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研究生: 江庚晏
Chiang, Keng-Yen
論文名稱: LOFT設施L2-5測試之RELAP5-3D/K爐心與降流區多維度模擬結果與分析
Phenomenal Investigations of the Thermal-hydraulic Responses of Multi-Dimensional simulation and Modeling in Core and Downcomer during the L2-5 Test of LOFT Using RELAP5-3D/K
指導教授: 李敏
Lee, Min
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 141
中文關鍵詞: 核能安全暫態分析冷卻水流失事故
外文關鍵詞: Nuclear Safety, Transient Aanlysis, LOCA
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  • 本研究利用 RELAP5-3D/K 模擬 LOFT (Loss of Fluid Test) 設施 L2-5 冷卻水流失事故 (Loss of Coolant Accident, LOCA) 測試。分析時,爐心和降流區 (Downcomer) 元件立體化的模擬採用程式之多維度元件 (Multi-Dimensional Component)。期望量化以多維度元件模擬爐心和降流區,可以增加冷卻水流失事故分析的安全餘裕 (Safety Margin),以利於提升核電廠的功率。分析結果顯示,採用 RELAP5-3D立體化多維度元件模擬爐心與降流區所預測之燃料護套溫度較原先一維度案例低約 180℉。爐心立體化會造成沖放期 (Blowdown) 之燃料護套尖峰溫度較未立體化的分析結果為高。立體化的爐心可以觀測到煙囪效應,即冷卻水會自較冷的區域進入溫度較高的熱通道,有效地降低事故中的護套最高溫度。多維度降流區模擬所預測之降流區橫向流動 (Cross Flow) 情形較一維度降流區模擬結果低,亦即有較多之注入的緊急冷卻水可以由降流區進入壓力槽底部區間,而提早進入再泛水階段 (Reflood);提早進入再泛水階段亦可降低冷卻水流失事故之燃料棒護套尖峰溫度。


    In this study, RELAP5-3D/K code is used to simulate the L2-5 test of Loss of Fluid Test (LOFT) facility. RELAP5-3D is a multi-dimensional reactor system thermal-hydraulic analysis code. In the present simulation, the core and downcomer are modeled as inconnected three dimensional components. The results of the simulation are compared with the results of the RELAP5-3D/K one-dimensional analysis. The purpose of this study is to qualify the margin of the safety analysis relatd to the design criteria of loss of coolant accident.
    The results show that the peak cladding temperatures (PCT) as predicted by the 3-D model of core and downcomer is about 180℉ lower than that of the 1-D model of the corresponding components. The results show that the predicted rise of cladding temperature in the blowdown phase of accident is higher in the case that core is simulated three-dimensionally. It is also demonstrated that the chimney effect in the 3-D core simulation is stronger than the case of 1-D simulation of core, which tends to lower the PCT in LOCA analysis. Chimney effect is referred as the coolant flow rate in a hot channel will increase by sucking in the coolant from nearby colder region. Modeling the downocmer three-dimensionally has a tendency to reduce the predicted crossflow in the annular region surrounded the core barrel. It implies that large amount of injected emergency cooling water will flow downward into the lower plenum. The initiation of core reflooding will be earlier for the core with three-dimensional simulation of downcomer.

    中文摘要 ............................... i 英文摘要 ............................. ii 致謝詞 ....................................... .iii 目錄 .................................. iv 圖目錄 ................................  vii 表目錄 .............................. xv  第一章 序論 ............................. 1 1.1 前言 ............................. 1 1.2 研究動機 .......................... 3 1.3 研究方法 .......................... 4 1.4 論文架構 .......................... 5 第二章 Loss-of-Fluid Test 介紹 ................... 6 2.1 LOFT簡介 .......................... 6 2.1.1 LOFT 的主要附屬設施 .................. 