【摘 要】对核电站严重事故下安全壳内氢气燃烧风险相关的火焰加速（FA）与爆燃-爆炸转变（DDT）的关键物理过程、经典分析模型、实验研究进展等进行了介绍。同时，对适用于大尺度空间的燃烧分析软件中存在的问题进行了讨论，对氢气风险研究具有一定参考意义。
【关键词】核电站；严重事故；火焰加速；爆燃-爆轰转变
【Abstract】This paper presents the state of art on Flame Acceleration（FA） and Deflagration Detonation Transit（DDT） researches relate to containment hydrogen combustion risk under nuclear power plant severe accident. Meanwhile， the remained problem in validation of combustion analyzing software is discussed.
【Key words】Nuclear power plant； Severe accident； FA； DDT
0 前言
核电站严重事故条件下，堆芯丧失有效冷却，堆芯余热使得核燃料元件锆包壳不断升温并与水蒸气反应，产生的大量氢气进入安全壳内与空气混合，当氢气浓度等因素满足一定条件时，即使外界点火源能量较弱，被点燃的可燃混合气也能逐渐由缓慢的层流扩散燃烧逐渐发展为爆燃甚至爆轰，压力载荷可达初始压力的几倍甚至十几倍，这将直接威胁到安全壳的完整性。
三里岛事故（1979）之后，核工业界开始对氢气-空气-水蒸气混合物的燃烧行为开展研究[1]。对于大型干式安全壳，早期的安全分析表明安全壳设计可以承受爆燃（Deflagration）产生的压力冲击。同时，由于导致氢气混合气爆轰（Detonation）所需的能量较高[2]，而安全壳内不存在此类高能火源，因此不可能发生氢气直接爆炸。但在一定条件下氢气燃烧模式可由爆燃转变为爆轰（DDT）。与外点火源引起的爆炸相比，DDT 现象出现不需要点火源提供较高能量，因此更可能在安全壳内发生，但其发生受到混合物组成、几何条件等因素的影响，机理较为复杂，是90年代至今氢气燃烧研究的重点[3]。
本文由火焰加速（FA）及爆燃-爆炸转变（DDT）的基本现象及发展过程出发，介绍了其中涉及的重要的火焰不稳定机制以及经典爆震波理论，同时，对业界开展的大型氢气燃烧实验进行了梳理，并对目前湍流燃烧数值模拟及其在工程中的应用存在的困难进行了分析。
2 火焰加速和爆燃-爆轰转变现象
火焰加速（FA）和爆燃-爆炸转变（DDT）现象本质是由火焰内在的不稳定性所引起的。火焰加速和爆燃-爆轰过程转变过程的燃烧波分为缓燃波和爆震波，其中缓燃波即通常所说的燃烧，产生的能量通过热传导、热扩散及热辐射作用传入未燃混合物，逐层加热和燃烧，从而实现缓燃波的传播。缓燃波速度较低，一般为几米到几十米，缓燃波使得流体比容增加，但压力变化不大。爆震波是具有化学反应的强激波，由于没有足够时间使压力平衡，因此爆震燃烧过程接近于等容燃烧过程。爆震波传播速度远大于缓燃波传播速度，是一种超声速燃烧波，能产生极高压力（兆帕量级）[4]。
加拿大、法国和美国等在20世纪80年代开展了不同规模的实验研究[5-12]表明：沿扩展火焰传播方向上的障碍物会引起火焰加速现象。FA的机理可定性解释为：当出现障碍物时，产生的湍流可能对燃烧后的气体流动形成扰动，从而增加了火焰区域的表面积并促进了局部质量和能量交换速率。燃烧速率越快，则未点燃气体速率越快，从而造成火焰沿传播方向不断加速，在一定条件下甚至会转变成为爆炸。湍流对火焰传播影响的复杂之处在于其并不总是对燃烧速率起促进作用。例如当湍流强度过大时，可能导致火焰过度伸展同时燃烧产物和反应物在反应区快速混合，当反应区温度降低到一定程度时，火焰传播将终止。
混合物自缓慢点燃至发生燃爆转变一般会经过层流火焰、蜂窝状火焰、湍流火焰几个阶段。对层流火焰的研究比较充分，其传播速度由层流火焰燃烧速率和燃烧产物/反应物的密度比决定。随着层流火焰的进一步发展，火焰面积不断增加，由于流动，质能扩散的不稳定性，火焰表面开始出现褶皱，呈现出类似蜂窝状。如果火焰传播过程遇到障碍物，则在产生的湍流作用下火焰将进一步加速直至最终发生燃爆转变，火焰速度可能达到1000～2000m/s。
实验研究表明，DDT现象总是发生在火焰加速FA过程之后，因此评估DDT发生的可能性，必须首先对影响火焰加速过程的因素进行研究，已开展的研究包括障碍物设置（如间距和阻塞率）、开孔等的影响研究：
美国SANDIA国家实验室在建立了大型氢气燃烧实验装置FLAME，该装置是一个长30.5m，高2.44m，宽1.83m的矩形管道。点火端密封，远端开口。实验研究[14]表明，障碍物的出现能够明显增加火焰速度、燃烧过程产生的压力上升及DDT出现的可能，而横向的开孔的影响则相反。
层流火焰理论比较成熟，其火焰速度由火焰前沿反应层中的能量和质量传递速率决定，可准确计算。蜂窝状火焰传播过程由一系列复杂的扩散和动力学不稳定性过程决定，模拟起来较困难。蜂窝状火焰的传播由Markstein和Somers[15]给出，其理论分析可参见Clavin[16]等人的文章。从模拟的角度而言，通常引入火焰表面增强因子对蜂窝状火焰进行模拟，该因子通常由实验获得，且仅适用于特定组成的燃烧混合物。
