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福岛核电事故后,超设计基准事故已成为核能领域重要的研究课题。超设计基准事故工况下,堆芯行为复杂且具有诸多不确定性。为分析超设计基准事故工况下堆芯损伤进程,制定事故的缓解措施,迫切需要对堆芯现象以及堆芯材料反应机理进行详细而深入的研究。本文以典型的压水反应堆为研究对象,根据堆芯行为计算模型编写超设计基准事故堆芯行为分析程序SAP(Severe Accident Program)并和热工水力程序RELAP5耦合,对大破口失水事故触发的超设计基准事故工况下堆芯材料的行为进行了详细分析,进而为事故缓解措施的制定和堆芯行为分析程序的自主开发提供参考。论文的主要工作和研究结论如下:(1)编写并验证了超设计基准事故堆芯行为分析程序。参考一体化事故分析程序MELCOR 1.8.5的模型手册和计算流程,建立堆芯行为模型并编写完成SAP。主程序中专门留有程序接口模块,为RELAP5程序的耦合提供接口。开发了堆芯材料物性表格并编写完成了独立的物性参数查询子程序,为新型堆芯燃料材料、包壳材料和控制材料物性参数的添加提供便捷途径。以韩国蔚珍3和4号(Ulchin-3&-4)反应堆系统为对象,选取完全丧失主给水叠加专设安全设施失效作为触发事故,在超设计基准事故工况下利用MELCOR 1.8.5对SAP进行了验证。验证结果表明SAP内部模型计算的堆芯部件温度和材料氧化质量和MELCOR1.8.5的计算值吻合较好,具有较高计算精度,能够正确模拟堆芯行为。(2)完成了RELAP5与SAP的耦合。在SAP编写和验证工作基础上,完成了热工水力瞬态分析程序RELAP5与SAP的耦合。制定了耦合方案和耦合程序运行流程,分析了SAP程序的启动判据,并对RELAP5与SAP耦合需要交换的参量进行了梳理和详细的讨论。此次耦合是对机理性分析程序和一体化分析程序做出的有益探索,它不仅综合了程序双方的优势以提高堆芯事故进程的计算精度,而且为模型的持续改进和程序的自主开发奠定基础。(3)完善了SAP锆合金包壳行为分析模型。完成了锆合金外侧氧化模型的验证,对补充的包壳内侧氧化反应模型和有效应力模型进行探讨,使SAP中锆合金包壳行为的计算更加准确和全面。首先从锆合金高温氧化动力学入手,对锆合金在高温蒸汽中的氧化反应模型进行研究分析,利用QUENCH-06试验结果对锆合金氧化反应关系式进行验证,得出Cathcart-Pawel&Volchek-Zvonarev关系式在模拟精度上优于其他关系式。其次对锆合金与二氧化铀的氧化反应行为给予分析,认为包壳内部的氧化对包壳特性的影响同包壳外侧的蒸汽氧化一样重要,有必要在SAP中补充包壳内侧氧化模型。将燃料包壳有效应力计算模型补充到SAP中以计算堆芯行为中锆合金包壳的间隙释放。(4)改进了SAP中堆芯材料共晶反应失效模式。在对堆芯典型的材料熔化失效机制和材料共晶反应行为深入研究的基础上,整合了先进的机理性分析模型,并编写材料共晶反应子程序并补充到SAP中,以改进SAP中材料共晶反应失效模式。重点探讨了相互接触的部件材料在高温工况下的复杂共晶行为,分析了Zr/AgInCd、Zr/SS(Stainless Steel)、Zr/Inconel、Zr/B4C和B4C/SS等材料对的化学共晶动力学和共晶反应模型。共晶反应失效模式由给定摩尔比例和共晶温度的参数模式改为机理计算模式。最后对材料在共晶反应后形成的混合材料物性进行讨论,得到混合物温度以及混合物性的计算方法。(5)应用RELAP5和SAP耦合程序分析了压水堆超设计基准事故堆芯行为。在完善了堆芯行为模型基础上,应用RELAP5和SAP耦合程序对秦山二期核电厂大破口失水事故触发的超设计基准事故进行系统建模和堆芯节点划分。借助RELAP5在耦合过程中提供的热工水力条件,完成超设计基准事故堆芯行为的分析和研究。从现象机理入手,对锆合金包壳的有效应力和蒸汽氧化、包壳与二氧化铀之间的氧化和材料共晶反应给予分析。分析认为包壳间隙释放时的表面温度要高于1173 K保守值,包壳的内侧表面的氧化作用对包壳的损伤的贡献等同于外部蒸汽氧化。通过对因科镍支撑构件、控制棒部件、包壳部件和燃料部件的共晶反应和质量迁移研究,发现单一堆芯材料的失效会导致周围其他部件的早期失效,而加速堆芯的损伤进程。