非能動專設(shè)安全設(shè)施應(yīng)急余熱排出試驗研究

劉 遜，扶靚虔，許世杰，李朋洲

(中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041)

海水淡化是解決未來人類淡水危機(jī)的一個可靠途徑。目前世界上在運(yùn)行的海水淡化裝置以石化能源為主，已對生態(tài)環(huán)境造成較大壓力，未來海水淡化尋求其他替代能源是必然趨勢。核能具有功率大、能源穩(wěn)定可靠、技術(shù)成熟等特點。隨著世界范圍內(nèi)核能海水淡化需求的增長，我國開始自主設(shè)計核能海水淡化反應(yīng)堆。溫嶺核能海水淡化堆由中國核動力研究設(shè)計院設(shè)計，具有系統(tǒng)設(shè)備簡單、運(yùn)行方便等特點，其專設(shè)安全設(shè)施具有良好的固有安全性。

本文利用非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置(簡稱試驗裝置)對溫嶺核能海水淡化堆的專設(shè)安全設(shè)施進(jìn)行模擬試驗，以驗證專設(shè)安全系統(tǒng)設(shè)計、掌握系統(tǒng)運(yùn)行特性、研究其余熱導(dǎo)出能力。針對該試驗裝置，建立RELAP5/MOD3.2節(jié)點圖[1]，計算分析試驗工況，并比較計算結(jié)果與試驗結(jié)果。

1 試驗裝置

試驗裝置以溫嶺核能海水淡化堆的專設(shè)安全設(shè)施為模擬對象，按單相自然循環(huán)模擬準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計[2-3]，主要遵循功率容積比準(zhǔn)則、動力學(xué)準(zhǔn)則、真實時間比準(zhǔn)則、Richard數(shù)準(zhǔn)則、幾何相似準(zhǔn)則等。

試驗裝置按功率、容積模擬比例因子1∶45進(jìn)行設(shè)計，試驗裝置回路工質(zhì)、工作壓力和溫度與原型設(shè)計相同，設(shè)備的高度及設(shè)備間的相對高差與原型設(shè)計一致。

試驗裝置包括一回路冷卻劑系統(tǒng)、非能動專設(shè)系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)流程如圖1所示。一回路冷卻劑系統(tǒng)由反應(yīng)堆模擬體及兩條環(huán)路構(gòu)成，每條環(huán)路包括1臺循環(huán)泵、1臺換熱器。非能動專設(shè)安全系統(tǒng)包括蓄壓水池、余熱排出上升管、安注管等，其中蓄壓水池在裝置正常運(yùn)行時作為系統(tǒng)穩(wěn)壓器。

圖1 試驗裝置系統(tǒng)流程圖

試驗裝置設(shè)置有堆芯進(jìn)出口一回路冷卻劑溫度、壓力、一回路流量、波動流量等55個測點。堆芯模擬體電加熱元件由大型可控硅整流電源供電，可按給定曲線進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，能準(zhǔn)確模擬正常運(yùn)行工況下堆芯功率、事故工況下堆芯衰變功率。主泵采用變頻調(diào)節(jié)，可模擬原型主泵惰轉(zhuǎn)。

2 試驗方法

事故信號發(fā)出后，控制堆芯模擬體電加熱元件功率，從15%反應(yīng)堆功率(600 kW)開始，使其按預(yù)先設(shè)定的功率曲線變化(模擬堆芯余熱)，模擬堆芯余熱時，采用壓水堆停堆后的功率衰變曲線[4]，試驗測量堆芯功率與壓水堆的衰變熱曲線比較示于圖2。

圖2 試驗測量功率與壓水堆衰變熱比較

事故信號發(fā)出的同時，開啟余熱排出上升管上的氣動隔離閥，堆芯模擬容器出口一部分流體進(jìn)入應(yīng)急余熱排出上升管，形成堆芯出口→應(yīng)急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體→波動管→一回路冷段管道→環(huán)腔模擬容器→堆芯模擬容器的與一回路并列的循環(huán)系統(tǒng)。

