反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案的可行性驗(yàn)證

陳 磊，閻昌琪，王建軍

(哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

與常規(guī)動力系統(tǒng)相比，核動力系統(tǒng)體積龐大，相對笨重。在一些特殊條件下，如船舶或航天核動力系統(tǒng)，往往希望其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。為此，研究人員將最優(yōu)化理論引入核動力系統(tǒng)設(shè)計中，以期減小其重量及體積。賀士晶等[1]采用復(fù)合形-遺傳算法，通過調(diào)整冷卻劑壓力、堆芯進(jìn)口溫度、堆芯出口溫度、穩(wěn)壓器內(nèi)徑，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓器容積40.9%的優(yōu)化；秦慧敏等[2]針對某型蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了重量優(yōu)化設(shè)計，所得到的優(yōu)化方案與母型相比，重量降低了17.16%。在耦合設(shè)備優(yōu)化中，鄭靜等[3]開展了汽輪機(jī)組優(yōu)化設(shè)計研究；陳磊等[4]進(jìn)行了蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的耦合優(yōu)化。在系統(tǒng)級的優(yōu)化設(shè)計中，秦慧敏等[5-6]針對某型核動力裝置，分別開展了重量、容積優(yōu)化設(shè)計。

核動力系統(tǒng)尺寸優(yōu)化已取得較大成就，然而，目前所進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計工作均基于“設(shè)備處于穩(wěn)態(tài)滿功率運(yùn)行工況”這一假設(shè)。在設(shè)計基準(zhǔn)事故發(fā)生時，優(yōu)化設(shè)計方案是否能確保堆芯安全，仍有待考證?；诖耍疚牟捎幂p水堆最佳估算程序RELAP5/MOD3.2，開展經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的某型反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)在部分基準(zhǔn)事故下的運(yùn)行特性研究，并將安全設(shè)計準(zhǔn)則參數(shù)與母型對比分析，評估優(yōu)化方案的安全性能。

1 優(yōu)化方案及其運(yùn)行規(guī)程

基于已開發(fā)的優(yōu)化程序，得到優(yōu)化方案下各設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并使用RELAP5/MOD3.2程序建模。同時，依據(jù)母型相關(guān)參數(shù)，為優(yōu)化方案制定運(yùn)行規(guī)程(如噴淋信號、電加熱信號、安注信號等)，為事故分析做好準(zhǔn)備。

1.1 優(yōu)化方案[5]

秦慧敏等建立了反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，其中包括壓力容器、主管道、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器，并采用改進(jìn)復(fù)合形算法，以一回路冷卻劑壓力p1、一回路冷卻劑流量M、反應(yīng)堆出口溫度欠熱度Δtsub為優(yōu)化變量，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)重量3.77%的優(yōu)化。優(yōu)化方案與母型方案列于表1。其中，W為一回路系統(tǒng)凈重。

表1 一回路母型及優(yōu)化方案

1.2 優(yōu)化方案運(yùn)行規(guī)程

優(yōu)化方案運(yùn)行規(guī)程主要依據(jù)式(1)制定。當(dāng)所監(jiān)測的信號達(dá)到觸發(fā)值時，將引起相關(guān)設(shè)備動作。具體運(yùn)行方案列于表2。其中：h為蒸汽發(fā)生器水位；p2為蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力。

表2 母型及優(yōu)化方案運(yùn)行規(guī)程

(1)

2 一回路系統(tǒng)建模

RELAP5程序是美國愛達(dá)荷國家工程實(shí)驗(yàn)室(INEL)研制的輕水堆系統(tǒng)瞬態(tài)熱工水力分析程序，基于瞬態(tài)一維、兩相流體、六方程水力學(xué)和一維熱傳導(dǎo)及點(diǎn)堆中子動力學(xué)模型，可用于輕水堆冷卻劑系統(tǒng)破口事故、未能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)、蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂等事故和瞬態(tài)熱工水力行為，是現(xiàn)有的物理模型較完善且國際公認(rèn)應(yīng)用最為廣泛的大型瞬態(tài)系統(tǒng)分析程序之一[8]。

應(yīng)用RELAP5程序，模擬一回路冷卻劑系統(tǒng)兩條環(huán)路，每條環(huán)路包括熱段、蒸汽發(fā)生器、冷段、主泵及安注系統(tǒng)。其中，1條環(huán)路設(shè)置有穩(wěn)壓器，并模擬噴淋裝置、電加熱元件、卸壓閥、安全閥。在二次側(cè)，采用時間控制體和時間控制接管模擬主給水和輔助給水，并設(shè)置蒸汽發(fā)生器釋放閥和安全閥。同時，在模擬過程中，加入蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)。圖1示出了詳細(xì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)劃分。

