DDT在严重事故中的概率

借助于：Wison Luangdilok，高级咨询工程师，Fauske＆Associates，LLC

1.介绍
在核严重事故期间具有严重损害的氢气爆炸不是假设的事件。氢爆炸风险是真实的。在概率安全评估（PSA）的世界中，自1979年3月在遏制三英里岛屿单元2（TMI-2）爆炸以来，氢气爆炸风险的测定是一个主要的兴趣领域[5] [5]。最近的证据是在单元1的反应堆建筑物和单元3福岛第一反应器[6]的爆炸。有趣的是，在单元3反应堆建筑物氢爆炸是由在单元1中的爆炸单元1中的爆炸是从反应器中建筑物的顶层水平定向的非常不同。建筑屋顶和侧面被爆炸吹走，但混凝土支柱仍然完好无损，损坏很小。单元3中的爆炸是完全不同和高度充满活力的。似乎（从录像）至少有两个爆炸。第一个是较小的精力充沛，水平指向（类似于单位1）。第二个是垂直引导，几乎完美的球形火球出现在建筑物上方，射入非常高的天空。 Large chunks of materials appeared to be carried up high with the fireball. Contrary to unit 1, the concrete pillars on the building top floor as seen from pictures were highly damaged.

本文提出了一种定量计算严重事故中以爆燃-爆轰过渡(爆燃-爆轰过渡)形式氢爆炸可能性的新方法。到目前为止，在严重事故情景下滴滴涕的可能性的确定一直受到定性专家意见的影响。Sherman和Berman[2]方法给出了滴滴涕的概率，需要定性的工程判断，这可能是非常主观的。据作者所知，目前还没有提出定量的方法来计算这种概率。提出的方法使我们能够量化任何给定的严重事故序列的滴滴涕概率，可以通过严重事故分析代码进行模拟。不同的事故序列会有包层氧化、产氢速率和释放氢速率的不同特征，因此会有不同的滴滴涕概率。滴滴涕概率的定义是基于燃烧物理学和一个假设，即随机点火总是存在于任何时间，就像TMI-2和福岛第一核电站事故所经历的那样。利用MAAP分析模拟事故序列并计算7λ准则。MAAP分析的目的是确定在事故过程中安全壳大气条件是否存在易燃或可拆卸条件。可燃气体的浓度在很大程度上取决于每个事故场景中可燃气体的产生和消耗之间的平衡。 The 7λ criterion is the latest method proposed by an expert group commissioned by OECD/NEA that set the standard for DDT evaluation at present time [3]. DDT conditions can be calculated at every time step of the accident simulation in every containment node. Here the DDT condition refers to the gaseous mixture that has compositions that meet the criteria of flame acceleration (FA) and the detonation cell size that allows DDT to develop within the characteristic length of the compartment. When the DDT condition is detected in the accident simulation, it means that all necessary conditions for DDT are present.

2.滴滴涕概率的建议定义
DDT概率的定义是基于可以在严重事故代码中建模的燃烧物理，并假设随机点火在任何时候都具有相同的概率。如果只有可拆卸的条件存在，则滴滴涕发生的概率简单地分配为1，即滴滴涕的时间窗足够长，以至于是否存在随机点火没有问题。如图1所示，如果在滴滴涕窗口之前有向下易燃的非滴滴涕条件，DDT概率仅仅是定义为一个比DDT的时间窗口DDT的结合时间窗口和修易燃non-DDT窗口(图2)。修易燃non-DDT条件之前DDT窗口有一个潜在的消费当时可用的可燃气体,防止DDT之后发生。因此，前面的可燃非滴滴涕条件降低了滴滴涕窗口内滴滴涕的概率。

图1所示。滴滴涕概率的建议定义

当DDT发生时，应假定遏制将失败灾难性。因此，DDT概率也是DDT遏制失败的概率。也就是说，根据我们提出的定义，由“i”表示的任何构建节点中的DDT概率

t_{滴滴涕,我}

_{P.滴滴涕,我=-----}

t_{滴滴涕,我}+ T_DF,我

在哪里t_{滴滴涕,我}=节点i存在连续可拆卸条件的DDT时间窗口
t_DF,我=节点爆燃时间窗口我在此期间，连续向下易燃条件在节点i的DDT窗口的开始之前存在

基于可溶性混合条件的时间比计算DDT概率。没有关于点火源的知识，可以点燃这些混合物。然而，简单地假设用于表达概率的易燃或可扰动时段的随机点火的等同可能性。由于DDT条件可全局或局部发生以上给出的定义可以被施加到该容器的全局或本地的条件。然而，由于局部释放和氢的积累，更有可能在局部发生局部地发生。

