LOCA和SGTR事故下破口尺寸計算方法研究

劉 新，陳先龍，高敬東

(1.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東深圳518172；2.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，廣東深圳518116)

LOCA和SGTR事故下破口尺寸計算方法研究

劉 新1，陳先龍1，高敬東2

(1.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東深圳518172；2.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，廣東深圳518116)

事故狀態(tài)下一回路破口的大小直接影響到核電廠的安全屏障，對破口大小進(jìn)行評估是核反應(yīng)堆安全分析的重要基礎(chǔ)，也是電廠應(yīng)急響應(yīng)小組的主要任務(wù)之一。通?？紤]流入和流出一回路流體的質(zhì)量平衡，用來計算破口流率。本文在總結(jié)一回路流體質(zhì)量平衡計算方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，提出利用安注(SI)流量動態(tài)平衡進(jìn)行破口尺寸估算的方法，同時利用信息開發(fā)技術(shù)將兩種方法的計算過程程序化。最后，通過與法國SESAME系統(tǒng)的破口計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，同時驗(yàn)證了壓水堆失水事故(LOCA)和蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故(SGTR)中兩種計算方法的準(zhǔn)確性。

破口尺寸；穩(wěn)壓器水位；安注流量

放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放與裂變產(chǎn)物和環(huán)境之間的三道安全屏障(燃料包殼、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和安全殼)的狀態(tài)直接相關(guān)。如果反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)失去完整性，則產(chǎn)生破口的大小直接影響到該系統(tǒng)的冷卻劑排空速率。因而，也決定了第一道安全屏障狀態(tài)惡化的速度，并可能引起第三道安全屏障中放射性物質(zhì)的泄漏。

由于破口的大小直接影響到放射性釋放量和釋放速率，因而對其評價是電廠應(yīng)急響應(yīng)小組的主要任務(wù)之一。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者通過研究2002年從法國引進(jìn)的一套壓水堆核電廠事故源項(xiàng)釋放系統(tǒng)軟件-SESAME系統(tǒng)，總結(jié)出該系統(tǒng)中的一回路質(zhì)量平衡計算破口尺寸的方法[1]。

本文在一回路質(zhì)量平衡法計算破口的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，分析該方法的適用范圍，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出LOCA和SGTR事故下另一種破口計算方法，擴(kuò)展了破口尺寸計算方法的適用范圍，為事故狀態(tài)下對安全系統(tǒng)進(jìn)行更好的評價提供了有力的保障。

1 破口尺寸理論計算方法

當(dāng)發(fā)生LOCA和SGTR事故時，通常是根據(jù)流入和流出一回路的流體質(zhì)量平衡來計算破口的質(zhì)量流率[1]，然后根據(jù)不同事故類型估算破口尺寸。對于LOCA事故，可以通過破口質(zhì)量流率分別與冷段、熱段、飽和段質(zhì)量臨界流速系數(shù)的比值估算出破口可能發(fā)生在上述三個位置處的尺寸。對于SGTR事故，可以用破口質(zhì)量流率與福斯克相關(guān)函數(shù)[2]的比值得出破口截面積，相應(yīng)的破管數(shù)目則利用單個傳熱管的截面積來進(jìn)行估算。

上述計算方法限定于穩(wěn)壓器水位變化需要在測量范圍之內(nèi)，且計算時間區(qū)間要選擇盡可能長的時間，以減小溫度和水位測量誤差帶來的不確定性。對于幾分鐘內(nèi)失去穩(wěn)壓器水位值的情況，利用該方法計算出的破口尺寸將偏離實(shí)際值。此時，可以選取一回路壓力和高壓安注流量同時穩(wěn)定不變的任一時刻點(diǎn)進(jìn)行計算，由安注與破口的流量平衡狀態(tài)估算破口尺寸。

1.1 穩(wěn)壓器水位平衡法

根據(jù)主回路質(zhì)量平衡方程來計算破口尺寸，平衡方程如下：

Wletdown-WRCP return-Wbreak

(1)

