核電犧牲混凝土制備與作用機理研究.pdf

1、從1957年世界第一座商用壓水堆核電站在美國建成投運至今，美國三里島核電站、前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站和日本福島核電站先后發(fā)生過三次重大核電事故，后兩次事故中均有放射性物質(zhì)泄漏到外部環(huán)境中，對社會造成嚴(yán)重危害。法國EPR（歐洲壓水反應(yīng)堆）堆型和韓國ALWR（改進(jìn)型輕水反應(yīng)堆）堆型等不同類型第三代核電站的設(shè)計中均引入了堆芯捕集器，用于在壓力容器外冷卻、封存熔融物，避免放射性物質(zhì)的泄漏。犧牲混凝土是堆芯捕集器的重要組成部分。嚴(yán)重核電事故中，犧牲

2、混凝土與堆芯熔融物接觸后，會受熱熔化與之混合，并降低其固相和液相溫度，同時混凝土中的Fe2O3和SiO2能夠氧化熔融物中的鋯，SiO2還可以在高溫下形成玻璃態(tài)基體包容住放射性裂變產(chǎn)物。因此研究犧牲混凝土的制備方法、性能以及作用機理對于提高核電站安全性具有重要意義。
　　 本文首先以EPR用核電犧牲混凝土性能要求為指標(biāo)，研究了犧牲混凝土的制備方法與基本物理力學(xué)性能。研究結(jié)果表明:
　　 本文制備的犧牲混凝土坍落度均大于18

3、0mm，自由水含量低于5％，標(biāo)養(yǎng)28d齡期的抗壓強度均超過65MPa，堆坑區(qū)硅鐵犧牲混凝土中SiO2和Fe2O3的含量分別高達(dá)48.8％和30.0％，滿足EPR用犧牲混凝土的性能要求。
　　 其次，研究了硅鐵犧牲混凝土在高溫作用下的形貌變化和性能演化，并利用CT掃描、X射線衍射分析(XRD)、熱重-差熱分析(TG-DSC)等測試技術(shù)獲得了犧牲混凝土在高溫下的孔結(jié)構(gòu)變化及產(chǎn)物演變。研究結(jié)果表明:
　　 (1)隨溫度升高，犧

4、牲混凝土中的C-S-H凝膠和Ca(OH)2水解失水、CaCO3分解，表面逐漸疏松，微細(xì)裂縫和寬大裂縫增多，孔隙率最多增加了31.3％～42.8％，900℃時犧牲混凝土殘余抗壓強度為初始強度的27.1％～33.0％。1120℃時犧牲混凝土開始熔化，1150℃時，試件因熔化而完全失去其原有形態(tài)。
　　 (2)聚丙烯纖維的摻加降低了犧牲混凝土的流動性和強度，但其在高溫熔化后形成的孔道有利于CO2和H2O的逸出，減弱了高溫下孔內(nèi)氣體壓力

5、增加對孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，使高溫殘余強度提高了5％～8％，并且試件在1000℃下不爆裂。
　　 在核電犧牲混凝土優(yōu)化的基礎(chǔ)上，建立EPR核電廠模型，采用MELCOR程序計算并分析了小破口失水嚴(yán)重事故序列(SBLOCA)下MCCI相關(guān)的主要現(xiàn)象。研究結(jié)果表明:
　　 (1)事故發(fā)生后，4360s時壓力容器熔穿，堆芯熔融物主要在4360s～5000s和7455s～9767s兩個時間段內(nèi)掉入堆坑。14398s時堆坑底層混凝土

6、先熔穿，熔融物溫度降低為2176K;21294s熔融物將擴展區(qū)底層混凝土熔穿后掉落至氧化鋯層上，此時熔融物溫度僅為1777K，遠(yuǎn)低于氧化鋯的熔點2953K，并且其溫度持續(xù)不斷降低，因此熔蝕停止，熔融物密度降低為4.3×103kg/m3，熔蝕進(jìn)入熔融物的混凝土組分質(zhì)量為8.4×104kg;30天后，熔融物溫度降低為942K，已經(jīng)固化于擴展區(qū)中。堆坑和擴展區(qū)混凝土熔蝕過程中總共產(chǎn)生了255kg的氫氣。
　　 (2)計算的嚴(yán)重事故序列

7、下堆坑區(qū)混凝土穩(wěn)定的軸向熔蝕速率約為5.5×10-5m/s，與針對EPR堆型開發(fā)并經(jīng)過模擬試驗驗證的程序所計算的結(jié)果基本一致，說明結(jié)合本章建立的EPR模型，采用MELCOR程序計算的嚴(yán)重事故序列結(jié)果具有較好的可靠性。
　　 最后，計算并分析了混凝土熔蝕溫度與類型、熔池分層模型和堆坑底層混凝土厚度對堆坑內(nèi)MCCI相關(guān)主要現(xiàn)象的影響。研究結(jié)果表明:
　　 (1)與1511K熔蝕溫度相比，1431K熔蝕溫度下熔融物總質(zhì)量增加3

8、.6％，密度降低10.5％，氫氣產(chǎn)量增加5.4％，堆坑底層混凝土熔穿時間縮短4.9％。造成這些差異的主要原因是熔蝕溫度與混凝土熔蝕焓基本成正比，而與熔蝕速率成反比。在確保混凝土層熔穿前能夠收集全部掉落的堆芯熔融物的前提下，宜選用低熔蝕溫度的混凝土。
　　 (2)在采用不同類型混凝土的情況下，熔蝕進(jìn)入熔融物的混凝土組分以石灰?guī)r混凝土為最少，硅質(zhì)、玄武巖混凝土基本一致，硅鐵混凝土最多;硅鐵混凝土的熔蝕速率也最快，堆坑熔穿僅需9442

9、s～10038s。石灰?guī)r混凝土中碳酸鹽含量最高，致使其熔蝕過程中產(chǎn)生了多達(dá)3688kg的氣體，是其它類型混凝土的5倍～7倍，吸收的熱量也最多，因此堆坑熔穿時，其對應(yīng)的熔融物溫度最低，僅為2100K。硅鐵、硅質(zhì)混凝土最適于用作犧牲混凝土，既能減少氣體的產(chǎn)量，又能在較短時間內(nèi)降低熔融物溫度。
　　 (3)采用熔池分層模型后，熔池由下至上按密度高低一般分為三層:重氧化層(HOX)、金屬層(MET)、輕氧化層(LOX)。重氧化層阻礙了金

10、屬層與底層混凝土中氧化物組分的反應(yīng)以及熱量傳遞，因此軸向熔蝕速率明顯減慢，堆坑熔穿時間延長87.3％。輕氧化層存在于金屬層和含有水蒸汽的外部環(huán)境之間，因此其存在與否直接影響了氫氣的產(chǎn)生速率，堆坑熔穿過程中，熔池分層結(jié)構(gòu)下的氫氣總產(chǎn)量比混合結(jié)構(gòu)下要多6.8％。堆坑熔穿時，分層結(jié)構(gòu)下，熔池由下至上各層溫度分別為2258K、2207K、2131K，而混合層結(jié)構(gòu)下混合層的溫度為2175K。
　　 (4)與45cm厚的堆坑底層混凝土相比，