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在IP200小型一体化压水堆的设计方案中，熔融物堆芯滞留(IVR，In vessel melt Retention)措施是保证放射性包络的一道最重要防线。判断IVR成功的基本原则是，下封头壁面向外传热的热流密度，必须低于压力容器外部冷却中当地沸腾的临界热流密度。但在实际的小型堆IVR场景中，真实的熔池热负荷能否低于安全限值，仍有三方面要素值得被仔细斟酌。第一，一体化小堆的自身特性(如堆芯功率密度、冷却剂装量)与事故序列(如安全系统动作、堆芯坍塌时间)，将深刻影响严重事故的早期进程，进而改变下封头内熔池的形成过程。如何考虑事故早期进程对熔池形成的累计效应，将影响熔池的初始热状态准确性。第二，压力容器内熔融物冷却的过程中包含了多个复杂现象的相互作用。如何合理地量化上述现象的耦合效应，将直接影响IVR熔池的流动与传热特性。第三，压力容器外部冷却(ERVC，External Reactor Vessel Cooling)回路中冷水的流动特性，对于熔池散热的影响是不容忽视的。所以，下封头壁外的循环冷却也常被分离于内部熔池作为独立环节进行分析。特别是为自然循环提供驱动力的沸腾模式、以及流动潜在的不稳定性两方面因素的影响。为了解决上述三方面的问题，本文开展了以下相关仿真的研究。
首先，本文对IP200反应堆早期事故进程进行仿真研究。该项研究旨在分析事故早期进程对熔池形成过程的影响。使用事故机理性分析程序SCDAP/RELAP5建立了反应堆及安全系统模型，模拟了SLOCA(SmallbreakLossOfCoolantAccident/小破口事故)叠加ESBO(ExtendedStationBlackOut/长期全厂断电)的极限工况导致的严重事故进程。从堆芯退化一直分析至IVR状态，充分考虑熔化、坍塌等早期现象对熔池初始状态的影响。此外，讨论了IP200自身设计特征与模型差异性对熔池最大热负荷的影响。结果显示，IP200堆的单位热功率储水量较低，严重事故场景下堆芯退化进程发生得很快，从堆芯开始裸露直至局部熔化大约历时9500s。但在熔池形成过程中，堆芯组件并未完全坍塌。该项结论为评价一体化小堆安全分析的包络性提供了可靠参考。
其次，对IVR熔池自身的流动传热特性进行了仿真研究。由于在机理性程序SCDAP分析中，无法保证一定能模拟出堆芯组件全部熔化坍塌时的最严重熔池场景。因此，这里有针对性地创建了三种新型熔池仿真模型，分别编制程序，用于评估IP200反应堆完全坍塌时不同的IVR特性，包括：瞬态传热特性、流场分布特性、以及分层构型特性。针对熔池瞬态传热特性，本文基于经验关系式的自然对流模型和等温凝固假设下的移动边界模型，创建了熔池瞬态传热分析程序。以LIVE-L5L熔盐实验为对象进行基准题验证计算。特别的，对动态过程中硬壳增长率的计算结果重点讨论。结果显示，等温假设下的移动边界法对于计算熔池边界上的凝固是适用的。由于引入了额外的线性假设使控制方程封闭，单层网格就能获得稳定的凝固界面追踪效果。针对熔池流场特性，研究基于单相自然对流CFD模型与焓守恒相变转换模型，构建出熔池传热与流动的精细化分布参数仿真程序。以BALI切片实验的两个不同稳态工况为基准题，验证了模型与算法适用性。然后，以IP200堆为对象进行熔池试算，依据云图与矢量图讨论了内热功率对流场分区的影响。结果显示，内热增大时，更多的高温流体将汇聚于顶部，将加剧顶部流场的涡旋结构，也削弱底部热分层效应。由于某些情况下，熔融混合物可能会出现金属相与氧化相的分层，进而改变熔池的分层结构。针对熔池分层构型特性，研究基于最终包络状态(FIBS-FInal Bounding State)概念开发了分层熔池构型的传热估算模型。模型中较全面地考虑了两层、三层、水池熔池构型。研究定量分析了氧化层内热功率与金属层特征高度对热负荷分布的影响。也讨论了重金属质量成分、水层膜态沸腾对峰值热流密度的作用效果。这些模型分别实现了凝固相变、流场演化、成层分布三个现象层面的性能突破，可以作为一种较为准确的瞬态熔池分析工具，并入系统级安全分析程序中。
