池式鈉冷快堆電廠運行方案仿真研究

張厚明,段天英,劉國發(fā)

(中國原子能科學研究院,北京102413)

池式鈉冷快堆電廠主熱傳輸系統(tǒng)方案一般采用鈉-鈉-水三回路設計,一回路為池式結構[1]。池式鈉冷快堆電廠,不能再采用實驗快堆所采用的“機跟堆”的運行方案,而應采用“堆跟機”方式,并根據(jù)電力需求調(diào)整電廠功率,但不參與電網(wǎng)調(diào)峰,因此運行方案與實驗快堆有很大不同,需要對其仿真研究。

1 池式鈉冷快堆電廠各主要系統(tǒng)建模

1.1 堆芯物理模型

六組緩發(fā)中子點堆動態(tài)方程為：

根據(jù)方程(1)建立堆芯物理模型如圖1所示。

圖1 堆芯物理模型Fig.1 Reac tor physicsmodel

作為一個穩(wěn)定運行的反應堆裂變產(chǎn)物和輻射俘獲產(chǎn)物已經(jīng)達到平衡,在臨界附近,擾動不太大的情況下,可以假設反應堆功率正比于中子密度。

1.2 反應性反饋模型

快堆內(nèi)比較重要的反應性溫度效應包括：結構溫度效應、組件彎曲效應、燃料密度效應、冷卻劑密度效應、多普勒(Dopp ler)效應等。

堆芯入口冷卻劑溫度變化時,支撐堆芯的結構將沿徑向膨脹或收縮,造成堆芯沿徑向膨脹或收縮,從而影響反應性變化。堆芯入口溫度對反應性的影響近似為：

同樣,燃料密度對反應性的影響近似為：

冷卻劑溫度變化對反應性的影響近似為：

已經(jīng)發(fā)現(xiàn),對于裝有氧化物燃料的快堆,燃料多普勒效應的反應性與溫度的關系幾乎嚴格符合式(5)[2]：

根據(jù)方程(2)、(3)、(4)及(6)建立反應性反饋模型如圖2所示。

圖2 反應性反饋模型Fig.2 Reactivity feedback model

1.3 堆芯熱工模型

采用集總參數(shù)法描述堆芯換熱：

堆芯傳給冷卻劑的功率可以表示為：

同時,采用集總參數(shù)法描述堆芯內(nèi)冷卻劑溫度為：

根據(jù)方程(7)、(8)、(9)推導并拉氏變換得到堆芯熱工傳遞函數(shù)：

根據(jù)方程(10)、(11)建立堆芯熱工模型如圖3所示。

圖3 堆芯熱工模型Fig.3 Reactor thermalmodel

1.4 冷、熱鈉池及柵板聯(lián)箱模型

采用集總參數(shù)法描述冷鈉池的換熱為：

根據(jù)方程(12)可以推導出冷鈉池的傳遞函數(shù)：

根據(jù)方程(13)建立冷鈉池模型如圖4所示。

同樣方法可以得出熱鈉池和柵板聯(lián)箱模型如圖5、圖6所示。

1.5 中間熱交換器模型

采用集總參數(shù)發(fā)描述中間熱交換器兩側(cè)換熱：

一次側(cè)：

對方程(14)、(15)推導及拉氏變換,并對其做出修正,中間熱交換器的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)方程(16)、(17)建立中間熱交換器模型如圖7所示。

圖4 冷鈉池模型Fig.4 Cold poo lmodel

圖5 柵板聯(lián)箱模型Fig.5 Distribution header thermalmodel

圖6 熱鈉池模型Fig.6 H ot poolmodel

圖7 中間熱交換器模型Fig.7 Intermediate heat exchangermodel

1.6 蒸汽發(fā)生器模型

根據(jù)能量守恒,蒸汽發(fā)生器的傳熱過程為[3]：

對方程(18)推導并進行拉氏變換及修正可以得出蒸汽發(fā)生器的傳遞函數(shù)：

根據(jù)方程(19)建立蒸汽發(fā)生器模型如圖8所示。

圖8 蒸汽發(fā)生器模型Fig.8 Steam generator model

1.7 管道、泵模型

將管道簡化為一個延遲環(huán)節(jié),簡化后的傳遞函數(shù)為：

與管道模型類似,泵流量也可以簡化為一個延遲環(huán)節(jié)。

1.8 功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

池式鈉冷快堆電廠采用步進電機來驅(qū)動控制棒,采用閉環(huán)控制步進電機建立模型如圖9所示。

根據(jù)上述模型建立池式鈉冷快堆電廠模型如圖10所示。

圖9 功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型Fig.9 Pow er regu lation system model

