小型壓水堆一回路平均溫度不變方案下計(jì)算分析

錢項(xiàng)鋒　榮磊

摘 要：該文針對(duì)小型壓水堆的具體結(jié)構(gòu)和自然循環(huán)工況的特點(diǎn)，選用RELAP5/MOD3.3程序，對(duì)小型壓水堆在一回路平均溫度不變運(yùn)行方案下的自然循環(huán)工況特性進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明：在一回路平均溫度不變運(yùn)行方案下，環(huán)路自然循環(huán)流量隨堆芯流量的增加而增加，并且大致是堆芯功率的指數(shù)函數(shù)。當(dāng)堆芯功率一定時(shí)，環(huán)路自然循環(huán)流量同二次側(cè)特性密切相關(guān)，且隨二次側(cè)壓力的增加而增加，一回路平均溫度隨二次側(cè)壓力的增加而增加。

關(guān)鍵詞：自然循環(huán) RELAP5 計(jì)算分析

中圖分類號(hào)：TL351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0013-03

自然循環(huán)現(xiàn)象一般是流體在下部被加熱，在上部或頂部被冷卻，依靠熱段和冷段中流體密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭來推動(dòng)工質(zhì)在閉合回路中流動(dòng)。自然循環(huán)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換熱能力強(qiáng)，非能動(dòng)等特點(diǎn)，在核動(dòng)力領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，不僅可作為事故后導(dǎo)出堆芯余熱的主要手段，還可以作為核動(dòng)力裝置主要的循環(huán)方式，以減少系統(tǒng)對(duì)外界電源的依賴，提高系統(tǒng)安全性[1]。尤其對(duì)于小型壓水堆來說，由于在自然循環(huán)工況下冷卻劑泵停運(yùn)，減小了運(yùn)行噪音，提高了隱蔽性，因此對(duì)其進(jìn)行自然循環(huán)特性計(jì)算分析，具有重要意義。該文選用RELAP5/MOD3.3程序，在合理劃分控制體的基礎(chǔ)上，對(duì)小型壓水堆一回路系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。并針對(duì)小型壓水堆在一回路平均溫度不變運(yùn)行方案下的自然循環(huán)工況特性進(jìn)行了計(jì)算分析。所得結(jié)果可為小型壓水堆運(yùn)行提供參考。

1 模型概述及控制體劃分

1.1 熱工水力分析模型概述

該文選用輕水反應(yīng)堆（LWR）瞬態(tài)分析程序RELAP5作為建模工具，RELAP5是由美國(guó)愛達(dá)華國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一維非平衡兩相流熱工水力系統(tǒng)分析程序[2]，作為核動(dòng)力裝置最佳估算程序，可用來描述輕水堆發(fā)生假想瞬變過程中各系統(tǒng)設(shè)備的熱工水力特性。RELAP5主要分為五大計(jì)算模塊：水力學(xué)模型、輔助模型、反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)模型、控制系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)[2]。其中控制系統(tǒng)及中斷系統(tǒng)主要是用來模擬實(shí)際反應(yīng)堆操作控制系統(tǒng)的動(dòng)作及對(duì)各種控制信號(hào)的處理，計(jì)算的核心部分主要由前三大模型來實(shí)現(xiàn)。RELAP5程序的水力學(xué)模型要求解含有6個(gè)基本因變量（如果出現(xiàn)非冷凝部件，則為7個(gè)）的6個(gè)基本方程。其中，因變量分別為壓力、汽液相比內(nèi)能、汽相空泡份額、汽液相速度、非冷凝含氣量和硼濃度。自變量為時(shí)間、距離、非冷凝含氣量定義為非冷凝氣體質(zhì)量與總的氣相質(zhì)量的比值。反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)模型采用的是點(diǎn)堆模型，并包含了計(jì)算裂變碎片衰變功率的方程。輔助模型則包括了換熱模型，阻力模型，物性模型，熱構(gòu)件模型等模型，其中換熱和阻力模型包含了各種條件下的換熱和阻力關(guān)系式，物性模型包含了水的密度，焓值等各種物性公式，熱構(gòu)件模型則提供了計(jì)算水力控制體邊界的熱交換和管道或容器壁的熱傳導(dǎo)的關(guān)系式。

1.2 系統(tǒng)控制體劃分

系統(tǒng)控制體劃分如圖1所示。對(duì)堆芯部分：系統(tǒng)一回路冷卻劑由堆芯入口（220，420）流入，經(jīng)過下降通道（101）流入堆芯下腔室（103），然后上升流過堆芯通道（108，110，116）帶走裂變產(chǎn)熱，最后和流經(jīng)堆芯旁流通道（100，113，122，124）的冷卻劑在堆芯上腔室附近（118）匯合，經(jīng)堆芯出口（201，401）流出堆芯。電加熱式穩(wěn)壓器劃分為3個(gè)控制體積（600，601，602），蒸汽發(fā)生器劃分為下封頭（203，207，403，407），U型管束（205，405），4臺(tái)主泵也各劃為一個(gè)控制體積（214，215，414，415），連接各個(gè)部分的主管道劃分為10個(gè)控制體積（209，212，213，216，217，409，412，413，416，417）。最后將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)邊界劃為時(shí)間相關(guān)控制體積，以控制二次側(cè)壓力。