依據(jù)母型及優(yōu)化的方案結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別建立一回路系統(tǒng)，并運(yùn)行達(dá)到滿功率穩(wěn)態(tài)工況。表3對比了母型及優(yōu)化方案各主要參數(shù)與RELAP5程序的仿真結(jié)果。表3中，P代表母型值；P-R代表母型RELAP5程序計算值；O代表優(yōu)化方案值；O-R代表優(yōu)化方案RELAP5程序計算值。

圖1 一回路系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖

表3 母型和優(yōu)化方案主要參數(shù)與RELAP5程序仿真結(jié)果對比

3 事故分析

采用所建立的RELAP5模型及相應(yīng)運(yùn)行方案，研究優(yōu)化方案在完全失去廠外電、主給水喪失和小破口失水事故下的運(yùn)行特性，并將安全準(zhǔn)則參數(shù)與母型對比，以評估優(yōu)化方案的安全性能。在本文研究中，對事故模擬進(jìn)行如下保守性假設(shè)：

1) 停堆信號發(fā)出2 s后，堆芯停堆；

2) 停堆12 s后，柴油發(fā)電機(jī)啟動，帶動1臺電動輔助給水泵；

3) 事故發(fā)生后，二回路蒸汽旁路排放閥閉鎖，蒸汽發(fā)生器內(nèi)的蒸汽只能通過蒸汽釋放閥和安全閥向空排放。

3.1 完全失去廠外電事故

在100%滿負(fù)荷功率水平穩(wěn)定運(yùn)行條件下，10 s時外電網(wǎng)發(fā)生故障，主泵失去電源，開始惰轉(zhuǎn)，主蒸汽隔離閥關(guān)閉，反應(yīng)堆停堆。依靠冷卻劑自然循環(huán)，堆芯余熱得以排出。在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，釋放閥的間歇性開啟及輔助給水的投入，為一回路系統(tǒng)提供熱阱。圖2示出了母型及優(yōu)化方案各主要參數(shù)在事故發(fā)生后9 000 s內(nèi)的變化趨勢。

完全失去廠外電后，冷凝器循環(huán)水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，主蒸汽只能通過蒸汽釋放閥和安全閥向空排放。事故初期，由于主給水喪失，蒸汽發(fā)生器下降段過冷度變小，上升段沸騰傳熱區(qū)域變大，蒸汽產(chǎn)量增加，使得蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力迅速增大(圖2a)，并沖開釋放閥和安全閥；同時，由于事故前期大量蒸汽產(chǎn)生，帶走一回路大量熱量，致使冷卻劑溫度急劇下降(圖2b)，一回路壓力隨之降低(圖2c)。隨后，蒸汽釋放閥回座，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力再次升高，使得冷卻劑溫度和一回路壓力隨之升高。但當(dāng)二次側(cè)壓力達(dá)到釋放閥開啟整定值時，一回路溫度和壓力將再次降低。此波動過程將持續(xù)一段時間，在事故后期，待蒸汽發(fā)生器液位達(dá)到一定高度(圖2d)時，操作員可手動開啟釋放閥，促使蒸汽發(fā)生器二次側(cè)卸壓，一回路壓力和溫度隨之降低。

在完全失去廠外電事故模擬中，無論是母型方案還是優(yōu)化方案，其燃料芯塊最高溫度、包殼表面最高溫度及堆芯最小燒毀比均在安全范圍內(nèi)(表4)。因此，優(yōu)化方案可抵御完全失去廠外電這一設(shè)計基準(zhǔn)事故。

圖2 各主要參數(shù)在完全失去廠外電事故下隨時間的變化

表4 完全失去廠外電事故下安全參數(shù)極值

3.2 主給水喪失事故

在100%滿負(fù)荷功率水平穩(wěn)定運(yùn)行條件下，10 s時發(fā)生兩個環(huán)路蒸汽發(fā)生器主給水喪失事故，此時，蒸汽/給水流量失配。在蒸汽發(fā)生器低水位信號觸發(fā)下，反應(yīng)堆停堆，隨后，主蒸汽隔離閥關(guān)閉。在本事故中，反應(yīng)堆停堆后，主泵電源切除，堆芯依靠自然循環(huán)排出余熱。在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，釋放閥間歇性開啟及輔助給水的投入，為一回路系統(tǒng)提供熱阱。表5列出了母型及優(yōu)化方案在主給水喪失事故下的事故序列。由表5可知，母型方案和優(yōu)化方案事故進(jìn)程基本一致。

表5 主給水喪失事故序列

圖3示出了主給水喪失事故下，母型方案及優(yōu)化方案一回路壓力及冷卻劑平均溫度的變化。在事故后期，待蒸汽發(fā)生器液位恢復(fù)時，操作員可手動開啟蒸汽發(fā)生器釋放閥，使二回路卸壓，從而達(dá)到一回路降壓降溫的目的。

