核電站嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫爆風(fēng)險(xiǎn)研究現(xiàn)狀

楊 帆 鄒志強(qiáng) 喻 娜 李松蔚 冉 旭

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213）

0 前言

核電站嚴(yán)重事故條件下，堆芯喪失有效冷卻，堆芯余熱使得核燃料元件鋯包殼不斷升溫并與水蒸氣反應(yīng)，產(chǎn)生的大量氫氣進(jìn)入安全殼內(nèi)與空氣混合，當(dāng)氫氣濃度等因素滿足一定條件時(shí)，即使外界點(diǎn)火源能量較弱，被點(diǎn)燃的可燃混合氣也能逐漸由緩慢的層流擴(kuò)散燃燒逐漸發(fā)展為爆燃甚至爆轟，壓力載荷可達(dá)初始?jí)毫Φ膸妆渡踔潦畮妆?，這將直接威脅到安全殼的完整性。

三里島事故（1979）之后，核工業(yè)界開(kāi)始對(duì)氫氣-空氣-水蒸氣混合物的燃燒行為開(kāi)展研究[1]。對(duì)于大型干式安全殼，早期的安全分析表明安全殼設(shè)計(jì)可以承受爆燃（Deflagration）產(chǎn)生的壓力沖擊。同時(shí)，由于導(dǎo)致氫氣混合氣爆轟（Detonation）所需的能量較高[2]，而安全殼內(nèi)不存在此類(lèi)高能火源，因此不可能發(fā)生氫氣直接爆炸。但在一定條件下氫氣燃燒模式可由爆燃轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z（DDT）。與外點(diǎn)火源引起的爆炸相比，DDT現(xiàn)象出現(xiàn)不需要點(diǎn)火源提供較高能量，因此更可能在安全殼內(nèi)發(fā)生，但其發(fā)生受到混合物組成、幾何條件等因素的影響，機(jī)理較為復(fù)雜，是90年代至今氫氣燃燒研究的重點(diǎn)[3]。

本文由火焰加速（FA）及爆燃-爆炸轉(zhuǎn)變（DDT）的基本現(xiàn)象及發(fā)展過(guò)程出發(fā)，介紹了其中涉及的重要的火焰不穩(wěn)定機(jī)制以及經(jīng)典爆震波理論，同時(shí)，對(duì)業(yè)界開(kāi)展的大型氫氣燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了梳理，并對(duì)目前湍流燃燒數(shù)值模擬及其在工程中的應(yīng)用存在的困難進(jìn)行了分析。

2 火焰加速和爆燃-爆轟轉(zhuǎn)變現(xiàn)象

火焰加速（FA）和爆燃-爆炸轉(zhuǎn)變（DDT）現(xiàn)象本質(zhì)是由火焰內(nèi)在的不穩(wěn)定性所引起的。火焰加速和爆燃-爆轟過(guò)程轉(zhuǎn)變過(guò)程的燃燒波分為緩燃波和爆震波，其中緩燃波即通常所說(shuō)的燃燒，產(chǎn)生的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱擴(kuò)散及熱輻射作用傳入未燃混合物，逐層加熱和燃燒，從而實(shí)現(xiàn)緩燃波的傳播。緩燃波速度較低，一般為幾米到幾十米，緩燃波使得流體比容增加，但壓力變化不大。爆震波是具有化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)激波，由于沒(méi)有足夠時(shí)間使壓力平衡，因此爆震燃燒過(guò)程接近于等容燃燒過(guò)程。爆震波傳播速度遠(yuǎn)大于緩燃波傳播速度，是一種超聲速燃燒波，能產(chǎn)生極高壓力（兆帕量級(jí)）[4]。