隨著主泵惰轉(zhuǎn)和慣性流量動壓頭的減小直至消失，反應(yīng)堆下降環(huán)腔對安注管口的反向動壓頭也消失，最終形成蓄壓水池模擬體→安注管→環(huán)腔模擬容器→堆芯模擬容器→應(yīng)急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體、蓄壓水池模擬體→波動管→一回路冷段→環(huán)腔模擬容器→堆芯模擬容器→應(yīng)急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體兩個并列的自然循環(huán)系統(tǒng)，將堆芯的剩余釋熱導(dǎo)入蓄壓水池[5-6]。

本文針對余熱排出管阻力系統(tǒng)、堆芯出口溫度、蓄壓水池水位3個系統(tǒng)參數(shù)研究分析其對非能動余熱排出特性的影響，試驗工況列于表1。

表1 試驗工況

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 余熱排出上升管阻力系數(shù)的影響

由表1可知，應(yīng)急余熱排出模擬試驗分別在3組不同的余熱排出上升管阻力系數(shù)下進(jìn)行，以蓄壓水池初始水位23 m、堆芯初始出口溫度105 ℃為例，不同阻力系數(shù)下的系統(tǒng)瞬態(tài)特性示于圖3。

圖3 余熱排出上升管阻力系數(shù)對自然循環(huán)流量及堆芯出口溫度的影響

從圖3可看出，余熱排出上升管阻力系數(shù)的變化對自然循環(huán)流量及堆芯出口溫度均有一定影響，隨阻力系數(shù)的增大，自然循環(huán)流量依次下降，堆芯出口溫度依次升高。從圖3還可看出，堆芯出口的最高溫度也受到阻力系數(shù)變化的影響，依次為122.1、126.2和127.1 ℃(對應(yīng)阻力系數(shù)為15、30和60)，但均未超過0.3 MPa壓力下的飽和溫度(133.5 ℃)。

3.2 堆芯出口初始溫度的影響

由表1可知，應(yīng)急余熱排出模擬試驗分別在兩組不同的堆芯初始出口溫度下進(jìn)行，以蓄壓水池初始水位23 m、余熱排出上升管阻力系數(shù)60為例，不同堆芯出口溫度下的系統(tǒng)瞬態(tài)特性示于圖4。

圖4 堆芯初始出口溫度對自然循環(huán)流量和堆芯出口溫度的影響

從圖4可看出，堆芯初始溫度對自然循環(huán)建立之初有較大影響。初始溫度較高，自然循環(huán)上升段、下降段流體間的密度差更大，在相同阻力系數(shù)下，循環(huán)建立之初自然循環(huán)的流量更大，進(jìn)而使堆芯出口溫度下降更快，導(dǎo)致流量降低，這樣便使得自然循環(huán)的流量逐漸趨于一致。同時，在堆芯加熱段功率變化一致的情況下，熱段和冷段流體的溫差也應(yīng)趨于一致。

3.3 蓄壓水池初始水位的影響

根據(jù)表1，應(yīng)急余熱排出模擬試驗分別在3組不同的蓄壓水池水位下進(jìn)行，以堆芯初始出口溫度105 ℃、余熱排出上升管阻力系數(shù)30為例，不同蓄壓水池水位下的系統(tǒng)瞬態(tài)特性示于圖5。

圖5 蓄壓水池初始水位對余熱排出上升管流量和堆芯出口溫度的影響

在不同蓄壓水池水位下，系統(tǒng)阻力系數(shù)、冷熱芯位差、冷熱流體初始密度差均無明顯變化，因此在堆芯加熱功率變化一致的情況下，自然循環(huán)流量及堆芯出口溫度變化應(yīng)趨于一致。

從圖5可看出，自然循環(huán)穩(wěn)定后，流量及堆芯出口溫度的變化基本同步，但在自然循環(huán)建立之初有較大區(qū)別，這是因為蓄壓水池同時作為主回路的穩(wěn)壓器，不同水位對應(yīng)不同壓力，進(jìn)而流體有不同的飽和溫度。在水位18 m和13 m的工況下，主回路流體部分汽化，堆芯出口溫度雖在流體汽化吸熱的作用下不再上升，但流量、壓差發(fā)生較大波動[7]。

