壓力容器外部冷卻兩相自然循環(huán)特性理論分析

扈然

【摘 要】通常情況下，環(huán)形通道被設(shè)置在壓水堆壓力容器內(nèi)，而引起嚴(yán)重安全事故的就是在環(huán)形通道內(nèi)的氣流循環(huán)問(wèn)題，氣流主要來(lái)自于絕熱層內(nèi)側(cè)與下封頭外側(cè)之間，被稱(chēng)為兩項(xiàng)自然循環(huán)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)研究出了運(yùn)用FORTRAN語(yǔ)言來(lái)分析自然循環(huán)情況的應(yīng)用程序，結(jié)合一系列的科學(xué)計(jì)算公式，對(duì)空泡份額以及流量進(jìn)行計(jì)算，以此來(lái)證實(shí)該程序的實(shí)踐操作性，該程序被定義為ERVC系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，ERVC系統(tǒng)能夠有效地對(duì)熱工水力及其結(jié)構(gòu)展開(kāi)分析。

【關(guān)鍵詞】壓力容器 外部冷卻 兩相自然循環(huán) 理論分析

當(dāng)壓力容器在外力的作用下，而發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，堆芯就會(huì)出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，如果想要將熔融物保留在容器內(nèi)，外部冷卻是其中最為有效的方式。容器的外部冷卻就是前文中提到的ERVC，而熔融物滯留則被稱(chēng)為IVR，IVR是通過(guò)沸騰換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在整體IVR過(guò)程中，兩相自然循環(huán)的順暢性是其中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

1 ERVC理論模型工作機(jī)理

了解ERVC系統(tǒng)工作機(jī)理保證該系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提，如果水面超過(guò)堆腔深度，內(nèi)容池中釋放出的熱量就能夠使絕熱層間隙中的水發(fā)生沸騰，水蒸氣就會(huì)沿絕熱層間隙上升，而從出口排出后，通過(guò)冷卻液化成水流，重新回到料水箱。同時(shí)，受熱流體在經(jīng)過(guò)排水坑之后，最終回到堆腔內(nèi)，形成了自然循環(huán)冷卻[1]。

2一維穩(wěn)態(tài)模型

ERVC系統(tǒng)只能在低壓環(huán)境下進(jìn)行工作，工作壓力要保持在0.1到0.4MPa之間。容器內(nèi)的水蒸氣所受的重力和離心力在兩相流動(dòng)時(shí)是同向的，基于本文的研究目的，通過(guò)公式計(jì)算ERVC系統(tǒng)中的兩相流量。

Pinuinain=Pcucac=Poutuoutaout=G （1）

Pcucac（hTP-hI）=qc （2）

由質(zhì)量含汽率的定義，可知

Xc=qc -hsubPcucac/hlgPcucac （3）

由動(dòng)量守恒，可知

-dP/dz=PTPg+（-dP/dz）fr+（-dP/dz）fo+（-dP/dz）a （4）

（-dP/dz）fr代表的是摩擦壓降梯度，（-dP/dz）fo代表的是形阻壓降梯度，（-dP/dz）a 代表的是加速度壓降梯度[2]。

針對(duì)絕熱層流道積分的公式可以表示為

（-dP/dz）dz=PTPgdz+（-dP/dz）frdz+（-dP/dz）fodz+

（-dP/dz）adz=0 （5）

混合物質(zhì)的密度不會(huì)隨著兩相的位置而發(fā)生改變，從公式（4）可知流體的線(xiàn)速度也在質(zhì)量守恒的影響下保持不變，PTPgdz對(duì)加熱，上升以及絕熱層外側(cè)三段進(jìn)行積分，可以得到

PTPgdz=oLhTPgdz+LhLPoutgdz+L+Lhigdz=-oL+Lh（i-Pout-TP）gdz=（L+Lh）g（1.5Pout-0.5Pin） （6）

Pout=TP=Pis/（1+xcP/Pgs） （7）

在公式（7）中，Pis代表飽和水的密度，而Pgs代表飽和汽的密度，P表示二者的密度差[3]。

由公式（3）和（7），可知

Pc=ucacPisPgshlg/ucac（Pgshlg-Phsub） （8）

由公式（3）和（8），可知

Xc=qcPgs-ucacPisPgshsub/ucacPisPgshlg-qcP （9）

由公式（6）和（9），可知

PTPgdz=（L+Lh）g[1.5（uoutaoutPisPgshlg-qcP）/uoutaout（Pgshlg-Phsub）-0.5Pin] （10）

3 ERVC系統(tǒng)穩(wěn)定性理論分析

通常情況下，ERVC系統(tǒng)的穩(wěn)定性受冷卻水狀態(tài)的影響較大，如果壓力容器流道內(nèi)冷卻水沸騰，就會(huì)直接引起ERVC系統(tǒng)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓力容器內(nèi)部冷卻水在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生震蕩，從冷卻水震蕩的實(shí)質(zhì)來(lái)看，這種震蕩是由閃蒸現(xiàn)象所致。一般把流體在沒(méi)有熱源供應(yīng)時(shí)，依然出現(xiàn)空泡的現(xiàn)象稱(chēng)為閃蒸。

自然循環(huán)回路中具有冷卻水加熱的功能，而當(dāng)壓力容器處于低功率運(yùn)行時(shí)，這種加熱并不會(huì)使其達(dá)到飽和。事實(shí)上，容器內(nèi)部液體飽和狀狀態(tài)受壓力影響較為明顯。閃蒸現(xiàn)象的發(fā)生在一定程度上降低了容器內(nèi)部的壓力，進(jìn)而影響流量變化。容器內(nèi)絕熱段冷卻劑的溫度與流量變化有著直接的關(guān)系，冷卻劑溫度下降，說(shuō)明流量變大，當(dāng)閃蒸停止時(shí)，流量也會(huì)隨即變小，使冷卻劑溫度增加，于是進(jìn)入了下一個(gè)循環(huán)。閃蒸所引起的循環(huán)過(guò)程影響了容器內(nèi)部的壓力和驅(qū)動(dòng)力的差值的變化，整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)因此呈現(xiàn)出極強(qiáng)的不穩(wěn)定性。

4結(jié)語(yǔ)

本文利用ERVC系統(tǒng)建造出了一維穩(wěn)態(tài)模型，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算公式了解并驗(yàn)證了不同熱工水力和結(jié)構(gòu)參數(shù)與自然循環(huán)流量之間的關(guān)系，這樣，就能夠更好地為壓力容器外部冷卻兩相自然循環(huán)提供可靠的理論指導(dǎo)，從而降低安全事故的發(fā)生頻率，提高工作效能。

參考文獻(xiàn)：

[1]金頔.大功率先進(jìn)壓水堆壓力容器外部自然循環(huán)冷卻數(shù)值研究[D].上海交通大學(xué)，2013.

[2]李永春.壓力容器外部冷卻系統(tǒng)內(nèi)局部溫度場(chǎng)及兩相分布特性研究[D].上海交通大學(xué)，2014.

[3]李永春，李飛，程旭，楊燕華.壓力容器外部冷卻系統(tǒng)冷卻水池溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究及分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2013，08：1322-1329.