聚變-裂變混合堆冷管段大破口失水事故分析

喻章程，解 衡

(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084)

聚變-裂變混合堆根據(jù)聚變反應(yīng)富中子貧能量原則，而裂變反應(yīng)貧中子富能量的特點(diǎn)，利用聚變中子源驅(qū)動(dòng)裝有核裂變?nèi)剂系拇闻R界包層[1]。文獻(xiàn)[2]提出了基于聚變中子源裝置的次臨界能源堆概念，主要用于能源供應(yīng)。次臨界能源堆的目標(biāo)主要有：1) 至少3 000 MW的熱功率，能量放大因子M≥10；2) 氚增殖率TBR≥1；3) 能持續(xù)燃燒可裂變核素238U；4) 首爐可用天然鈾或壓水堆乏燃料，后期可用其乏燃料和貧化鈾組合；5) 采用簡單核燃料循環(huán)方式，卸載的乏燃料使用簡單干法后處理便可重新入堆，也可與貧化鈾混合后給新堆供料[3-4]。

聚變-裂變混合堆目前處于概念設(shè)計(jì)階段，尚無成熟的堆芯冷卻系統(tǒng)方案。本文將非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)應(yīng)用于聚變-裂變混合堆，并以冷管段雙端剪切斷裂大破口失水事故為例，分析其可行性。PXS主要包括非能動(dòng)余熱排除系統(tǒng)(PRHRs)、自動(dòng)降壓系統(tǒng)(ADS)和非能動(dòng)安全注射系統(tǒng)(安注箱ACC、堆芯補(bǔ)水箱CMT、安全殼內(nèi)儲水箱IWST)[5]。

1 混合堆概念設(shè)計(jì)及大破口失水事故概述

圖1 聚變-裂變混合堆包層示意圖及冷卻劑流動(dòng)方式

本文的研究對象是基于ITER裝置的聚變-裂變混合堆，采用文獻(xiàn)[2]提出的堆芯物理模型及其計(jì)算得出的物理數(shù)據(jù)。該混合堆整體模型結(jié)構(gòu)與ITER裝置類似，等離子體真空室為環(huán)向D形，由內(nèi)向外依次為第一壁、燃料區(qū)、產(chǎn)氚區(qū)和屏蔽層，總厚度為750 mm[2]。包層示意圖和冷卻劑流動(dòng)方式以及包層由內(nèi)向外的截面如圖1、2所示，各層的具體尺寸和材料等參數(shù)詳見文獻(xiàn)[3-4，6]。

圖2 包層由內(nèi)向外的截面

為實(shí)現(xiàn)模塊化，包層沿環(huán)向按一定角度分割，沿D字形等離子體腔分為內(nèi)外兩部分，內(nèi)外包層在環(huán)向方向上分為32個(gè)不同的模塊，每個(gè)模塊造成1個(gè)整體，以方便制造和裝配。概念設(shè)計(jì)堆中燃料采用U-10Zr合金，均勻布置。冷卻劑采用高溫高壓水，冷卻管道嵌入燃料區(qū)。

聚變-裂變混合堆的冷管段雙端斷裂大破口事故同樣會經(jīng)歷傳統(tǒng)壓水堆的4個(gè)階段：噴放、再灌水、再淹沒和長期冷卻階段[7]。大破口發(fā)生后，反應(yīng)堆立即停堆。在S信號后，壓力平衡管線上的CMT閥門開啟，CMT作為高壓安注先后通過循環(huán)模式和蒸汽補(bǔ)償模式向堆芯注入冷卻水。當(dāng)一回路壓力降到ACC安注壓力點(diǎn)4.9 MPa以下時(shí)，ACC通過直接注入管線向堆芯提供一段時(shí)間大流量的冷卻水。當(dāng)壓力降至接近安全殼內(nèi)壓力時(shí)，IWST開始向堆芯內(nèi)注水，堆芯進(jìn)入長期冷卻階段。

2 冷管段大破口失水事故RELAP5模型

2.1 模型建立

本文對聚變-裂變混合堆堆芯、一回路系統(tǒng)、部分二回路系統(tǒng)以及PXS進(jìn)行了RELAP5建模。聚變-裂變混合堆冷卻系統(tǒng)采用兩熱腿四冷腿結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)模型主要包括堆芯、2臺蒸汽發(fā)生器、4臺主泵、2個(gè)ACC、2個(gè)CMT、1個(gè)IWST、4級ADS、非能動(dòng)余熱排出換熱器和1臺穩(wěn)壓器。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖示于圖3[8]。