圖10 池式鈉冷快堆電廠模型Fig.10 PSFRPmodel

2 池式鈉冷快堆電廠運行方案簡介

池式鈉冷快堆電廠采用“堆跟機”的運行方案,但不參與電網(wǎng)調(diào)峰。主要有冷卻劑流量恒定和可變兩種方式,其中冷卻劑流量可變方式是較為理想的方式,這種方式下冷卻劑流量可以調(diào)節(jié),以緩和溫度變化對反應堆材料的熱應力沖擊。流量控制還可以縮短反應堆啟動和停堆時間,改善反應堆對負荷的跟蹤性能,但冷卻劑泵的驅(qū)動機構及控制系統(tǒng)較為復雜。根據(jù)Evans(1967)和Know les(1976)對控制系統(tǒng)的構思[4],池式鈉冷快堆電廠運行方案如圖11所示。

圖11 池式鈉冷快堆電廠運行方案簡圖Fig.11 PSFRP operation plan sketch

3 運行方案仿真研究

3.1 運行基本假設、初始條件及擾動類型

假設只有一根調(diào)節(jié)棒參與功率調(diào)節(jié)。假設同一環(huán)路中不同中間熱交換器、蒸汽發(fā)生器、出入口溫度等參數(shù)變化一致,也即同一環(huán)路中不同中間熱交換器、蒸汽發(fā)生器的參數(shù)沒有差別。參照BN800各參數(shù),仿真初始條件及各參數(shù)如表1所示。

表1 仿真初始條件及參數(shù)Table 1 Simulation initia lization and parameters

擾動類型：

引入擾動類型包括反應性擾動、鈉流量擾動和負荷擾動。池式鈉冷快堆電廠運行中,可能出現(xiàn)反應性受某種擾動。一、二回路流量受某種擾動,諸如可能出現(xiàn)閥門誤動作導致流量降低。對于動力堆控制系統(tǒng),要求甩負荷10%的情況下不觸發(fā)停堆[3],因此選取各種擾動類型如表2所示。

表2 各種擾動類型Table 2 Various types of disturbance

3.2 各擾動下仿真結果

3.2.1 反應性擾動仿真結果

反應性擾動仿真結果如圖12所示。

3.2.2 一回路流量擾動仿真結果

一回路流量擾動仿真結果如圖13所示。

3.2.3 二回路流量擾動仿真結果

二回路流量擾動仿真結果如圖14所示。

3.2.4 負荷擾動仿真結果

負荷擾動仿真結果如圖15所示。

圖12 反應性擾動仿真結果Fig.12 Simu lation result of reactivity disturbance

圖13 一回路流量擾動仿真結果Fig.13 Simu lation resu lto f the primary flow turbulence

圖14 二回路流量擾動仿真結果Fig.14 Simulation resu lt of the secondary flow turbu lence

圖15 負荷降低10%仿真結果Fig.15 Simu lation result of load falling by 10%

4 結論

結果表明上述“堆跟機”運行方案,在反應性、一、二回路流量擾動及負荷擾動下池式鈉冷快堆電廠運行良好。其中,反應性擾動對池式鈉冷快堆電廠的影響較小。一回路流量擾動對堆功率影響較小,但對中間熱交換器各溫度影響較大,二回路流量擾動對堆功率影響很小,對二回路各溫度影響較大。在負荷降低時,堆功率及流量均隨負荷下降,各溫度均有變化,最終穩(wěn)定在額定值附近。這表明此方案在各種擾動下均滿足運行要求。

[1] 張東輝.中國示范快堆技術選擇探討[J].中國核電,2008.1(2)：134-139.

[2] 蘇著亭,葉長源,閻鳳文,等.鈉冷快增殖堆[M].北京：原子能出版社,1990：154,350.

[3] 段天英.中國實驗快堆控制系統(tǒng)的仿真研究[D].中國原子能科學研究院,1999.

[4] A.M.賈德.快堆工程引論[M].北京：原子能出版社,1992：59-70,185-188.