4 計算分析

4.1 模型建立

本文應(yīng)用RELAP5/MOD3.2系統(tǒng)計算程序建立了非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置的計算模型。整個計算模型共包括256個控制體、259個連接件及247個熱構(gòu)件，節(jié)點圖如圖6所示。

圖6 非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置RELAP節(jié)點圖

反應(yīng)堆容器模擬體模型由堆芯模擬容器和環(huán)腔模擬容器組成。堆芯由一包括10個控制體的pipe部件(編號185)模擬，其中8個控制體含有電加熱元件模擬試驗裝置的衰變熱。壓力安全系統(tǒng)和專設(shè)安全設(shè)施由蓄壓水池、波動管、安注管路、余熱排出上升管組成，其中蓄壓水池由一包括50個控制體的pipe部件(編號110)模擬，每個控制體的高度為0.5 m，頂部是空氣并與大氣連通。

主回路由兩條并聯(lián)運(yùn)行的閉合環(huán)路組成，分別包括主管道(包括2套主換熱器及2套主泵)、旁通管路、換熱器冷卻管路。

4.2 結(jié)果分析

通過建立RELAP模型，對應(yīng)急余熱排出瞬態(tài)工況進(jìn)行了模擬，對比了蓄壓水池初始水位為23 m和18 m工況的計算結(jié)果，分析了蓄壓水池初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立和余熱導(dǎo)出的影響，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。瞬態(tài)試驗初始條件列于表2。

表2 計算工況

計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的比較示于圖7。在水位較高(CASE 1)時，堆芯進(jìn)出口溫度、余熱排出上升管流量計算值與試驗值吻合較好。對于水位較低的工況(CASE 2)，堆芯進(jìn)出口溫度、安注管流量、波動管流量計算值與試驗值吻合較好，但余熱排出上升管流量計算值與試驗值在事故初期有較大差異，計算結(jié)果和試驗結(jié)果均出現(xiàn)了較大的流量峰值，且試驗結(jié)果比計算結(jié)果的峰值流量更大，基本穩(wěn)定后計算結(jié)果與試驗結(jié)果趨于一致。

圖7 余熱排出上升管流量和堆芯出口溫度

出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，蓄壓水池水位較低(18 m)時，對應(yīng)系統(tǒng)壓力也較低(蓄壓水池充當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)壓器作用)，事故過程中堆芯出口溫度升高到接近或達(dá)到飽和溫度，在余熱排出上升管內(nèi)，隨著位置升高，壓力進(jìn)一步降低，會引起更多流體汽化，試驗中由于兩相流的存在，導(dǎo)致余熱排出上升管內(nèi)流量測量存在較大不確定性。對于CASE 1，雖然事故過程的堆芯出口溫度峰值與CASE 2的基本相同，但由于蓄壓水池水位較高，系統(tǒng)壓力較高，堆芯出口溫度及余熱排出上升管內(nèi)的流體未達(dá)到飽和溫度，未產(chǎn)生汽化現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過對海水淡化堆非能動余熱排出特性模擬試驗及程序計算分析，可得到以下結(jié)論。

1) 余熱排出上升管阻力系數(shù)、蓄壓水池初始水位、初始堆芯出口溫度對海水淡化堆的余熱排出特性均有影響。余熱排出上升管阻力系數(shù)越小，自然循環(huán)流量越大，堆芯出口溫度峰值越低；初始堆芯出口溫度越高，事故初期自然循環(huán)流量越大，堆芯出口溫度上升到最高值后下降更快。正常的蓄壓水池水位可保證非能動余熱排出系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動，過低的蓄壓水池水位將導(dǎo)致堆芯出口冷卻劑汽化，非能動余熱排出系統(tǒng)在啟動過程中可能出現(xiàn)流量和壓差的劇烈波動。

2) 利用RELAP5/MOD3.2程序建立了模型節(jié)點，計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好，能較好地模擬海水淡化堆非能動安全系統(tǒng)的非能動余熱導(dǎo)出過程，通過對模型適應(yīng)性調(diào)整后可用于對原型系統(tǒng)的分析研究。

參考文獻(xiàn)：

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