3.严重事故代码模拟氢气产生，分布和消费
对于DDT概率所提出的方法需要一个严重事故时的本地和全球的气体成分的压力和反应堆安全壳的温度信息。可以关注的严重事故情景的模拟与严重事故的代码，如提供这种资料maap [4.］．这些信息将用于确定下燃时间窗和滴滴涕时间窗。

严重事故分析的目的是确定的遏制大气条件和事故的过程中，是否存在易燃，易爆的条件。可燃气体的浓度在很大程度上取决于个人在事故情况的产生，消费和可燃气体的输送之间的平衡。的MAAP代码模拟堆芯熔化过程，并产生氢源项到容纳。氢的壳中的分布将取决于细节和容纳被如何划分成在输入子隔间。仿真应当是尽可能真实关于消耗可燃气体的机制。的模型和旨在反映在事故模拟燃烧现象的物理假设详细的解释[1]中找到。

图2：可燃性限制[7]和诱导的点火限制[8]

4. DDT评估方法
提出了两种滴滴涕评价方法。谢尔曼和伯曼[2]的老方法将滴滴涕的概率分为五类，即:滴滴涕极有可能(p=0.99)、滴滴涕极有可能(p=0.9)、滴滴涕可能发生(p=0.5)、滴滴涕可能但不可能(p=0.1)和滴滴涕极不可能(p=0.01)。该方法根据爆轰室宽度将可燃气体混合物分为5类。该方法还将含有可燃混合气的隔间按其几何形状和内部障碍物促进火焰加速的程度分为五个几何类别。在膨胀的未燃烧气体的路径上有障碍物的大而受限的几何形状被认为是最有利于火焰加速的。如果在上述路径上增加横向排气，则认为这是阻碍火焰加速的特征。如果从路径上移除障碍，几何形状被认为是中立的DDT。大体积且几乎没有任何障碍和大量的排气横向火焰路径是不利于火焰加速的。最后但并非最不重要的是，在大尺度上完全不受限的几何结构被归类为如此不利于火焰加速。根据感兴趣的条件分配的混合类和几何类，分配五种滴滴涕概率类别中的一种。 The problem and the difficulty with this method lie in the determination of geometric class which requires too much qualitative engineering judgment. Actual plant geometries can be very complicated such that subjective judgment by different people can lead to diverse answers.

由OECD / NEA委托一个专家小组提出的更近的方法。该集团“火焰加速和爆燃到爆震转核安全国家的最先进的报告（SOAR）”即设置DDT评价标准在目前的时间[3]发布了所谓的。该SOAR方法是基于理论思考和火焰加速（FA）和爆燃转爆轰（DDT）的实验数据最多的年份1993年执行到1999年。这是很重要的1999年，大多数实验认识到，宽度做法爆炸电池根据文献多达20世纪80年代是不一样的SOAR方法。所述SOAR方法使用σ-判据火焰加速和DDT一7λ标准为前提条件。的σ-标准是混合物的反应性的量度，以促进火焰的加速。σ是指定义为未燃烧到燃烧混合物密度比的膨胀比。膨胀比必须大于火焰加速临界膨胀比（σcritical）（它是一个先决条件，以DDT）发生大。而膨胀比表示混合物的反应性，临界膨胀比被认为是慢的火焰和快速加速火焰之间的边界。该临界膨胀比是温度的函数。 The critical expansion ratio decreases with increasing temperatures. The detonation cell width (λ) is a basic parameter used for characterizing the sensitivity of a mixture to detonation initiation. The 7λ criterion is a measure of the effect of scale on the detonation onset. Experimental data performed extensively in the 1990s to support the SOAR report generally showed a good agreement with the 7λ criterion over a wide range of scales and mixture compositions. Both criteria are as necessary conditions for onset of DDT. Meeting or exceeding these criteria does not necessarily result in DDT. The criteria are only necessary conditions. The criteria are not sufficient conditions for DDT. Using this methodology for quantifying DDT likelihood is the same as assuming that these criteria are sufficient conditions for the onset of DDT.

