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从1957年世界第一座商用压水堆核电站在美国建成投运至今，美国三里岛核电站、前苏联切尔诺贝利核电站和日本福岛核电站先后发生过三次重大核电事故，后两次事故中均有放射性物质泄漏到外部环境中，对社会造成严重危害。法国EPR（欧洲压水反应堆）堆型和韩国ALWR（改进型轻水反应堆）堆型等不同类型第三代核电站的设计中均引入了堆芯捕集器，用于在压力容器外冷却、封存熔融物，避免放射性物质的泄漏。牺牲混凝土是堆芯捕集器的重要组成部分。严重核电事故中，牺牲混凝土与堆芯熔融物接触后，会受热熔化与之混合，并降低其固相和液相温度，同时混凝土中的Fe2O3和SiO2能够氧化熔融物中的锆，SiO2还可以在高温下形成玻璃态基体包容住放射性裂变产物。因此研究牺牲混凝土的制备方法、性能以及作用机理对于提高核电站安全性具有重要意义。
本文首先以EPR用核电牺牲混凝土性能要求为指标，研究了牺牲混凝土的制备方法与基本物理力学性能。研究结果表明:
本文制备的牺牲混凝土坍落度均大于180mm，自由水含量低于5％，标养28d龄期的抗压强度均超过65MPa，堆坑区硅铁牺牲混凝土中SiO2和Fe2O3的含量分别高达48.8％和30.0％，满足EPR用牺牲混凝土的性能要求。
其次，研究了硅铁牺牲混凝土在高温作用下的形貌变化和性能演化，并利用CT扫描、X射线衍射分析(XRD)、热重-差热分析(TG-DSC)等测试技术获得了牺牲混凝土在高温下的孔结构变化及产物演变。研究结果表明:
(1)随温度升高，牺牲混凝土中的C-S-H凝胶和Ca(OH)2水解失水、CaCO3分解，表面逐渐疏松，微细裂缝和宽大裂缝增多，孔隙率最多增加了31.3％～42.8％，900℃时牺牲混凝土残余抗压强度为初始强度的27.1％～33.0％。1120℃时牺牲混凝土开始熔化，1150℃时，试件因熔化而完全失去其原有形态。
(2)聚丙烯纤维的掺加降低了牺牲混凝土的流动性和强度，但其在高温熔化后形成的孔道有利于CO2和H2O的逸出，减弱了高温下孔内气体压力增加对孔结构产生的破坏效应，使高温残余强度提高了5％～8％，并且试件在1000℃下不爆裂。
在核电牺牲混凝土优化的基础上，建立EPR核电厂模型，采用MELCOR程序计算并分析了小破口失水严重事故序列(SBLOCA)下MCCI相关的主要现象。研究结果表明:
(1)事故发生后，4360s时压力容器熔穿，堆芯熔融物主要在4360s～5000s和7455s～9767s两个时间段内掉入堆坑。14398s时堆坑底层混凝土先熔穿，熔融物温度降低为2176K;21294s熔融物将扩展区底层混凝土熔穿后掉落至氧化锆层上，此时熔融物温度仅为1777K，远低于氧化锆的熔点2953K，并且其温度持续不断降低，因此熔蚀停止，熔融物密度降低为4.3×103kg/m3，熔蚀进入熔融物的混凝土组分质量为8.4×104kg;30天后，熔融物温度降低为942K，已经固化于扩展区中。堆坑和扩展区混凝土熔蚀过程中总共产生了255kg的氢气。
(2)计算的严重事故序列下堆坑区混凝土稳定的轴向熔蚀速率约为5.5×10-5m/s，与针对EPR堆型开发并经过模拟试验验证的程序所计算的结果基本一致，说明结合本章建立的EPR模型，采用MELCOR程序计算的严重事故序列结果具有较好的可靠性。
最后，计算并分析了混凝土熔蚀温度与类型、熔池分层模型和堆坑底层混凝土厚度对堆坑内MCCI相关主要现象的影响。研究结果表明:
(1)与1511K熔蚀温度相比，1431K熔蚀温度下熔融物总质量增加3.6％，密度降低10.5％，氢气产量增加5.4％，堆坑底层混凝土熔穿时间缩短4.9％。造成这些差异的主要原因是熔蚀温度与混凝土熔蚀焓基本成正比，而与熔蚀速率成反比。在确保混凝土层熔穿前能够收集全部掉落的堆芯熔融物的前提下，宜选用低熔蚀温度的混凝土。
(2)在采用不同类型混凝土的情况下，熔蚀进入熔融物的混凝土组分以石灰岩混凝土为最少，硅质、玄武岩混凝土基本一致，硅铁混凝土最多;硅铁混凝土的熔蚀速率也最快，堆坑熔穿仅需9442s～10038s。石灰岩混凝土中碳酸盐含量最高，致使其熔蚀过程中产生了多达3688kg的气体，是其它类型混凝土的5倍～7倍，吸收的热量也最多，因此堆坑熔穿时，其对应的熔融物温度最低，仅为2100K。硅铁、硅质混凝土最适于用作牺牲混凝土，既能减少气体的产量，又能在较短时间内降低熔融物温度。
(3)采用熔池分层模型后，熔池由下至上按密度高低一般分为三层:重氧化层(HOX)、金属层(MET)、轻氧化层(LOX)。重氧化层阻碍了金属层与底层混凝土中氧化物组分的反应以及热量传递，因此轴向熔蚀速率明显减慢，堆坑熔穿时间延长87.3％。轻氧化层存在于金属层和含有水蒸汽的外部环境之间，因此其存在与否直接影响了氢气的产生速率，堆坑熔穿过程中，熔池分层结构下的氢气总产量比混合结构下要多6.8％。堆坑熔穿时，分层结构下，熔池由下至上各层温度分别为2258K、2207K、2131K，而混合层结构下混合层的温度为2175K。
(4)与45cm厚的堆坑底层混凝土相比，50cm厚的混凝土层熔穿所需时间延长8.6％，氢气总产量增加12.5％;堆坑熔穿时，熔融物比重降低3.5％，温度降低37K。堆坑底层混凝土厚度以确保在熔穿前收集到所有掉落的堆芯熔融物为宜。