基于COMSOL的COPRA熔融池实验仿真研究

朱光昱 闵金坤 张 丽 元一单

1（中国核电工程有限公司核电安全研究中心 北京 100840）

2（生态环境部核与辐射安全中心 北京 100082）

3（清华大学工程物理系 北京 100084）

熔融物堆内滞留技术（In-vessel Retention，IVR）是目前广泛采用的核反应堆严重事故堆芯熔融物滞留方案，其有效性取决于反应堆压力容器下封头壁面是否可以有效导出熔融物的衰变热。为了研究反应堆严重事故后压力容器内熔融池与冷却壁面的换热特性，国内外设计了许多压力容器下封头二维切片 实 验 台 架 ，例 如 COPO［1］（COrium Pool avec formation de glace aux parois）、BALI［2］（BAin Liquide）、SIMECO［3］（Simulation of In-vessel MElt COolability）以及由中国核电工程有限公司和西安交通大学针对华龙一号堆型搭建的COPRA 实验台架［4−5］（COrium Pool Research Apparatus）。 其 中 ，COPRA实验采用了穆尔比为20%NaNO3-80%KNO3的二元混合物作为实验工质，该二元混合物与反应堆内真实熔融物UO2-ZrO2的相图存在相似性［4］，可以较为准确地模拟下封头熔融池内的熔融物相变行为和高瑞利数自然对流工况，为IVR 相关系统设计提供了必要的技术储备。由于熔融池内的物理变化过程十分复杂，限制了COPRA 实验中测量手段，需要建立仿真计算模型来弥补实验的不足。对此，本文基于COMSOL Multiphysics多物理场计算软件建立了一种熔融池计算模型，通过耦合湍流场和传热相变过程，实现了对COPRA 实验熔融池内的流动传热、相变过程的仿真模拟。

1 仿真模型

1.1 数学物理模型

采用COMSOL 软件中的非等温传热模块耦合实验中的流体传热、相变和湍流流动。穆尔比为20%NaNO3-80%KNO3的二元混合物具有较大固液相线温差，适宜采用流体传热模块中的相变材料模型进行模拟，其原理如图1所示，温度低于固相线区域采用固相物性计算，温度高于液相线区域采用液相物性计算，在固液相线之间采用固液两相按体积平均的物性参数进行计算。……