模擬的破口位于接有CMT的1條冷卻環(huán)路中冷腿與堆芯下降段的連接處。圖4為大破口的RELAP5模型。部件sgnlvol 380模擬與主泵相連的冷腿，部件branch 89模擬堆芯下降段的集管，部件pipe 930模擬安全殼大空間。正常工況未發(fā)生大破口時(shí)，觸發(fā)閥381是打開的，一回路中的冷卻劑經(jīng)主泵流經(jīng)冷管段再流經(jīng)下降段。當(dāng)發(fā)生大破口事故時(shí)，觸發(fā)閥381關(guān)閉，而馬達(dá)閥382和383打開，由于一回路與安全殼大氣的巨大壓差，下降段和冷管段中的冷卻劑瞬間向安全殼930中噴放，系統(tǒng)進(jìn)入冷管段雙端斷裂大破口瞬態(tài)。

圖3 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖

圖4 冷管段雙端斷裂大破口事故節(jié)點(diǎn)圖

2.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

在進(jìn)行大破口瞬態(tài)計(jì)算前，先利用RELAP5模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，達(dá)到一穩(wěn)定狀態(tài)，并將此時(shí)的狀態(tài)參數(shù)作為瞬態(tài)計(jì)算的初始條件。本文中穩(wěn)態(tài)計(jì)算進(jìn)行了充分長的時(shí)間，之后在再啟動(dòng)文件中加入大破口模型，進(jìn)行大破口瞬態(tài)計(jì)算。穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到的系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)計(jì)值的比較列于表1，可見，穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到的參數(shù)非常接近設(shè)計(jì)值，表明該穩(wěn)態(tài)值可作為瞬態(tài)計(jì)算的初始值。

3 大破口瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)本文的瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果，IWST在事故后約137 s時(shí)開始安注，提供長時(shí)間大量的冷卻水，意味著反應(yīng)堆進(jìn)入長期冷卻階段，所以下文著重分析事故后150 s內(nèi)的瞬態(tài)特性。在IWST注水前，反應(yīng)堆經(jīng)歷了噴放、再灌水和再淹沒階段，燃料元件經(jīng)歷突然升溫和被冷卻的過程，之后堆芯狀態(tài)趨于平穩(wěn)，一回路系統(tǒng)通過非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)以及IWST帶走熱量，堆芯不會再發(fā)生燃料溫度過高的現(xiàn)象。

表1 RELAP5計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)參數(shù)

表2列出本文RELAP5模擬計(jì)算得到的冷管段雙端斷裂大破口事故關(guān)鍵事件時(shí)間點(diǎn)。

在t=0 s時(shí)，大破口發(fā)生，一回路中的冷卻劑通過破口迅速噴出，此時(shí)是欠熱泄壓，一回路壓力在極短的時(shí)間內(nèi)降到流體的最高局部飽和壓力，如圖5所示。由于欠熱泄壓，破口處的流速很快達(dá)到臨界，一回路的壓力降到局部飽和壓力以下，冷卻劑開始沸騰，這時(shí)進(jìn)入飽和泄壓階段。在欠熱泄壓階段，從破口流出的冷卻劑為單相流，當(dāng)進(jìn)入到飽和泄壓階段，堆芯內(nèi)的冷卻劑開始汽化，流出冷卻劑從單相流變成兩相流，從而堆芯內(nèi)的傳熱情況發(fā)生惡化，同時(shí)，由于堆芯內(nèi)的冷卻劑壓力和流量的減小，使得冷卻劑對燃料區(qū)的冷卻能力進(jìn)一步降低，燃料溫度發(fā)生突升。

表2 聚變-裂變混合堆中大破口事故時(shí)間序列

圖5 一回路系統(tǒng)穩(wěn)壓器的壓力

圖6為破口處冷卻劑質(zhì)量流量和空泡份額?？梢?，大破口瞬態(tài)發(fā)生后，堆芯內(nèi)的冷卻劑處于過冷狀態(tài)，破口處于過冷噴放，從破口流出的冷卻劑處于單相流狀態(tài)，流量非常大，一回路系統(tǒng)迅速降壓。隨后，破口處的流量由單相流轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嗔?，破口處的空泡份額增加，直到最后流出的冷卻劑全為汽相，冷卻劑流量也相應(yīng)減小。當(dāng)系統(tǒng)壓力降到與安全殼壓力接近時(shí)，兩處破口流量由于內(nèi)外壓差的減小而變得很小，噴放階段結(jié)束。從圖6還可看到，在噴放過程中，靠近壓力容器的破口流量要比靠近主泵的破口流量大很多，這是由于堆芯中的冷卻劑裝量比主泵附近管道中的要大。

