制,燃烧速率会随着氧气消耗而降低,雾化燃烧区域的温度到达一个峰值后就会回落。本研究进行了不同初始条件下的仿真,包括初始环境氧气浓度10-20%,初始液态钠温度250-500℃和液态金属钠的流量0.1-0.3kg/s。仿真结果显示,影响柱状流钠火的主要因素是钠流的流量和周围环境的氧气浓度。初始环境氧气浓度下降会使得柱状流钠火的燃烧速率和相应的温度峰值产生明显下降,当初始氧气浓度下降到10%,柱状流钠火产生的温度峰值只有不到600℃。初始流量的变化直接影响柱状流钠火,更高的流量导致燃烧速率上升,当流量从0.1kg/s增加到0.2kg/s,初始燃烧速率提升了一倍,而当质量流量增加到0.3kg/s时,由于受到氧气浓度的制约,燃烧速率只提升了约五分一,燃烧中心区域产生了1000℃左右的高温。这些研究为柱状流钠火的评估和防护提供参考。
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