随着蜂窝状火焰的传播，一旦遇到障碍物，则在火焰前方产生扰动，燃烧模式转变为湍流燃烧。湍流对火焰传播的扰动机制包括Kelvin-Helmholtz或Rayleigh-Taylor不稳定性。湍流火焰形状由湍流扰动强度及燃烧和湍流特征时间尺度共同决定。如果燃烧过程的特征时间小于湍流特征时间，则可将湍流火焰细分为不同的层流火焰单元，反之，则按照Borghi图[3]对湍流燃烧模式进一步划分。大部分湍流火焰的理论模型都是基于Borghi图和火焰形状进行验证的。
3 相关机理和模型
关于爆震的最简单一维理论是由Chapman和Jouget建立的C-J理论，该理论假设爆震波是一个带化学反应的一维强断面，可燃物的燃烧过程在断面上瞬间完成，不考虑流体黏性及热传导。由C-J理论预测的爆震火焰速度往往高于实验测量结果。为更为准确描述爆震波物理过程，20世纪40年代，Zeldovich，VonNeumann和Doring分别独立提出了相似的一维爆震波结构模型，称为ZND模型。该模型假设爆震波是由激波以及紧跟其后的化学反应区组成，激波把反应物预热到自燃温度，因而反应区中化学反应速率很高，反应区可以与激波具有相同传播速度。ZND模型是目前描述爆震波比较常用的模型。
20世纪五六十年代，条纹照相技术的迅速发展使得人们对DDT现象的发生条件、发展过程以及。在DDT发生机理研究方面比较重要的机制是SWACER（shock wave amplification by coherent with energy release），该机制是由Zeldovich和Lee等人提出，后经Dorofeev等人[17] 发展，是目前公认的适用于DDT发生机制的解释的比较好的解释。
4 实验研究
C.Johansen和G.Ciccarelli[9]，[10]研究了在含有方形障碍物的通道内开展的火焰加速现象。实验研究证明：
（1）通道宽度对火焰锋面表面积及火焰速度有显著影响，通道变窄，导致火焰散热增加，但同时边界层增加了火焰面积，由于火焰面积增加对燃烧速率的影响大于热损失增加的影响，因此随着通道的变窄，火焰传播速度增加。
（2）在火焰加速后期，障碍物及管道壁面反射的冲击波将导致火焰锋面速度出现明显的波动。在BR=0.33的情形下，火焰最终速度可达燃烧产物声速，而较大BR下的火焰最终速度较低。
20世纪90年代，欧洲和北美洲各国在火焰加速FA和DDT现象学研究方面开展的重要实验有：
（1）在大型氢气燃爆实验装置RUT上开展了氢气燃烧实验，并综合之前的实验数据，提出了DDT发生判定准则7λ准则。
（2）Thomas开展的冲击波-火焰耦合机制下诱发的DDT实验，与Khokhlov开展的数值模拟研究一起，被认为为未来揭示DDT现象和SWACER深层机制指出了方向。
（3）慕尼黑大学开展的火焰传播实验和开口系统燃爆实验[11]。
（4）FZK在不同几何结构上开展的DDT实验研究[12]。
（5）BNL在高温燃烧实验台架HTCF上开展的实验研究[13]，实验研究了通风、初始条件等因素对DDT和火焰加速现象的影响。
5 工程应用
氢气爆燃及爆轰过程涉及复杂的湍流-燃烧耦合过程，空间、时间尺度不同，则现象和作用机制不同，目前仍缺乏精确描述这些复杂现象和机制的数学模型，采用DNS方法也仅适用于揭示中小尺度（1m3-10m3）下的火焰加速（FA）及燃爆转变（DDT）过程，对于类似电厂安全壳（约50000m3）尺度的大空间内的燃爆分析，研究所涉及的现象尺度范围通常涵盖从数毫米厚的火焰层直至数米甚至数十米的气体扩散尺度，若要分析详细的局部燃烧特征，则1m3空间内的网格数量将达到1015量级，以现有计算能力及工程要求下，采用复杂的机理燃烧模型进行分析显然是不现实的。
为满足严重事故下安全壳内氢气燃爆分析的需要，一些主要的核能研究机构开发了适用于大尺度空间氢气燃烧分析的三维数值模拟分析软件，例如由德国FZK开发的COM3D、法国CEA开发的TONUS 3D软件。这些软件并不关注H2-O2反应系统分步反应细节，而是基于总包反应速率的概念建立简化的燃烧产物源项表达式，常见的燃烧源项模型包括Arrhenius模型、Eddy Break-UP模型以及CREBCOM模型[3]。这些源项模型将混合物组分、特征几何参数、湍流强度对总包反应速率的影响以经验参数的形式代替，因而在应用这些分析软件时，必须需通过与研究对象参数、空间尺度相近的氢气燃烧实验进行验证，才能保证分析结果的合理性。
6 小结
本文介绍了与核电站严重事故下安全壳内氢气燃烧风险相关的火焰加速（FA）及爆燃-爆轰转变（DDT）过程的基本物理现象、机理、实验研究开展情况以及工程应用进展，主要结论如下：
（1）基础研究方面：目前针对FA和DDT现象的基本发展过程，重要机制积累了一定的认识，并基于大量氢气燃烧实验数据，总结出了FA及DDT发生的必要条件，但仍缺少能够完整描述层流火焰、湍流火焰和爆轰过程的机理模型。采用DNS方法计算代价高，适用的几何尺度有限，并不适用于类似于安全壳大尺度空间的燃爆分析。
（2）工程应用方面：主要核能研究机构已发出了适用于大尺度空间燃烧问题的工程分析软件，但由于采用了简化假设，其模型仍存在较大不确定性，需进行进一步实验验证。
【参考文献】
[1]NEA groups of experts. 1992. OECD State-of-the-Art Report on Flame Acceleration and Transition to Detonation in Hydrogen/Air/Diluent Mixtures[Z]. NEA/CSNI/R.1992，3.