大破口瞬態(tài)發(fā)生后，堆芯冷卻劑出現(xiàn)倒流和滯止期間，反應(yīng)堆先后經(jīng)歷噴放、再灌水和再淹沒階段，由于堆芯中冷卻劑的喪失和堆芯的裸露，燃料排熱狀況惡化，大量熱量無法及時(shí)導(dǎo)出，從而使該部分熱量在燃料內(nèi)部重新分布，燃料溫度會急劇升高[9-10]。圖7示出大破口瞬態(tài)中內(nèi)外包層熱通道燃料的最高溫度變化。從圖中可見，在瞬態(tài)后約11 s，由于堆芯內(nèi)外包層出現(xiàn)倒流，燃料的第1次峰值溫度出現(xiàn)，約為938.2 K。瞬態(tài)后50 s左右，由于堆芯流量倒流和堆芯裸露，燃料的第2次峰值溫度出現(xiàn)，約為608.7 K。燃料的第1、2次峰值溫度均發(fā)生在外包層中。之后，注入堆芯的冷卻水逐漸再淹沒堆芯，對堆芯的冷卻能力大幅增強(qiáng)，堆芯驟冷，燃料溫度也快速下降，并趨于穩(wěn)態(tài)，不再出現(xiàn)堆芯燃料超溫。

圖6 破口處冷卻劑質(zhì)量流量和空泡份額

圖8為大破口瞬態(tài)中ACC和CMT的安注流量。破口發(fā)生后，穩(wěn)壓器低壓力(11.72 MPa)信號觸發(fā)安全注射S信號，安全系統(tǒng)開啟投入運(yùn)行。在本文所建立的RELAP5模型中，考慮到相關(guān)信號的延遲，S信號產(chǎn)生后延遲20 s，CMT隔離閥打開。在初期，CMT以循環(huán)模式注入冷卻水，一回路冷管段中的熱水進(jìn)入CMT并驅(qū)動(dòng)其中的冷水通過直接注入管線注入堆芯。在CMT安注的后期，以蒸汽補(bǔ)償模式進(jìn)行安注，一回路冷管段中的蒸汽進(jìn)入CMT并驅(qū)動(dòng)其中的冷水安注，CMT中的水裝量逐漸減少。ACC的安注起點(diǎn)是一回路的壓力降到4.93 MPa，在t=6.2 s，一回路的壓力降到S信號的觸發(fā)壓力11.72 MPa，之后延遲20 s才打開CMT隔離閥。但大破口事故中一回路泄壓很快，在t=16 s，CMT隔離閥未打開時(shí)，系統(tǒng)壓力已降到4.93 MPa，這時(shí)ACC開始安注，同時(shí)部分冷卻水通過破口流失。在ACC的冷卻水進(jìn)入堆芯下部直到再淹沒，堆芯基本裸露，僅依靠熱輻射和很小的自然對流導(dǎo)出堆芯部分熱量。ACC和CMT共有1根直接注入管線，在ACC排空前，ACC安注時(shí)建立的內(nèi)壓會阻止CMT的安注，使得CMT的安注流量很小。從圖8還可看出，CMT1的安注流量較CMT2(處于大破口所在的環(huán)路)的安注流量大得多，這是由于CMT的安注靠冷管段中的冷卻劑來驅(qū)動(dòng)，而CMT2位于大破口所在的環(huán)路，該環(huán)路中的冷卻劑喪失速率比其他環(huán)路更快，冷卻劑流量更少，導(dǎo)致CMT2的驅(qū)動(dòng)力小于CMT1，所以其安注流量要小很多。而ACC是靠氮?dú)鈨?nèi)壓來驅(qū)動(dòng)的，與大破口的位置無關(guān)，所以兩個(gè)ACC的安注流量幾乎無差別。

圖7 內(nèi)包層和外包層燃料的最高溫度

圖8 CMT和ACC安注流量

由于ACC和CMT的冷卻水先后注入堆芯，一回路中的冷卻劑裝量得到補(bǔ)充。在堆芯壓力降到與安全殼壓力接近時(shí)，IWST隔離閥打開，開始注入冷卻水，堆芯的坍塌液位逐漸升高，如圖9所示。冷卻水逐漸淹沒堆芯，使得堆芯能得到充分的冷卻，燃料溫度也從第2次峰值溫度開始下降，并逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，不會再出現(xiàn)燃料超溫，大破口瞬態(tài)結(jié)束。

圖9 堆芯坍塌液位

4 結(jié)論

本文將PXS應(yīng)用于聚變-裂變混合堆，并以冷管段雙端剪切斷裂大破口失水事故為例，分析了其可行性。計(jì)算結(jié)果表明，大破口發(fā)生后，燃料溫度會突升，先后出現(xiàn)兩次燃料溫度峰值，且均發(fā)生在外包層中，在瞬態(tài)后約11 s，第1次峰值溫度為938.2 K，瞬態(tài)后50 s左右，第2次峰值溫度為608.7 K。兩次燃料溫度峰值均低于燃料U-10Zr的熔點(diǎn)，在可接受范圍內(nèi)。隨著瞬態(tài)過程的深入，安注系統(tǒng)投入運(yùn)行，內(nèi)外包層的坍塌液位開始回升，最終重新淹沒堆芯?？梢姡琍XS在冷管段雙端剪切斷裂大破口失水事故下能保證堆芯的安全，將PXS應(yīng)用于聚變-裂變混合堆是可行的。

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