地下核電站非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)運(yùn)行特性研究

李峰　盧川　劉定明　周玲嵐

【摘 要】非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)依靠上升段和下降段密度差驅(qū)動(dòng)形成的自然循環(huán)流動(dòng)排出安全殼內(nèi)熱量，此類非能動(dòng)系統(tǒng)不需要外部電源、泵等能動(dòng)設(shè)備，簡化了系統(tǒng)，依靠自然作用，不需要控制。在地下核電站中，非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)換熱器與換熱水箱之間的水位差高達(dá)180米，可形成很大自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)頭，利于自然循環(huán)流動(dòng)和換熱。利用RELAP5模擬表明，隨著換熱器進(jìn)口溫度上升，上升段出口處出現(xiàn)閃蒸，引起兩相自然循環(huán)流動(dòng)振蕩和流動(dòng)漂移現(xiàn)象，這會(huì)降低系統(tǒng)排熱能力，并對設(shè)備造成不利影響。

【關(guān)鍵詞】地下核電；兩相自然循環(huán)；流動(dòng)不穩(wěn)定；流量漂移

國產(chǎn)化第三代核電機(jī)組擬用于地下核電站建設(shè)。相比于建立在地上，將反應(yīng)堆設(shè)置在山中或地面以下具有特殊的優(yōu)勢：可提高假想嚴(yán)重事故后公眾安全和環(huán)境保護(hù)；可提高外部事件（地震等）的防護(hù)能力；可增強(qiáng)公眾對于核電廠的接受程度。國產(chǎn)化第三代核電機(jī)組設(shè)計(jì)有非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念，用于在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況和嚴(yán)重事故下將安全殼壓力和溫度降低至可接受的水平，保持安全殼的完整性，同時(shí)也用于實(shí)現(xiàn)安全殼的長期排熱。

地下核電非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)采用自然循環(huán)方式實(shí)現(xiàn)對安全殼熱量的導(dǎo)出。換熱水箱內(nèi)存水延下降管流進(jìn)換熱器，吸收安全殼內(nèi)熱量后升溫，由于下降段流體溫度低，密度大，上升管流體溫度高，密度低，形成了流經(jīng)換熱水箱-下降管-換熱器-上升管-換熱水箱的自然循環(huán)回路。換熱水箱與換熱器的高度差及密度差決定了自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)頭。一般地，高度差越大，驅(qū)動(dòng)頭越高，自然循環(huán)流量越大。地下核電中，換熱器和頂部換熱水箱高度差達(dá)到180m，可形成較大的自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)頭。

與此系統(tǒng)類似，在日本全自然沸水堆設(shè)計(jì)中，一回路采用自然循環(huán)流動(dòng)導(dǎo)熱，為提高自然循環(huán)流量，在堆芯出口增加了一個(gè)煙囪結(jié)構(gòu)。但是，研究人員通過SIRIUS[1]裝置試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)堆啟動(dòng)過程中，堆芯出口水延煙囪向上流動(dòng)，由于當(dāng)?shù)貕毫χ饾u下降，最終低于對應(yīng)的飽和壓力，引起閃蒸。閃蒸現(xiàn)象會(huì)造成流動(dòng)振蕩，影響自然循環(huán)換熱，并對設(shè)備造成沖擊。

本文針對地下核電站非能動(dòng)安全殼系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行研究，研究該系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，以及閃蒸現(xiàn)象對自然循環(huán)流動(dòng)的影響。

1 地下核電站非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念，利用內(nèi)置于安全殼內(nèi)的換熱器組與安全殼的高溫空氣對流換熱和輻射傳熱，通過換熱器管內(nèi)水的流動(dòng)，連續(xù)不斷地將安全殼內(nèi)的熱量帶到安全殼外，在安全殼外設(shè)置換熱水箱，引走從換熱器組導(dǎo)出的安全殼內(nèi)熱量，利用水的溫度差導(dǎo)致的密度差實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)安全殼熱量排出。

2 分析評價(jià)

2.1 RELAP5模型（圖1）

分析程序采用一維兩流體最佳估算分析程序RELAP5/MOD3[2]。RELAP5求解非平衡態(tài)、非均相兩流體六方程，具備相關(guān)熱工水力模型模擬換熱器一次側(cè)含不可凝氣體的水蒸汽凝結(jié)換熱、換熱器管內(nèi)熱傳導(dǎo)、換熱器二次側(cè)對流換熱、汽液間質(zhì)量和能量傳遞，能夠計(jì)算單相水、單相汽和兩相流體摩擦壓力損失和局部壓力損失。另外，Kozmenkov等人[3]利用CIRCUS試驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了RELAP5程序模擬閃蒸引起的自然循環(huán)不穩(wěn)定性現(xiàn)象的能力。

建立的RELAP5程序模型控制體長度均大于水力直徑，courant數(shù)相似，同時(shí)對于時(shí)間步進(jìn)采用了半隱式方法進(jìn)行，上述手段有助于提高數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性。

2.2 換熱水箱溫度影響分析

本文選取事故后典型的安全殼狀態(tài)作為一次側(cè)邊界條件，壓力為0.48MPa，溫度為150℃，相對濕度為1.0。

安全殼冷卻系統(tǒng)投入后，利用自然循環(huán)作用持續(xù)地將安全殼內(nèi)熱量傳遞到最終熱阱-換熱水箱，這會(huì)造成換熱水箱溫度持續(xù)上升。由于換熱器與換熱水箱高度差為180m，換熱器出口靜壓約為1.86MPa，安全殼內(nèi)溫度總是低于換熱器出口對應(yīng)的飽和溫度（約208℃），因此換熱器出口保持為單相水狀態(tài)。但是換熱器出口較高溫度的水沿上升管向上流動(dòng)時(shí)，當(dāng)?shù)仂o壓逐漸下降，最終可能達(dá)到對應(yīng)的飽和壓力。