6 2.1.2 LOFT 的爐心參數 .................... 7 2.2 LOFT L2-5 試驗簡介 ..................... 9 2.2.1 LOFT L2-5試驗 ..................... 9 2.2.2 LOFT L2-5 事件序列 (Scenario) 和實驗初始條件 ..... 10 第三章 RELAP5 程式介紹 ....................... 18 3.1 RELAP5 發展簡介 ...................... 18 3.2 RELAP5-3D 簡介 ....................... 19 3.3 保守性冷卻水流失事故分析方法簡介 .............. 22 3.4 RELAP5-3D 多維度元件簡介 .................. 31 3.4.1 座標軸 ....................... 32 3.4.2 各項參數 ...................... 32 第四章 RELAP5-3D 多維度爐心模式的建構 ............... 36 4.1 爐心的建構 ......................... 36 4.1.1 RELAP5-3D LOFT 一維輸入模式 ............. 36 4.1.2 多維度爐心輸入模式 ................. 36 4.2 建構多維度爐心所遭遇的困難及解決方法 ............ 38 4.2.1 多維度元件和一維度元件的相互連接 .......... 38 4.2.2 Branch 元件連接點數上限 .............. 38 4.2.3 爐心周圍元件相連接的問題 .............. 39 4.2.4 多維度爐心格點數之選取 ............... 40 4.2.5 多維度爐心最大時步之選取 .............. 42 第五章 多維度爐心的模擬結果 .................... 53 5.1 燃料護套尖峰溫度值預測結果比較 ............... 53 5.2 煙囪效應的觀測 ....................... 55 5.2.1 煙囪效應簡介 .................... 56 5.2.2 煙囪效應的驗證 ................... 57 5.3 冷卻水流動情形比較 ..................... 59 5.4 其他參數比較和結語 ..................... 66 第六章 降流區立體化及分析結果 .................... 90 6.1 壓力槽降流區模式建構 .................... 91 6.1.1 降流區一維度模式說明 ................. 91 6.1.2 降流區三維度降流區模式的建構 ............. 92 6.2 三維度降流區模擬結果和一維度降流區模擬結果的比較 ...... 94 6.2.1 燃料護套尖峰溫度值預測結果比較 ............ 94 6.2.2 冷卻水流動情形比較 .................. 96 6.2.3 其他參數比較和結語 .................. 99 第七章 爐心和降流區立體化結果及分析 ................ 116 7.1 立體化爐心和降流區案例預測結果和未立體化案例預測結果比較 . 116 7.1.1 燃料護套尖峰溫度值 ................. 116 7.1.2 冷卻水流動情形比較 ................. 119   7.1.3 其他參數比較和結語 ................. 121 第八章 結論與建議 ........................ 136 8.1 結論 ........................... 136 8.2 建議與未來工作 ...................... 137 參考文獻 .............................. 140 附錄 A  ............................. 142 附錄 B  ............................. 143 圖目錄 圖 2.1 LOFT 實驗設備示意圖 ...................... 12 圖 2.2 LOFT 燃料模塊組件示意圖 .................... 13 圖 2.3 LOFT 壓力槽截面示意圖 ..................... 14 圖 2.4 LOFT 爐心截面示意圖 ...................... 15 圖 3.1 RELAP程式發展簡史 ...................... 34 圖 4.1 LOFT一維輸入模式節點 .................... 45 圖 4.2 一維爐心模式之示意圖 ..................... 46 圖 4.3 LOFT爐心截面示意圖 ..................... 47 圖 4.4 多維度爐心建構過程示意圖 .................. 48 圖 4.5 多維度爐心結構示意圖 .................... 48 圖 4.6 LOFT一維爐心和三維度爐心連接情形比較圖 ........... 49 圖 4.7 爐心格點數靈敏度分析之2 x 2 x 12切割示意圖 ......... 50 圖 4.8 爐心格點數靈敏度分析之4 x 4 x 9 切割示意圖 ......... 51 圖 4.9 針對爐心分割細緻度所做靈敏度分析燃料護套尖峰溫度值比較情形 . 52 圖 4.10 針對最大時步所做靈敏度分析燃料護套尖峰溫度值比較情形 .... 53 圖 5.1 發生燃料護套尖峰溫度值處之護套溫度和實驗資料                     (立體化爐心模擬的影響) ................... 69 圖 5.2 發生燃料護套尖峰溫度值處之臨界熱通量 (立體化爐心模擬的影響) . 70 圖 5.3 燃料護套尖峰溫度值處之熱通量 (立體化爐心模擬的影響) ..... 70 圖 5.4 發生燃料護套尖峰溫度值處所釋放之累積熱通量                    (立體化爐心模擬的影響) ................... 71 圖 5.5 爐心熱通道之覆水淬冷 (Quench) 位置 (立體化爐心模擬的影響) .. 71 圖 5.6 爐心熱通道液態水位 (Collapsed Water Level)                      (立體化爐心模擬的影響) ................... 72 圖 5.7 冷卻水流入熱通道入口之累積流量 (立體化爐心模擬的影響) .... 72 圖 5.8 熱通道第四階 (Elevation 4) 冷卻水液態速度                              (立體化爐心模擬的影響) ................... 73 圖 5.9 熱通道第四階 (Elevation 4) 冷卻水汽態速度                            (立體化爐心模擬的影響) ................... 