5.例子
作为实例，本文提出的定义适用于具有大型干安全壳的1000mwe压水堆的严重事故。第一个例子假设在热停堆期间堆芯冷却失败，导致堆芯熔化、容器失效和MCCI。产生了大量的氢气，但安全壳的气氛因蒸汽而变得惰性。事故后期，在容器失效后很长一段时间内，安全壳喷雾驱动被认为是通过蒸汽冷凝来降低安全壳压力，并且腔体最终被喷雾水淹没。图3显示了喷淋水淹没空腔时蒸汽、H2、CO和O2的体积分数随时间的变化情况。图4显示了另一种情况下，当空腔流动路径不允许喷雾水漫射空腔时，蒸汽、H2、CO和O2的气体体积分数。两幅图中还显示了每一病例3天以上计算和监测的滴滴涕概率。当H2体积分数增加到14%，蒸汽体积分数(最初较高)降低到15%时，滴滴涕概率由零值变为非零值。由于玄武岩混凝土中MCCI产生大量可燃气体(主要是氢气)，事故发生3天后，DDT概率增加到0.75。

然而，当假定空腔没有被喷淋水淹没，并且在MCCI条件下保持干燥时，空腔内的熔融岩屑池仍然非常热。mcci驱动的熔融岩屑池可以通过气体鼓泡和熔融喷发过程[9]产生热的“飞粒子”。假设这些热粒子点燃腔内形成的可燃气体混合物。这个过程可能会持续下去，直到足够的氧气被消耗到整个容器缺氧的状态。作为一个结果,DDT的概率仍然是零在整个事故序列(图4)。这个例子表明可燃气体的浓度(这是由移动过程)控制的高温性质的低水平移动的过程本身提供的空泡流路径不太限制允许氧气会从容器的其他部分进入空腔mci熔渣燃烧模式存在不确定性。本研究假定燃烧模式为多次热表面引起的爆燃。然而，在熔融碎片上以扩散火焰燃烧也是可能的。 In either mode, hydrogen would be consumed and the trend would be the same.

图3：实施例PWR严重事故序列DDT概率

由于后期安全壳喷淋驱动而产生的淹没空腔

图4 PWR实例中严重事故序列的DDT概率

晚安全壳喷淋启动，但空腔保持干燥

图5:没有par的PWR实例中严重事故序列的DDT概率

作为另一个例子，所提出的定义适用于大型干安全壳压水堆中同时发生的大型LOCA和SBO事故。事故导致堆芯熔化，容器失效，空腔内充填石灰石混凝土MCCI。在这种情况下，生成了大量的CO和少量的H2。计算滴滴涕概率并监测3天。DDT概率峰值0.866的值作为最终结果产生大量的可燃气体的移动(图5)。当0.886是达到的峰值对应于爆轰时细胞宽度增加了超过2 m, DDT的大小没有观察到任何实验[3]。在本研究中，它被用作爆轰室宽度截止判据。当滴滴涕概率从零上升到峰值时，爆轰室宽度呈u形减小和增大。爆震室宽度的减小是由于可燃气体浓度的增加，而增加是由于安全壳压力的增加，在此期间，安全壳压力增加约0.8 bar至总压力5.5 bar。

然而,当植物被认为是配备合理数量的PARs相称的严重事故因素(如~ 50 kg-mole /人力资源的可燃气体产生率从移动),计算DDT概率是0(图6)。在这个例子中,公司不是建模被部分氧化为二氧化碳。如果模拟CO氧化，CO浓度将小于图6所示，而H2浓度将较高。

众所周知，在核心熔体过程中，对解析的氢重组率太慢，以应对极其快速的锆合金 - 蒸汽反应速率（例如，〜0.3kg / s或更多）。该第二示例演示了，PARs具有可控制从MCCI过程产生的可燃气体到无法进行DDT的水平。来自MCCI工艺的可燃气体的产生速率不是太快，可以通过分析的重组率治疗。

图6：实例PWR的严重事故序列的DDT概率，无需PARS

• 该方法是定量的，客观的，并使用该计算事故条件机理上尽可能使用7λ方法定量计算DDT限制的严重事故码完全是基于的事故情形模拟。
• 这种方法消除了过去实践中所需要的主观和定性判断。
• 计算得到的概率是事故时间的函数，是事故序列的唯一特征。
• 不同事故场景的滴滴涕风险可以很容易地进行排名。

有关更多信息或讨论，请联系Wison Luangdilok，luangkilok@fauske.com,630-887-8245。m.domyth.com

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