分析結(jié)果顯示，換熱水箱溫度上升到90℃后，開始出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，造成自然循環(huán)流量和換熱功率的周期性振蕩。換熱水箱溫度上升到95℃后，閃蒸現(xiàn)象更顯著，發(fā)生流量漂移，流量及換熱功率較穩(wěn)定，但數(shù)值小于單相結(jié)果。

圖 2、圖 3、圖 4分別給出了換熱器出口溫度、自然循環(huán)流量及換熱功率隨換熱水箱溫度的變化曲線。本文中，將發(fā)生閃蒸前區(qū)域稱為單相液自然循環(huán)流動(dòng)區(qū)，發(fā)生閃蒸后自然循環(huán)流動(dòng)振蕩區(qū)稱為兩相振蕩區(qū)，發(fā)生流量漂移后稱為兩相穩(wěn)定區(qū)。

（1）單相液自然循環(huán)流動(dòng)區(qū)

換熱水箱溫度在10℃-89℃范圍內(nèi)取13個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。隨換熱水箱溫度上升，換熱器一、二次側(cè)溫度差下降，換熱功率下降（圖 5）。

（2）兩相振蕩自然循環(huán)流動(dòng)區(qū)

當(dāng)換熱水箱溫度升高到90℃時(shí)，換熱器出口溫度為104.2℃。該溫度水沿上升管向上流動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)上升管出口位置時(shí)，該溫度已達(dá)到當(dāng)?shù)貕毫?yīng)的飽和溫度，流體閃蒸，液體顯熱轉(zhuǎn)化為汽體潛熱，形成汽水兩相狀態(tài)（圖 6）。與單相水相比，兩相流動(dòng)阻力增加，抑制自然循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)這會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器出口溫度上升（圖7）。另一方面，隨著氣泡產(chǎn)生，上升管內(nèi)流體密度下降，下降管和上升管內(nèi)流體密度差形成的自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)頭也在增加。自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)頭增加幅度大于阻力增加幅度，自然循環(huán)流量又上升，并將上升管內(nèi)蒸汽完全排出。

隨后，流動(dòng)受抑制時(shí)造成的高溫水流到上升段頂部，重新出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，進(jìn)入下一個(gè)振蕩周期。流動(dòng)振蕩周期約為液體流過上升管的時(shí)間。

隨著換熱水箱溫度進(jìn)一步升高，上升段出口含汽量越大，低流速區(qū)與高流速區(qū)占比更大，振蕩周期時(shí)間也更長（圖8）。

3）兩相穩(wěn)定自然循環(huán)流動(dòng)區(qū)

當(dāng)換熱水箱溫度上升到95℃后，閃蒸產(chǎn)生氣泡量更多，自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)頭增加，但流動(dòng)阻力增加更多，造成自然循環(huán)流量下降。

自然循環(huán)流量下降后，換熱器出口溫度繼續(xù)上升，閃蒸現(xiàn)象更顯著，進(jìn)一步地抑制自然循環(huán)流動(dòng)。最終，自然循環(huán)達(dá)到較為穩(wěn)定的兩相運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，上升段頂部持續(xù)閃蒸，保持兩相狀態(tài)，流量和換熱功率均較低。流量和功率參見圖 2和圖 3兩相穩(wěn)定區(qū)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本文研究了進(jìn)口溫度對地下核電站非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著高位水箱溫度上升，該自然循環(huán)回路上升管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，造成兩相自然循環(huán)流動(dòng)發(fā)生周期性振蕩或發(fā)生流量漂移。流動(dòng)振蕩會(huì)對系統(tǒng)管路等結(jié)構(gòu)造成持續(xù)沖擊，降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，而流量漂移則會(huì)大幅降低系統(tǒng)排熱功率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]M.Furuya， F.Inada， van der Hagen， Flashing-induced density wave oscillations in a natural circulation BWR mechanism if instability and stability map[J]. Nuclear Engineering and Design， 2005， volume 235.

[2]RELAP5v3.2 code manuals[M]. 1995.

[3]Kozmenkov， etc. Validation of RELAP5 code for the modeling of flashing-induced instabilities under natural-circulation conditions using experimental data from the CIRCUS test facility[J]. Nuclear Engineering and Design， 2012， volume 243：168-175.

[4]周濤，李精精，琚忠云，黃彥平，肖澤軍.非能動(dòng)自然循環(huán)技術(shù)的發(fā)展與研究[J].核安全，2013（3）.

[5]徐錫斌，徐濟(jì)鋆，黃海濤，于平安.低壓下兩相自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究[J].核科學(xué)與工程，1996（2）.

[6]郭雪晴，孫中寧，張東洋.細(xì)長自然循環(huán)系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014，2，48（2）.

[7]武俊梅.自然循環(huán)兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則[J].西北紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，3，13（1）.

[8]楊瑞昌，王彥武，王飛，唐虹，施德強(qiáng)，魯鐘琪.自然循環(huán)過冷沸騰流動(dòng)不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究[J].核動(dòng)力工程，2005（4）.

[責(zé)任編輯：湯靜]