73 圖 5.10 熱通道第七階 (Elevation 7) 冷卻水液態速度                 (立體化爐心模擬的影響) ...................  74 圖 5.11 熱通道第七階 (Elevation 7) 冷卻水汽態速度                      (立體化爐心模擬的影響) ................... 74 圖 5.12 熱通道第十一階 (Elevation 11) 冷卻水液態速度 (立體化爐心模擬的影響) ................... 75 圖 5.13 熱通道第十一階 (Elevation 11) 冷卻水汽態速度 (立體化爐心模擬的影響) ................... 75 圖 5.14 熱通道第四階 (Elevation 4) 冷卻水液態表相速度 (立體化爐心模擬的影響) ................... 76 圖 5.15 熱通道第七階 (Elevation 7) 冷卻水液態表相速度 (立體化爐心模擬的影響) ................... 76 圖 5.16 熱通道第十一階 (Elevation 11) 冷卻水液態表相速度 (立體化爐心模擬的影響) ................... 77 圖 5.17 熱通道第四階 (Elevation 4) 冷卻水汽態表相速度 (立體化爐心模擬的影響) ................... 77 圖 5.18 熱通道第七階 (Elevation 7) 冷卻水汽態表相速度 (立體化爐心模擬的影響) ................... 78 圖 5.19 熱通道第十一階 (Elevation 11) 冷卻水汽態表相速度 (立體化爐心模擬的影響) ................... 78 圖 5.20 熱通道出口冷卻水累積流量 (立體化爐心模擬的影響) ...... 79 圖 5.21 近冷端破口之質量流率 (立體化爐心模擬的影響) ........ 79 圖 5.22 近熱端破口之質量流率 (立體化爐心模擬的影響) ........ 80 圖 5.23 破口兩端流出冷卻水累積流量加總結果 (立體化爐心模擬的影響) .. 80 圖 5.24 反應器壓力槽噴嘴破口側冷端迴路之質量流率                      (立體化爐心模擬的影響) .................. 81 圖 5.25 反應器壓力槽噴嘴破口側冷端迴路之累積流量                            (立體化爐心模擬的影響) .................. 81 圖 5.26 壓力槽入口下部環型體積之流體橫流接點冷卻水質量流率 (立體化爐心模擬的影響) ................... 82 圖 5.27 壓力槽入口下部環型體積之流體橫流接點冷卻水累積流量 (立體化爐心模擬的影響) ................... 82 圖 5.28 破口側降流區頂部體積流向降流區中部體積之冷卻水質量流率 (立體化爐心模擬的影響) ................... 83 圖 5.29 破口側降流區頂部體積流向降流區中部體積之冷卻水累積流量 (立體化爐心模擬的影響) ................... 83 圖 5.30 降流區中部體積流體橫流接點之冷卻水質量流率 (立體化爐心模擬的影響) ................... 84 圖 5.31 降流區中部體積流體橫流接點之冷卻水累積流量 (立體化爐心模擬的影響) ................... 84 圖 5.32 冷卻水於降流區下部體積流向反應器底部空間之質量流率 (立體化爐心模擬的影響) ................... 85 圖 5.33 冷卻水於降流區下部體積流向反應器底部空間之累積流量 (立體化爐心模擬的影響) .................... 85 圖 5.34 降流區水位高度 (立體化爐心模擬的影響) ........... 86 圖 5.35 反應器底部空間之冷卻水質量 (立體化爐心模擬的影響) ..... 86 圖 5.36 冷卻水於熱通道入口之質量流率 (立體化爐心模擬的影響) .... 87 圖5.37 連接第四階熱通道和第四階一般通道之流體橫流接點質量流率 (立體化爐心模擬的影響) ................... 87 圖5.38 連接第四階熱通道和第四階一般通道之流體橫流接點累積流量 (立體化爐心模擬的影響) ................... 88 圖 5.39 熱通道爐心入口處冷卻水液態溫度 (立體化爐心模擬的影響) ... 88 圖 5.40 熱通道爐心入口處冷卻水汽態溫度 (立體化爐心模擬的影響) ... 89 圖 5.41 一次側迴路系統壓力 (立體化爐心模擬的影響) ......... 89 圖 5.42 熱通道進出口壓差 (立體化爐心模擬的影響) .......... 90 圖 6.1 立體化降流區示意圖 ..................... 103 圖 6.2 於發生燃料護套尖峰溫度值處之護套溫度和實驗資料 ....... 104 (立體化降流區模擬的影響) .................. 105 圖 6.3 燃料棒護套最熱處臨界熱通量 (立體化降流區模擬的影響) .... 105 圖 6.4 燃料棒護套最熱處熱通量 (立體化降流區模擬的影響) ...... 105 圖 6.5 爐心熱通道之覆水淬冷 (Quench) 位置                           (立體化降流區模擬的影響) .................. 106 圖 6.6 熱通道爐心液態水位 (Collapsed Water Level)                         (立體化降流區模擬的影響) .................. 106 圖 6.7 破口流出累積流量隨時間變化情形 (立體化降流區模擬的影響) .. 107 圖 6.8 反應器壓力槽噴嘴破口側冷端迴路之累積流量                 (立體化降流區模擬的影響) ................... 107 圖 6.9 破口側壓力槽入口底部環型體積流向降流區頂部體積之冷卻水累積流量                                          (立體化降流區模擬的影響) ................... 108 圖 6.10 降流區中部體積流體橫流接點之質量流率                                   (立體化降流區模擬的影響) .................. 108 圖 6.11 降流區中部體積流體橫流接點之累積流量                            (立體化降流區模擬的影響) .................. 109 圖 6.12 降流區底部體積流體橫流接點之質量流率                            (立體化降流區模擬的影響) ................... 109 圖 6.13 降流區底部體積流體橫流接點之累積流量                        (立體化降流區模擬的影響) .................. 110 圖 6.14 降流區底部流向反應器底部空間冷卻水質量流率 (立體化降流區模擬的影響) ................. 