[2]M.P. Sherman and M. Berman， The Possibility of Local Detonations During Degraded-CoreAccidents in the Bellefonte NPP Nuclear Technology， Vol[Z]. 81， 1988，63.
[3]Breitung W. et al.， 2000. OECD State-of-the-Art Report on Flame Acceleration and Deflagration-to-Detonation Transition in Nuclear Safety[Z]. NEA/CSNI/R，2000，7.
[4]李凤华. 激波和火焰相互作用的数值模拟研究[D]. 南京航空航天大学硕士学位论文，2007.
[5]M.P. Sherman， S.R. Tieszen and W.B. Benedick， FLAME Facility： The Effect of Obstacles and Transverse Venting on Flame Acceleration and Transition to Detonation for Hydrogen/Air Mixtures at Large Scale， Sandia National Laboratories Report[Z]. NUREG/CR-5275 or SAND-85-1264，1989.
[6]G.H. Markstein and L.M. Somers， Cellular Flame Structure and Vibratory Flame Movement in N-Butane-Methane Mixtures， Fourth Symposium （International） on Combustion[Z]. Williams & Wilkins，1964.
[7]P. Clavin and F.A. Williams， Effects of Molecular Diffusion and Thermal Expansion on the Structure and Dynamics of Premixed Flames in Turbulent Flows of Large Scale and Low Intensity， Journal of Fluid Mechanics， Vol[Z]. 1981，116：252-282.
[8]S.B. Dorofeev， V.P. Sidorov， M.S. Kuznetsov， I.D. Matsukov and V.I. Alekseev， Effect of Scale on the Onset of Detonations， Proc[Z]. of 17th International Colloquium on Dynamics of Explosion and Reactive Systems， Heidelberg，1999.
[9]C.Johansen， G.Ciccarelli. Flame Acceleration in Narrow Channels with Obstacles[Z]. Combustion Flame 2009，156：405-416.
[10]Gaby Ciccarelli， Craig T. Johansen， Michael Parravani. The role of shock–flame interactions on flame acceleration in an obstacle laden channel[Z].Combustion and flame 2010，157：2125-2136.
[11]A. Eder， C. Gerlach and F. Mayinger， Experimental Observation of Fast Deflagrations and Transition to Detonations in Hydrogen-Air Mixtures， submitted to the Symposium on Energy Engineering in the 21rst Century， Jan[Z]. 9-13， Hong Kong， 2000.
[12]A. Veser， W. Breitung， G. Engel， G. Stern and A. Kotchourko， Deflagration-to-Detonation- Transition Experiments in Shock Tube and Obstacle Array Geometries[Z]. Report FZKA-6355， Research Center Karlsruhe，1999.
[13]G. Ciccarelli， J.L. Boccio， T. Ginsberg， C. Finfrock， L. Gerlach， H. Tawaga and A. Malliakos， The Effect of Initial Temperature on Flame Acceleration and Deflagration-to- Detonation Transition Phenomenon[Z]. NUREG/CR-6509， May 1998.
[责任编辑：邓丽丽]
推荐访问： 核电站 事故 现状 风险 研究
