《Nuclear Engineering and Design》：Numerical investigation of ex-vessel sodium ejection under energetic CDA in a pool-type SFR
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•研究了在高能核心破坏事故（CDA）条件下，燃料气泡引起的反应堆外钠喷射现象。•讨论了钠喷射分为不同相的过程及其时间尺度。•由于燃料气泡的破裂，钠喷射在几秒钟内停止。•钠喷射对燃料气泡演化动态的敏感性较低。•氩气的混合显著影响了总钠喷射质量。引言钠冷快中子反应堆（SFR）是第四代
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研究了在高能核心破坏事故（CDA）条件下，燃料气泡引起的反应堆外钠喷射现象。
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讨论了钠喷射分为不同相的过程及其时间尺度。
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由于燃料气泡的破裂，钠喷射在几秒钟内停止。
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钠喷射对燃料气泡演化动态的敏感性较低。
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氩气的混合显著影响了总钠喷射质量。
引言
钠冷快中子反应堆（SFR）是第四代核反应堆的候选技术，旨在提供安全且可持续的电力生产（Kelly, 2014）。对于采用氧化物芯的池式SFR，假设的高能核心破坏事故（CDA）通常被视为确定监管界限的最大可信事故。在这种情况下，高能CDA是由未受保护的流量损失（ULOF）引发的，这会导致燃料（UO2 + PuO2混合物）熔化并重新排列，从而引发瞬态临界中子事件，以及反应堆规模燃料气泡在池式SFR容器中的振荡（Wilson, 1977）。燃料气泡现象会导致氩气覆盖气体压缩和反应堆容器加压。反应堆容器与反应堆围护建筑（RCB）之间的压力差将钠喷射通过反应堆容器头部 penetrations（即容器头部组件之间的间隙）排出到 RCB 中。由于喷射出的钠与氧气和湿气高度反应，这些钠的燃烧会提高 RCB 内的温度和压力，从而威胁到围护结构的完整性，并产生放射性气溶胶（Lebel et al., 2018）。RCB 是核反应堆核心放射性核素与环境之间的最后一道屏障。因此，钠喷射现象在确定高能CDA条件下RCB结构完整性的安全裕度方面起着核心作用。图1描述了在池式SFR中高能CDA情景下的两相燃料气泡振荡和覆盖气体压缩以及反应堆外钠喷射过程。
关于反应堆外钠喷射的分析信息，包括由燃料气泡现象引起的容器压力变化，在已发表的文献中很少见。此外，反应堆容器内存在大量的氩气覆盖气体，燃料气泡现象导致钠与氩气在容器覆盖气体空间中混合。氩气在喷射过程中进入容器头部 penetrations 可能会显著影响反应堆外钠喷射过程。然而，文献中对氩气进入对反应堆外钠喷射的影响尚未得到充分探讨。
(Zeuch 和 Wang, 1980) 使用控制体积方法分析了 SFR 中的钠喷射现象。他们得出结论，总反应堆外钠喷射质量既取决于板层穿透几何形状，也取决于事故能量。（Velusamy et al., 2011）使用经验得出的压力历史数据估计了钠喷射质量。然而，上述研究采用了单相模型，并忽略了气体-液体流动对钠喷射现象的影响。（Amblard et al., 1982）报告称，在高能CDA条件下，反应堆外钠喷射以钠-氩泡沫的形式发生。（Thilak et al., 2024）提出了一个“钠喷射模型”，以评估钠-氩混合对反应堆容器压力载荷的影响，以及燃料气泡现象期间狭窄反应堆头部 penetrations 中的钠-氩两相流动。
本文扩展了上述评估，提出了一个钠喷射模型，并对 SFR 中燃料气泡演化过程中的反应堆外钠喷射进行了参数分析。一个燃料气泡模型从机制上评估了反应堆规模燃料气泡的振荡和最终破裂（Thilak et al., 2025），并提供了必要的压力历史数据以评估反应堆外钠喷射。在第2节中简要描述了反应堆外钠喷射和燃料气泡现象。然后，在第3节中讨论了钠喷射和燃料气泡数值模型的细节。第4节讨论了燃料气泡演化结果，这些结果作为钠喷射参数分析的输入。第5节评估了池式SFR中的反应堆外钠喷射，第6节提出了结论。
章节摘录
高能CDA条件下燃料气泡及反应堆外钠喷射现象的描述
ULOF 之后，核心材料（包括燃料）的广泛熔化和重组可能导致受损的 SFR 核心区域形成熔融燃料池。熔融燃料池的中子反应性可能比完整核心配置更强，从而导致瞬态临界中子事件。中子事件会在几毫秒内将裂变能量释放到燃料池中。因此，熔融燃料池从整体液体状态转变为亚稳态
钠喷射和燃料气泡模型
下面介绍了本文用于估算反应堆外钠喷射质量的钠喷射模型。同时介绍了为评估反应堆外钠喷射提供必要输入压力的燃料气泡模型细节。
燃料气泡演化和相关钠喷射驱动压力的评估
使用燃料气泡模型评估了理想化池式SFR容器中的钠喷射驱动压力。图5显示了燃料气泡模型中考虑的池式SFR容器的示意图（即初始条件）。图中还展示了中子事件后形成的燃料气泡。初始覆盖气体和热钠池的体积分别为104 m3和476 m3。覆盖气体的初始压力为1.0 × 105 Pa。这些值适用于中型池式SFR
池式SFR中反应堆外钠喷射的评估
本文提出了通过典型容器头部 penetrations 估算反应堆外钠喷射的数值分析。首先讨论了容器头部 penetrations 的尺寸，然后展示了容器头部底部的瞬态压力和分析结果。
容器头部 penetrations 以狭窄的环形通道形式存在。钠喷射取决于容器头部底部的驱动压力；容器头部发生的变形
结论
燃料气泡引起的反应堆外钠喷射到反应堆围护建筑（RCB）在钠冷快中子反应堆（SFR）严重事故分析中起着核心作用。钠喷射通过容器头部 penetrations 发生。燃料气泡的演化导致反应堆容器覆盖气体空间中强烈的钠-氩混合。随后，氩气进入容器头部 penetrations 对反应堆外钠喷射现象有显著影响。两相流动
CRediT 作者贡献声明
B. Thilak: 撰写 – 原始草稿、验证、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。P. Mangarjuna Rao: 撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、数据整理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
B. Thilak|P. Mangarjuna Rao
