作者:Chan Y. Paik，博士，Fauske & Associates, LLC . Methods Development副总裁
1.介绍
Fauske & Associates LLC (FAI)的能力之一是开发和使用计算模型，以帮助分析核电站瞬态和严重事故。在本技术公报中，介绍了该公司的新功能模块化事故分析程序(MAAP)以模拟包层和燃料材料，而不是锆(Zr)和二氧化铀(UO2)在一个严重的事故。MAAP是由EPRI(电力研究所)拥有和许可的软件，用于预测涉及堆芯熔化的严重事故中的热工水力和裂变产物反应。MAAP可以确定堆芯暴露的时间、反应堆外壳失效的时间、堆芯熔化和堆芯退化程度的时间、容器失效的时间以及最终源项释放到环境中的时间。
以福岛第一核电站为例，发生了电站停电事故(SBO)，现场和场外的电力都失去了很长一段时间。由于长时间失去所有电源，堆芯燃料组件被衰变热暴露并过热，导致燃料棒包壳和通道盒Zr与蒸汽发生反应。在高温下，锆合金与蒸汽发生能量反应，产生氧化锆和氢。熔覆层氧化过程中释放的反应能量远远超过衰变热，从而提高了熔覆层的升温和拆卸速度。此外，氢气的产生增加了安全壳和附近结构中燃烧(爆燃和爆炸)事件的风险。锆和蒸汽的反应最终导致福岛第一核电站发生氢气爆炸。
鉴于福岛第一核电站在严重的事故中，核工业和美国能源部正在开发和评估使用锆合金以外的包层核燃料的优势，以尽量减少或完全避免发生在福岛第一核电站的反应。这些新型包层材料的目的是提供良好的高温材料性能，并防止或减少在严重事故中产生氢气。除了新的包层材料，新的燃料材料(除UO2)也在考虑之中。在MAAP 5.05版本中增加了新的包层和燃料材料的建模能力1这样，事故容忍燃料(ATF)的开发人员就可以评估他们的新材料在严重事故时的反应。在本技术公报中，只给出了压水堆中SiC包层材料对SBO和SBO的AFW响应。然而，代码功能是通用的，足以用于广泛的ATF材料的压水堆和沸水堆。
2.模型描述
为了模拟ATF材料的性质和反应现象，用户可以指定以下性质:1)燃料、包壳和包壳氧化物材料的性质，2)包壳与H的氧化和挥发反应2O, 3)燃料和燃料包壳失效准则，4)燃料材料裂变产物释放率。对于给定的ATF材料，包层、燃料和包层氧化物材料(与蒸汽/水反应产生)需要下列特性:密度、比热、比热内能和导热系数作为温度的函数;以及熔化温度、熔化潜热、粘度、表面张力和分子量。用户可以定义氧化反应方程和反应速率，挥发反应方程和挥发速率。
在本技术公报中介绍的例子中，碳化硅(SiC)被用作替代包层材料。碳化硅的氧化和挥发数据可从[塔拉尼2, 2014]。SiC和SiO的其他热物理性质在公开文献中都有2．SiC的氧化速率方程为抛物线型，导致氧化层的生长速率与氧化层厚度成反比。另一方面，得到了SiO的挥发速率方程2与氧化层厚度无关。在高压下，挥发率大到足以挥发熔覆表面形成的几乎所有氧化物。在本规范中，抑制氧化层的挥发，直到氧化层增长到用户指定的最小氧化层厚度。
3.PWR SBO结果与SiC和Zr包层没有任何缓解
为了说明使用容错燃料材料所带来的潜在好处，本文分析了类似锡安核电站(即带有大型干安全壳的西屋4回路压水堆RCS)的SBO方案。表1显示了锆合金包层和UO2燃料、SiC包层和最小氧化层为1 μm的UO2燃料以及SiC包层和UO2燃料假设没有挥发的压水堆SBO的关键计时总结。
图1比较了锆合金和碳化硅版本的压水堆核电站停电场景的堆芯升温情况。发现核心后，在大约7,577秒时，最热节点的温度稳定上升，直到高度放热的锆氧化导致锆合金包层的温度比两种SiC包层的温度上升得更快。这将导致严重的堆芯熔化和拆卸，当热腿蠕变破裂后蓄能器注入开始时，在11456秒时，由于堆芯几何形状的退化，冷却剂无法到达堆芯内部。另一方面，碳化硅氧化反应比锆合金氧化反应贡献的热量少得多。在碳化硅层序中，岩心温度保持较低，岩心保持原来的几何形状。这使得在热腿蠕变破裂约12564秒后，当蓄能器注入启动时，堆芯能够迅速冷却。当堆芯中的冷却剂全部沸腾后，堆芯再次升温并开始熔化。对于ATF材料，材料间的相互作用和核心的共晶形成是无效的。当核心材料移到下静压箱时，碳化硅包壳的运行终止。图1还显示了SiC包层中最热的核心节点温度，假设没有硅氧化物(SiO)的挥发2)．没有硅氧化物挥发，更大的氧化物厚度和更小的包层氧化率预测，导致一个较慢的核心升温。在本例中，挥发的影响很小，因为用户输入的最小氧化层厚度为1微米，大多数时候都抑制了挥发。一旦氧化层厚度达到1微米，氧化层就不生长了，因为挥发速率大于氧化速率。
图2和图3比较了锆合金熔覆层、SiC熔覆层和没有挥发的SiC熔覆层中产生的氢和一氧化碳的总量。从图2可以看出，SiC熔覆层产生的氢气明显少于锆合金熔覆层。
图1:PWR电站停电的最热核心节点
图2:压水堆电站停电时产生的总氢气量
图3:压水堆电站停电时产生的一氧化碳总量
4.水轮机驱动1h AFW对SiC和Zr熔覆的压水堆SBO结果
在这种情况下，假设所有蒸汽发生器都有1小时的涡轮驱动辅助给水(TD-AFW)可用。由于TD-AFW在蒸汽发生器中有更多的水，堆芯发现延迟到17390秒。Zr熔覆层的热腿蠕变断裂时间为22232 s, SiC熔覆层的热腿蠕变断裂时间为23456 s。核心中最热节点的温度如图4所示。从图中可以看出，SiC包层最热核节点温度达到2500 K的时间比Zr包层延迟约6400秒。
图4:在水轮机驱动辅助给水1小时的情况下，压水堆站停电时最热的核心节点
5.结论
在本技术公报中，新功能MAAP引入了容错燃料材料模型。本文的分析说明了ATF材料对事故进展、氢产生的总质量和重大事件发生时间的影响。引进了新型号MAAP v5.05可用于分析广泛的材料，正在研究制造事故容忍燃料。
1MAAP v 5.05目前正在测试中，预计在2017年晚些时候发布
2Kurt A. Terrani, Bruce A. Pint, Chad M. Parish, Chinthaka M. Silva, Lance L. Snead, Yutai Katoh, 2014，碳化硅在蒸汽中氧化至2mpa，美国陶瓷学会学报，第97卷，第8期，2014年8月。
欲了解更多信息，请联系:Chan Young Paik (630) 887-5217，paik@fauske.com,m.domyth.com
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