加拿大、法國(guó)和美國(guó)等在20世紀(jì)80年代開(kāi)展了不同規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究[5-12]表明：沿?cái)U(kuò)展火焰?zhèn)鞑シ较蛏系恼系K物會(huì)引起火焰加速現(xiàn)象。FA的機(jī)理可定性解釋為：當(dāng)出現(xiàn)障礙物時(shí)，產(chǎn)生的湍流可能對(duì)燃燒后的氣體流動(dòng)形成擾動(dòng)，從而增加了火焰區(qū)域的表面積并促進(jìn)了局部質(zhì)量和能量交換速率。燃燒速率越快，則未點(diǎn)燃?xì)怏w速率越快，從而造成火焰沿傳播方向不斷加速，在一定條件下甚至?xí)D(zhuǎn)變成為爆炸。湍流對(duì)火焰?zhèn)鞑ビ绊懙膹?fù)雜之處在于其并不總是對(duì)燃燒速率起促進(jìn)作用。例如當(dāng)湍流強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，可能導(dǎo)致火焰過(guò)度伸展同時(shí)燃燒產(chǎn)物和反應(yīng)物在反應(yīng)區(qū)快速混合，當(dāng)反應(yīng)區(qū)溫度降低到一定程度時(shí)，火焰?zhèn)鞑⒔K止。

混合物自緩慢點(diǎn)燃至發(fā)生燃爆轉(zhuǎn)變一般會(huì)經(jīng)過(guò)層流火焰、蜂窩狀火焰、湍流火焰幾個(gè)階段。對(duì)層流火焰的研究比較充分，其傳播速度由層流火焰燃燒速率和燃燒產(chǎn)物/反應(yīng)物的密度比決定。隨著層流火焰的進(jìn)一步發(fā)展，火焰面積不斷增加，由于流動(dòng)，質(zhì)能擴(kuò)散的不穩(wěn)定性，火焰表面開(kāi)始出現(xiàn)褶皺，呈現(xiàn)出類(lèi)似蜂窩狀。如果火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程遇到障礙物，則在產(chǎn)生的湍流作用下火焰將進(jìn)一步加速直至最終發(fā)生燃爆轉(zhuǎn)變，火焰速度可能達(dá)到1000～2000m/s。

實(shí)驗(yàn)研究表明，DDT現(xiàn)象總是發(fā)生在火焰加速FA過(guò)程之后，因此評(píng)估DDT發(fā)生的可能性，必須首先對(duì)影響火焰加速過(guò)程的因素進(jìn)行研究，已開(kāi)展的研究包括障礙物設(shè)置（如間距和阻塞率）、開(kāi)孔等的影響研究：

美國(guó)SANDIA國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在建立了大型氫氣燃燒實(shí)驗(yàn)裝置FLAME，該裝置是一個(gè)長(zhǎng) 30.5m，高 2.44m，寬 1.83m 的矩形管道。 點(diǎn)火端密封，遠(yuǎn)端開(kāi)口。實(shí)驗(yàn)研究[14]表明，障礙物的出現(xiàn)能夠明顯增加火焰速度、燃燒過(guò)程產(chǎn)生的壓力上升及DDT出現(xiàn)的可能，而橫向的開(kāi)孔的影響則相反。

層流火焰理論比較成熟，其火焰速度由火焰前沿反應(yīng)層中的能量和質(zhì)量傳遞速率決定，可準(zhǔn)確計(jì)算。蜂窩狀火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程由一系列復(fù)雜的擴(kuò)散和動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性過(guò)程決定，模擬起來(lái)較困難。蜂窩狀火焰的傳播由Markstein和Somers[15]給出，其理論分析可參見(jiàn)Clavin[16]等人的文章。從模擬的角度而言，通常引入火焰表面增強(qiáng)因子對(duì)蜂窩狀火焰進(jìn)行模擬，該因子通常由實(shí)驗(yàn)獲得，且僅適用于特定組成的燃燒混合物。