最后，对熔池外部ERVC回路中自然循环的流动不稳定性进行了仿真研究。使用热工水力程序RELAP5对ERVC的开式循环瞬态流动特性进行了分析，讨论了流动与传热的反馈机制。对比REPEC实验中低加热循环工况进行稳态验证，评价模型对加热段内过冷沸腾引起的两相自然循环现象的适用性。使用RELAP5对IP200堆的ERVC系统建立切片模型，并对自然循环的瞬态流动进行模拟。划分了不稳定流动的高、低过冷度边界，并依据震荡规律对加热段内过冷沸腾引发的流动不稳定性进行机理解释。结果显示，随着入口欠热度降低，自然循环将依次出现稳定-不稳定-稳定的流动状态过渡。增加背压会降低自然循环流量，整体压缩不稳定范围。减小进口阻力系数将增大循环流量，不稳定边界均会向功率升高的方向偏移。该研究也为ERVC回路内的自然循环流动机理研究提供了切入点与分类准则。
本文通过仿真手段，不仅研究了反应堆宏观结构特性、微观机理特性对熔池传热的影响，也给出了IVR中关键参数的具体数值。此外，本文还初步搭建一套关于小型堆IVR研究的体系方案，旨在为工程小型堆的工程设计提供参考。
首先，本文对IP200反应堆早期事故进程进行仿真研究。该项研究旨在分析事故早期进程对熔池形成过程的影响。使用事故机理性分析程序SCDAP/RELAP5建立了反应堆及安全系统模型，模拟了SLOCA(SmallbreakLossOfCoolantAccident/小破口事故)叠加ESBO(ExtendedStationBlackOut/长期全厂断电)的极限工况导致的严重事故进程。从堆芯退化一直分析至IVR状态，充分考虑熔化、坍塌等早期现象对熔池初始状态的影响。此外，讨论了IP200自身设计特征与模型差异性对熔池最大热负荷的影响。结果显示，IP200堆的单位热功率储水量较低，严重事故场景下堆芯退化进程发生得很快，从堆芯开始裸露直至局部熔化大约历时9500s。但在熔池形成过程中，堆芯组件并未完全坍塌。该项结论为评价一体化小堆安全分析的包络性提供了可靠参考。
其次，对IVR熔池自身的流动传热特性进行了仿真研究。由于在机理性程序SCDAP分析中，无法保证一定能模拟出堆芯组件全部熔化坍塌时的最严重熔池场景。因此，这里有针对性地创建了三种新型熔池仿真模型，分别编制程序，用于评估IP200反应堆完全坍塌时不同的IVR特性，包括：瞬态传热特性、流场分布特性、以及分层构型特性。针对熔池瞬态传热特性，本文基于经验关系式的自然对流模型和等温凝固假设下的移动边界模型，创建了熔池瞬态传热分析程序。以LIVE-L5L熔盐实验为对象进行基准题验证计算。特别的，对动态过程中硬壳增长率的计算结果重点讨论。结果显示，等温假设下的移动边界法对于计算熔池边界上的凝固是适用的。由于引入了额外的线性假设使控制方程封闭，单层网格就能获得稳定的凝固界面追踪效果。针对熔池流场特性，研究基于单相自然对流CFD模型与焓守恒相变转换模型，构建出熔池传热与流动的精细化分布参数仿真程序。以BALI切片实验的两个不同稳态工况为基准题，验证了模型与算法适用性。然后，以IP200堆为对象进行熔池试算，依据云图与矢量图讨论了内热功率对流场分区的影响。结果显示，内热增大时，更多的高温流体将汇聚于顶部，将加剧顶部流场的涡旋结构，也削弱底部热分层效应。由于某些情况下，熔融混合物可能会出现金属相与氧化相的分层，进而改变熔池的分层结构。针对熔池分层构型特性，研究基于最终包络状态(FIBS-FInal Bounding State)概念开发了分层熔池构型的传热估算模型。模型中较全面地考虑了两层、三层、水池熔池构型。研究定量分析了氧化层内热功率与金属层特征高度对热负荷分布的影响。也讨论了重金属质量成分、水层膜态沸腾对峰值热流密度的作用效果。这些模型分别实现了凝固相变、流场演化、成层分布三个现象层面的性能突破，可以作为一种较为准确的瞬态熔池分析工具，并入系统级安全分析程序中。
最后，对熔池外部ERVC回路中自然循环的流动不稳定性进行了仿真研究。使用热工水力程序RELAP5对ERVC的开式循环瞬态流动特性进行了分析，讨论了流动与传热的反馈机制。对比REPEC实验中低加热循环工况进行稳态验证，评价模型对加热段内过冷沸腾引起的两相自然循环现象的适用性。使用RELAP5对IP200堆的ERVC系统建立切片模型，并对自然循环的瞬态流动进行模拟。划分了不稳定流动的高、低过冷度边界，并依据震荡规律对加热段内过冷沸腾引发的流动不稳定性进行机理解释。结果显示，随着入口欠热度降低，自然循环将依次出现稳定-不稳定-稳定的流动状态过渡。增加背压会降低自然循环流量，整体压缩不稳定范围。减小进口阻力系数将增大循环流量，不稳定边界均会向功率升高的方向偏移。该研究也为ERVC回路内的自然循环流动机理研究提供了切入点与分类准则。
本文通过仿真手段，不仅研究了反应堆宏观结构特性、微观机理特性对熔池传热的影响，也给出了IVR中关键参数的具体数值。此外，本文还初步搭建一套关于小型堆IVR研究的体系方案，旨在为工程小型堆的工程设计提供参考。