對(duì)于RELAP5控制體積的節(jié)點(diǎn)劃分一直存在爭(zhēng)議，夏庚磊等[3]曾嘗試探討了節(jié)點(diǎn)數(shù)無關(guān)性的討論。在某些情況下，可給出一定的節(jié)點(diǎn)數(shù)分析結(jié)果，但從文獻(xiàn)[4]看，RELAP5的節(jié)點(diǎn)劃分往往在保持一定的數(shù)量的情況下以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來判斷合理性。就本研究來說，當(dāng)堆芯熱通道（108，110）和下降通道（101）的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別取12和5，U型管束（205，405）的節(jié)點(diǎn)數(shù)取7，主管道（209，409）的節(jié)點(diǎn)數(shù)取2時(shí)，得到的核動(dòng)力裝置在額定自然循環(huán)工況下的各參數(shù)計(jì)算值與設(shè)計(jì)值之間誤差均小于5%（見表1），證明了此時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)劃分的合理性，因此本研究的節(jié)點(diǎn)數(shù)劃分采用上述的劃分方式。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

作為核動(dòng)力裝置的典型運(yùn)行方案之一，核動(dòng)力裝置一回路平均溫度不變運(yùn)行方案要求一回路平均溫度不變時(shí)，系統(tǒng)二次側(cè)壓力隨堆芯功率的改變而改變[5]。因此，本研究首先計(jì)算確定一回路平均溫度不變時(shí)，與不同堆芯功率相對(duì)應(yīng)的二次側(cè)壓力值。由此確定二次側(cè)邊界條件，在已合理地劃分控制體的基礎(chǔ)上，利用RELAP5程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)小型壓水堆一回路平均溫度不變運(yùn)行方案下的自然循環(huán)工況的仿真。由圖2和圖3可看出，堆芯入口溫度隨功率的增大而降低，堆芯出口溫度隨功率的增大而增大，二次側(cè)壓力隨功率的增大而減小，一回路平均溫度基本保持不變，證明了仿真的合理性。

一回路平均溫度不變運(yùn)行方案下的自然循環(huán)流量與堆芯功率的關(guān)系見圖4。如圖4所示，一回路自然循環(huán)流量隨堆芯功率的增加而增加，并且大致是堆芯功率的指數(shù)函數(shù)，與文獻(xiàn)[6]所得結(jié)論一致。

當(dāng)堆芯功率一定時(shí)，自然循環(huán)流量主要和二回路的運(yùn)行特性有關(guān)。圖5和圖6分別給出了堆芯功率一定時(shí)，一回路平均溫度與二次側(cè)壓力關(guān)系曲線和自然循環(huán)流量與二次側(cè)壓力關(guān)系曲線。由圖5和圖6所示，一回路平均溫度隨二次側(cè)壓力的增加而增加，自然循環(huán)流量隨二次側(cè)壓力的增加而增加。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)小型壓水堆來說，自然循環(huán)作為一種冷卻手段，不僅可以增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和可靠性，因?yàn)檫\(yùn)行不依賴主泵，還可以減小系統(tǒng)運(yùn)行噪音，提高了裝置的隱身性。該文首先簡(jiǎn)單介紹了RELAP5程序的熱工水力模型，并對(duì)所要研究的系統(tǒng)進(jìn)行了合理的控制體劃分。使用RELAP5程序?qū)π⌒蛪核岩换芈菲骄鶞囟炔蛔冞\(yùn)行方案下的額定自然循環(huán)工況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果同設(shè)計(jì)值之間誤差小于5%。在此基礎(chǔ)之上對(duì)小型壓水堆一回路平均溫度不變運(yùn)行方案下的自然循環(huán)工況特性進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明：在一回路平均溫度不變運(yùn)行方案下，環(huán)路自然循環(huán)流量隨堆芯流量的增加而增加，并且大致是堆芯功率的指數(shù)函數(shù)。當(dāng)堆芯功率一定時(shí)，環(huán)路自然循環(huán)流量同二次側(cè)壓力特性密切相關(guān)，且隨二次側(cè)壓力的增加而增加，一回路平均溫度隨二次側(cè)壓力的增加而增加。所得結(jié)果可以為小型壓水堆運(yùn)行提供重要支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 邢立淼，郭赟，曾和義.基于RELAP5的單通道自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2010，44（8）：958-963.

[2] The RELAP5 Code Development Team.RELAP5/MOD3 Code Manual[M].USA：Idaho National Engineering Laboratory，1995.

[3] 夏庚磊，郭赟，彭敏俊.基于RELAP5的兩管平行通道流動(dòng)不穩(wěn)定性研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2010，44（6）：694-700.

[4] 郭赟.自然循環(huán)系統(tǒng)和并聯(lián)通道及其在海洋條件下的不穩(wěn)定性研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2007.

[5] 孫中寧.核動(dòng)力設(shè)備[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

[6] 楊祖毛.閉合回路單相自然循環(huán)穩(wěn)態(tài)特性研究[J].核動(dòng)力工程，1999（20）：248-253.