隨著蜂窩狀火焰的傳播，一旦遇到障礙物，則在火焰前方產(chǎn)生擾動(dòng)，燃燒模式轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魅紵?。湍流?duì)火焰?zhèn)鞑サ臄_動(dòng)機(jī)制包括Kelvin-Helmholtz或Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性。湍流火焰形狀由湍流擾動(dòng)強(qiáng)度及燃燒和湍流特征時(shí)間尺度共同決定。如果燃燒過(guò)程的特征時(shí)間小于湍流特征時(shí)間，則可將湍流火焰細(xì)分為不同的層流火焰單元，反之，則按照Borghi圖[3]對(duì)湍流燃燒模式進(jìn)一步劃分。大部分湍流火焰的理論模型都是基于Borghi圖和火焰形狀進(jìn)行驗(yàn)證的。

3 相關(guān)機(jī)理和模型

關(guān)于爆震的最簡(jiǎn)單一維理論是由Chapman和Jouget建立的C-J理論，該理論假設(shè)爆震波是一個(gè)帶化學(xué)反應(yīng)的一維強(qiáng)斷面，可燃物的燃燒過(guò)程在斷面上瞬間完成，不考慮流體黏性及熱傳導(dǎo)。由C-J理論預(yù)測(cè)的爆震火焰速度往往高于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。為更為準(zhǔn)確描述爆震波物理過(guò)程，20世紀(jì) 40年代，Zeldovich，VonNeumann和Doring分別獨(dú)立提出了相似的一維爆震波結(jié)構(gòu)模型，稱(chēng)為ZND模型。該模型假設(shè)爆震波是由激波以及緊跟其后的化學(xué)反應(yīng)區(qū)組成，激波把反應(yīng)物預(yù)熱到自燃溫度，因而反應(yīng)區(qū)中化學(xué)反應(yīng)速率很高，反應(yīng)區(qū)可以與激波具有相同傳播速度。ZND模型是目前描述爆震波比較常用的模型。

20世紀(jì)五六十年代，條紋照相技術(shù)的迅速發(fā)展使得人們對(duì)DDT現(xiàn)象的發(fā)生條件、發(fā)展過(guò)程以及。在DDT發(fā)生機(jī)理研究方面比較重要的機(jī)制是SWACER （shock wave amplification by coherent with energy release），該機(jī)制是由Zeldovich和Lee等人提出，后經(jīng)Dorofeev等人[17]發(fā)展，是目前公認(rèn)的適用于DDT發(fā)生機(jī)制的解釋的比較好的解釋。

4 實(shí)驗(yàn)研究

C.Johansen和G.Ciccarelli[9],[10]研究了在含有方形障礙物的通道內(nèi)開(kāi)展的火焰加速現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)研究證明：

（1）通道寬度對(duì)火焰鋒面表面積及火焰速度有顯著影響，通道變窄，導(dǎo)致火焰散熱增加，但同時(shí)邊界層增加了火焰面積，由于火焰面積增加對(duì)燃燒速率的影響大于熱損失增加的影響，因此隨著通道的變窄，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾印?/p>

（2）在火焰加速后期，障礙物及管道壁面反射的沖擊波將導(dǎo)致火焰鋒面速度出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。在BR=0.33的情形下，火焰最終速度可達(dá)燃燒產(chǎn)物聲速，而較大BR下的火焰最終速度較低。

20世紀(jì)90年代，歐洲和北美洲各國(guó)在火焰加速FA和DDT現(xiàn)象學(xué)研究方面開(kāi)展的重要實(shí)驗(yàn)有：

（1）在大型氫氣燃爆實(shí)驗(yàn)裝置RUT上開(kāi)展了氫氣燃燒實(shí)驗(yàn)，并綜合之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了DDT發(fā)生判定準(zhǔn)則7λ準(zhǔn)則。

（2）Thomas開(kāi)展的沖擊波-火焰耦合機(jī)制下誘發(fā)的DDT實(shí)驗(yàn)，與Khokhlov開(kāi)展的數(shù)值模擬研究一起，被認(rèn)為為未來(lái)揭示DDT現(xiàn)象和SWACER深層機(jī)制指出了方向。

