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压力容器内部流场及硼酸搅混特性研究

摘要

针对华龙一号在反应堆发生中小破口失水事故情况下，反应堆安全注射系统和堆芯

补水箱中的含硼冷却剂将注入堆芯，由于冷却剂在过渡段聚集形成不含硼酸的清水团的

注入，可能在堆芯入口处产生非均匀硼稀释现象，引起堆芯重返临界的风险。而且反应

堆流量分配器的结构多样化导致冷却剂流场的复杂性，从而严重影响堆芯结构的稳定性

和可靠性。因此精确测量压力容器内硼酸的分布并研究混合过程机理，同时针对不同流

量分配器结构下的下腔室的流动特性进行研究对反应堆安全运行有重要意义。

本文通过搭建与改进三环路可视化实验平台，基于平面激光诱导荧光技术（PLIF）

实验原理获得单、双、三环路条件下硼浓度分布，获得的实验现象为：单环路条件下，

压力容器入口正下方会形成浓度聚集区。双环路条件下，流体在劣弧侧交汇后快速流向

下方，交汇高度与冷管流量呈正相关趋势。三环路条件下，各环路流体仍保持单环路流

动特征，三个入口将周向划分成三个相等的部分，当三个环路条件相同时流体相互搅混

作用更明显。通过这些实验现象能够复现出反应堆中的一些规律，因此针对浓度聚集区

的高度，冷管流量与安注流量的最佳比例，不同结构流量分配器对于冷却剂的分配效果

等问题进行研究。结果表明：低流量条件下浓度聚集区的高度保持在4.8D的高度，高

流量条件下浓度聚集区的高度会上升到4.1D位置。当冷管流量与安注流量的比例为6

左右时，安注溶液将均匀地向环形下降段两侧扩散，从而增强安注溶液与清水团的混合，

使得进入堆芯的含硼冷却剂浓度更加均匀，避免堆芯局部浓度过低引入正反应性。

基于粒子图像测速（PIV）实验原理，针对华龙一号球形流量分配器、EPR流量分

配器以及优化设计的双层流量分配器（带有涡流抑制器）这三种不同的下腔室结构，获

得三种不同下腔室结构对于流场、流量分配及反应堆固有安全性的影响。结果表明：单

层流量分配器的下腔室在单、双、三环路下均存在两个旋涡，位于流量分配器两侧；双

层流量分配器的下腔室存在的旋涡个数与不同环路数有直接关系；球型流量分配器的下

腔室在单、双、三环路下均存在四个旋涡，两两相对位于流量分配器壁面内外两侧。单

层流量分配器对于冷却剂分配效果最差，双层流量分配器对于冷却剂分配效果最好。且

双层流量分配器对于冷却剂的流量分配在单、双、三环路以及各种入口流量下效果都很

好，因此双层流量分配器的设计对于三环路压水堆的安全具有一定的工程意义。1

关键词：压力容器；硼稀释；三环路；下腔室；流量分配器

本研究得到国家重点研发计划（编号：2019YFB1900703）的资助。

压力容器内部流场及硼酸搅混特性研究

Abstract

IntheeventofasmalltomediumbreakagelossofcoolantaccidentintheHualongNo.1

reactor,boroncontainingcoolantfromthereactorsafetyinjectionsystemandthecoremakeup

watertankwillbeinjectedintothecore.Duetotheaccumulationofcoolantinthetransition

sectiontoformaclearwatermasswithoutboricacid,non-uniformborondilutionmayoccurat

thecoreinlet,leadingtotheriskofthecorereturningtocriticality.Inaddition,thedifferent

structureofthereactorflowdividerleadstothecomplexityofthecoolantflowfield,which

seriouslyaffectsthestabilityandreliabilityofthecore