110 圖 6.15 降流區底部流向反應器底部空間冷卻水累積流量 (立體化降流區模擬的影響) ................. 111 圖 6.16 降流區液態水位高度 (Collapsed Water Level) (立體化降流區模擬的影響) ................. 111 圖 6.17 反應器底部空間之冷卻水存量 (立體化降流區模擬的影響) ................. 112 圖 6.18 一次側系統壓力 (立體化降流區模擬的影響) .......... 112 圖 6.19 爐心熱通道進出口壓力差 (立體化降流區模擬的影響) ...... 113 圖 6.20 反應器底部空間之硼濃度 (立體化降流區模擬的影響) ...... 113 圖 6.21 爐心熱通道入口之液態空泡分率 (立體化降流區模擬的影響) ... 114 圖 6.22 緊急爐心旁通冷卻水質量流率 (立體化降流區模擬的影響) .... 114 圖 6.23 緊急爐心旁通冷卻水累積流量(立體化降流區模擬的影響) .... 115 圖 6.24 緊急爐心冷卻系統輸出冷卻水累積流量                         (立體化降流區模擬的影響) .................. 115 圖 7.1 於發生燃料護套尖峰溫度值處之護套溫度和實驗資料比較情形 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ........... 122 圖 7.2 燃料護套尖峰溫度值比較情形                                           (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 123 圖 7.3 爐心熱通道之覆水淬冷 (Quench) 位置 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 124 圖 7.4 熱通道爐心液態水位 (Collapsed Water Level) (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ........... 124 圖 7.5 燃料棒護套最熱處臨界熱通量                              (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 125 圖 7.6 燃料棒護套最熱處熱通量                                          (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 125 圖 7.7 燃料棒護套最熱處累積熱通量                                   (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............. 126 圖 7.8 冷卻水流入熱通道中累積流量                                               (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 126 圖 7.9 破口流出累積流量 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ... 127 圖 7.10 破口側壓力槽入口底部環型體積流向降流區頂部體積之冷卻水累積流量 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ........... 127 圖 7.11 降流區中部體積流體橫流接點之累積流量 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 128 圖 7.12 降流區底部體積流體橫流接點之質量流率 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 128 圖 7.13 降流區底部體積流體橫流接點之累積流量 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ........... 129 圖 7.14 降流區底部流向反應器底部空間冷卻水累積流量 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ........... 129 圖 7.15 降流區液態水位高度 (Collapsed Water Level) (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ........... 130 圖 7.16 反應器底部空間之冷卻水存量 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ........... 130 圖 7.17 爐心熱通道入口冷卻水質量流率 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) .......... 131 圖 7.18 一次側系統壓力 (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) .... 131 圖 7.19 反應器底部空間之硼濃度                                              (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 132 圖 7.20 爐心熱通道入口之液態空泡分率                            (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 132 圖 7.21 緊急爐心旁通冷卻水累積流量                    (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 133 圖 7.22 熱通道第十一階冷卻水汽態速度                           (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 133 圖 7.23 熱通道第十一階冷卻水液態速度                                  (立體化爐心和立體化降流區模擬的影響) ............ 134 表目錄 表 2.1 L2-5試驗重要事件依時列表 .................. 16 表 2.2 L2-5試驗各項參數初始條件 .................. 17 表 3.1 RELAP5-3D/K/INER爐心熱傳所選用之模組封包  .......... 35 表 3.2 由RELAP5-3D/INER 轉換成RELAP5-3D/K/INER 之程式修正列表 ... 36 表 7.1 未立體化案例和立體化案例比較情形 ............... 135

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