（3）慕尼黑大學(xué)開(kāi)展的火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)和開(kāi)口系統(tǒng)燃爆實(shí)驗(yàn)[11]。

（4）FZK在不同幾何結(jié)構(gòu)上開(kāi)展的DDT實(shí)驗(yàn)研究[12]。

（5）BNL在高溫燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)架HTCF上開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究[13]，實(shí)驗(yàn)研究了通風(fēng)、初始條件等因素對(duì)DDT和火焰加速現(xiàn)象的影響。

5 工程應(yīng)用

氫氣爆燃及爆轟過(guò)程涉及復(fù)雜的湍流-燃燒耦合過(guò)程，空間、時(shí)間尺度不同，則現(xiàn)象和作用機(jī)制不同，目前仍缺乏精確描述這些復(fù)雜現(xiàn)象和機(jī)制的數(shù)學(xué)模型，采用DNS方法也僅適用于揭示中小尺度（1m3-10m3）下的火焰加速（FA）及燃爆轉(zhuǎn)變（DDT）過(guò)程，對(duì)于類(lèi)似電廠安全殼（約50000m3）尺度的大空間內(nèi)的燃爆分析，研究所涉及的現(xiàn)象尺度范圍通常涵蓋從數(shù)毫米厚的火焰層直至數(shù)米甚至數(shù)十米的氣體擴(kuò)散尺度，若要分析詳細(xì)的局部燃燒特征，則1m3空間內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量將達(dá)到1015量級(jí)，以現(xiàn)有計(jì)算能力及工程要求下，采用復(fù)雜的機(jī)理燃燒模型進(jìn)行分析顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

為滿足嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣燃爆分析的需要，一些主要的核能研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了適用于大尺度空間氫氣燃燒分析的三維數(shù)值模擬分析軟件，例如由德國(guó)FZK開(kāi)發(fā)的COM3D、法國(guó)CEA開(kāi)發(fā)的TONUS 3D軟件。這些軟件并不關(guān)注H2-O2反應(yīng)系統(tǒng)分步反應(yīng)細(xì)節(jié)，而是基于總包反應(yīng)速率的概念建立簡(jiǎn)化的燃燒產(chǎn)物源項(xiàng)表達(dá)式，常見(jiàn)的燃燒源項(xiàng)模型包括Arrhenius模型、Eddy Break-UP模型以及CREBCOM模型[3]。這些源項(xiàng)模型將混合物組分、特征幾何參數(shù)、湍流強(qiáng)度對(duì)總包反應(yīng)速率的影響以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的形式代替，因而在應(yīng)用這些分析軟件時(shí)，必須需通過(guò)與研究對(duì)象參數(shù)、空間尺度相近的氫氣燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，才能保證分析結(jié)果的合理性。

6 小結(jié)

本文介紹了與核電站嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的火焰加速（FA）及爆燃-爆轟轉(zhuǎn)變（DDT）過(guò)程的基本物理現(xiàn)象、機(jī)理、實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)展情況以及工程應(yīng)用進(jìn)展，主要結(jié)論如下：

（1）基礎(chǔ)研究方面：目前針對(duì)FA和DDT現(xiàn)象的基本發(fā)展過(guò)程，重要機(jī)制積累了一定的認(rèn)識(shí)，并基于大量氫氣燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出了FA及DDT發(fā)生的必要條件，但仍缺少能夠完整描述層流火焰、湍流火焰和爆轟過(guò)程的機(jī)理模型。采用DNS方法計(jì)算代價(jià)高，適用的幾何尺度有限，并不適用于類(lèi)似于安全殼大尺度空間的燃爆分析。

（2）工程應(yīng)用方面：主要核能研究機(jī)構(gòu)已發(fā)出了適用于大尺度空間燃燒問(wèn)題的工程分析軟件，但由于采用了簡(jiǎn)化假設(shè)，其模型仍存在較大不確定性，需進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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