在主給水喪失事故模擬中，無論是母型方案還是優(yōu)化方案，其燃料芯塊最高溫度、包殼外表面最高溫度及堆芯最小燒毀比均在安全范圍內(nèi)(表6)。因此，優(yōu)化方案可抵御主給水喪失這一設(shè)計基準(zhǔn)事故。

圖3 各主要參數(shù)在主給水喪失事故下隨時間的變化

表6 主給水喪失事故下安全參數(shù)極值

3.3 小破口失水事故

在100%滿負(fù)荷功率水平穩(wěn)定運(yùn)行條件下，10 s時1個環(huán)路冷段發(fā)生破口，破口面積為78.5 cm2(母型主管道面積的2%)。在穩(wěn)壓器壓力低信號下，控制棒下落，反應(yīng)堆停堆。表7列出了母型及優(yōu)化方案事故序列。

小破口發(fā)生后，一回路壓力迅速下降，并引起反應(yīng)堆停堆(圖4a中1區(qū))。隨著壓力到達(dá)冷卻劑溫度所對應(yīng)的飽和壓力，冷卻劑開始閃蒸，由于冷卻劑產(chǎn)生汽化，壓力降低的速度變慢(圖4a中2區(qū))。隨著冷卻劑不斷從破口流出，最終觸發(fā)中壓、低壓安注系統(tǒng)的投入，使得反應(yīng)堆被完全淹沒(圖4a中3區(qū))。

表7 小破口失水事故序列

由圖4可看出，優(yōu)化方案和母型方案在事故進(jìn)程上存在較大區(qū)別。其主要表現(xiàn)為：在事故發(fā)生500 s后，優(yōu)化方案的一回路壓力出現(xiàn)了上升，延緩了中、低壓安注的投入；而母型中的一回路壓力，一直下降，能保證中、低壓安注快速投入，反應(yīng)堆及時得到淹沒。引起這種區(qū)別的主要原因是：優(yōu)化方案蒸汽發(fā)生器二次側(cè)蓄水量較母型方案的少。

由圖4b可知，在事故前500 s內(nèi)，母型蒸汽發(fā)生器液位明顯高于優(yōu)化模型。因此，母型方案冷卻劑溫度下降速率較優(yōu)化方案快(圖4c)；一回路能實(shí)現(xiàn)快速降溫(圖4c)、降壓(圖4a)。當(dāng)壓力降至一定值時，中壓安注大量投入(圖4d)，使堆芯溫度大幅下降(圖4c)。在優(yōu)化方案中，中壓安注開始大量投入后，也能使堆芯溫度有效降低(圖4c)；但由于蓄壓水箱大量投入前，堆芯壓力溫度較高；待蓄壓流量投入一段時間后，蓄壓箱內(nèi)壓力不再高于堆芯，使蓄壓流量中止(圖4d)。由于此時，高壓安注尚不能帶走堆芯余熱，因此，一回路壓力上升。隨高壓安注的不斷投入，以及破口處不斷噴放，一回路壓力在升高至一定值后，開始下降，并使中壓安注恢復(fù)，最終觸發(fā)低壓安注，堆芯迅速被淹沒。

圖4 各主要參數(shù)在小破口失水事故下隨時間的變化

圖5示出了壓力容器內(nèi)液位隨時間的變化。由圖5可知，在本文所研究的小破口失水事故中，壓力容器內(nèi)的冷卻劑足以包容堆芯。值得注意的是，在液位的計算過程中，認(rèn)為壓力容器內(nèi)汽、液完全分層，且冷卻劑位于容器底層。在小破口失水事故模擬中，無論是母型方案還是優(yōu)化方案，其燃料芯塊最高溫度、包殼表面最高溫度堆芯最小燒毀均滿足安全要求(表8)。因此，優(yōu)化方案可抵御主給水喪失這一設(shè)計基準(zhǔn)事故。

4 結(jié)論及展望

采用輕水堆最佳估算程序研究了某型壓水堆優(yōu)化設(shè)計方案在部分基準(zhǔn)事故下的響應(yīng)特性，研究結(jié)果表明：

圖5 壓力容器液位在小破口失水事故下隨時間的變化

表8 小破口失水事故下安全參數(shù)極值

1) 針對所研究的完全失去廠外電、失去主給水和小破口失水事故，本文為優(yōu)化方案所制定的運(yùn)行方案可行；

2) 文獻(xiàn)[5]所提出的反應(yīng)堆一回路重量優(yōu)化設(shè)計方案能抵御本文所研究的設(shè)計基準(zhǔn)事故。

在優(yōu)化方案可行性驗(yàn)證的下一步工作中，將開展更多類型的設(shè)計基準(zhǔn)事故研究及進(jìn)行超基準(zhǔn)事故研究。

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