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压力容器直接安注流动及硼酸扩散行为特性研究

摘要

事故工况下，通常采用向反应堆压力容器内注入高浓度安注溶液来达到控制反应性、

保障反应堆安全的目的。传统的压水堆一般采用间接安注形式，而随着非能动安全概念

设计的兴起，新一代压水堆大多都采取了与传统间接安注完全不同的直接安注结构。直

接安注(Directvesselinjection,DVI)结构与压力容器相连接并伸入压力容器内，能直接将

高浓度含硼安注冷却水直接注入压力容器，从而及时、有效的对堆芯进行冷却和硼化。

然而直接安注结构的引入势必增加反应堆内流体流动的复杂程度。事故工况下，堆芯产

生的大量蒸汽冷凝后将形成无硼凝结水团，并回流至压力容器内与直接安注水混合，非

均匀混合的流体若进入堆芯将可能导致堆芯反应性分布不均匀，从而危害反应堆的安全。

本文通过搭建典型压水堆一回路系统缩比可视化实验环路，基于PIV技术对直接安

注导流结构引入前后压力容器内流场特性进行了实验测量与分析。通过对比不同环形下

降段纵截面位置、环路数量以及冷管流量工况下的流场特性，分析直接安注导流结构引

入对压力容器内流场的影响。基于数值模拟方法，对压力容器直接安注和间接安注条件

下的硼稀释瞬态进行数值计算，通过分析不同环路数量、不同冷管雷诺数以及不同安注

雷诺数下的浓度场分布得到直接安注条件下的稀释混合特性，通过对比直接安注与间接

安注条件下的浓度分布特性，探究不同安注形式对安注溶液进入堆芯时间的影响规律。

研究结果表明，DVI导流结构的引入会显著改变环形下降段和下腔室的流场特性，

导流装置阻塞作用影响了环形下降段原有的流场，改变了下腔室流动混合的剧烈程度。

局部低流速区域尺度随环路数增加而扩大，环形下降段的流场速度与冷管雷诺数呈正相

关，雷诺数仅影响速度分布曲线值的大小，对速度分布曲线的形状特征影响较小。直接

安注流体呈三角状射流向上下扩散流动，并在下腔室形成低浓度滞留域，环路数量增加

和安注雷诺数增加会迫使高浓度直接安注溶液与脱硼水团的稀释混合现象发生区域逐

渐向DVI注入口附近转移，冷管雷诺数增加会迫使直接安注溶液远离DVI注入位置。

安注与脱硼水团混合流体进入堆芯时间随环路数量、冷管雷诺数和安注雷诺数的增加而

缩减，其中冷管雷诺数影响最大。相同冷管雷诺数下，间接安注形式下的混合流体比直

接安注形式下的混合流体更快进入堆芯。相同环路数下，直接安注形式下的混合流体比

间接安注形式下的混合流体进入堆芯所需时间更短，且受冷管雷诺数影响更大。

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关键词：直接安注；流动混合；导流结构；粒子图像测速技术；硼稀释

压力容器直接安注流动及硼酸扩散行为特性研究

Abstract

Underaccidentconditions,highconcentrationsafetyinjectionsolutionisusuallyinjected

intothereactorpressurevesseltocontrolreactivityandensurereactorsafety.Thetraditional

PWRgenerallyadoptstheindirectsafetyinjectionmethod.Withtheriseofpassivesafety

conceptdesign,mostofthenewgenerationPWRsadoptthedirectsafetyinjectionstructure

whichiscompletelydifferentfromthetraditionalindirectsafetyinjection.Thedirectvessel

injection(DVI)structureisconnectedwiththepressurevesselandextendsintothepressure

vessel,whichcandirectlyinjectthehighconcentrationboron