式中：M——主回路冷卻劑總質(zhì)量；

t——計算時刻；

WSI——安注質(zhì)量流量(包括高壓安注和低壓安注)；

Wmakeup——上充質(zhì)量流量；

WRCP injection——在冷卻劑泵密封處的注入質(zhì)量流量；

Wletdown——下泄質(zhì)量流量；

WRCP return——從反應(yīng)堆冷卻劑泵密封的回收質(zhì)量流量；

Wbreak——破口質(zhì)量流量。

其中，主回路冷卻劑的總質(zhì)量為：

M=MRcp+ρLiqS·h+ρVapS·(H-h)

(2)

式中：MRcp——主回路冷管段和熱管段冷卻劑質(zhì)量之和；

ρLiq——穩(wěn)壓器中飽和液體的密度；

ρVap——穩(wěn)壓器中飽和蒸汽的密度；

S——穩(wěn)壓器的橫截面積；

H——穩(wěn)壓器的總高度；

h——穩(wěn)壓器的水位。

對于LOCA事故，根據(jù)伯內(nèi)爾提出的臨界質(zhì)量流方程來計算破口尺寸，計算方程如下：

Wbreak=S·Gcritical

(3)

(4)

(5)

式中：S——破口截面積；

Gcritical——臨界質(zhì)量流速系數(shù)；

ρ——流體的密度；

Pp——一回路壓力；

PSAT——飽和壓力；

t1，t2——選取計算破口的時間區(qū)間。

由以上公式，根據(jù)破口可能處于的位置：冷段、熱段和飽和段分別進(jìn)行計算，公式如下：

(6)

(7)

式中：D——破口直徑；

x——表示冷段、熱段或飽和段。

對于SGTR事故，根據(jù)福斯克相關(guān)函數(shù)來計算破口尺寸，計算方程如下：

(8)

(9)

(10)

式中：GFauske——福斯克相關(guān)函數(shù)；

ρ——冷段流體的密度；

Pp——一回路壓力；

Ps——二回路壓力；

n——破管根數(shù)；

Stube——單根傳熱管截面積。

1.2 安注-破口流量平衡法

安注-破口流量平衡法是借助特定狀態(tài)下，安注流量與破口流量達(dá)到動態(tài)平衡，認(rèn)為此時刻的破口流量等于安注流量，利用此方法進(jìn)行破口尺寸計算必需滿足的假設(shè)條件如下：

(1) 安注處于工作狀態(tài)或者已經(jīng)啟動。

(2) 選取的計算時刻點(diǎn)必須在安注流量有數(shù)據(jù)的情況下，且一回路壓力和高壓安注流量同時處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)下進(jìn)行計算。

破口流量計算公式如下：

Wbreak=WHHSI1+WHHSI2+WLPSI1+WLPSI2

(11)

式中：Wbreak——破口質(zhì)量流量；

WHHSI1、WHHSI2——高壓安注質(zhì)量流量；

WLPSI1、WLPSI2——低壓安注質(zhì)量流量。

破口流量計算完成后，后續(xù)的破口尺寸計算公式同穩(wěn)壓器水位平衡法，此處不再進(jìn)行贅述。

2 破口尺寸計算程序開發(fā)

為了更好的驗(yàn)證理論計算方法的正確性和可靠性，選擇在delphi7[3]的環(huán)境下編寫簡單界面的破口尺寸計算程序，如圖1所示。可以根據(jù)不同事故類型選擇合適的計算方法進(jìn)行破口尺寸計算。根據(jù)第1章的理論研究，采用不同的破口計算方法所需輸入?yún)?shù)不同，以LOCA事故為例：穩(wěn)壓器水位平衡法輸入?yún)?shù)如圖2所示，安注破口流量平衡法輸入?yún)?shù)如圖3所示。此外，還需要補(bǔ)充相應(yīng)的機(jī)組參數(shù)(見表1)。

圖1 破口尺寸計算程序主界面Fig.1 The main interface of break size calculation program

圖3 LOCA事故安注破口流量平衡法破口尺寸計算界面Fig.3 The break size calculation interface of the SI flow balance method in LOCA

計算過程中涉及水與水蒸氣物性計算，為了方便計算，利用國際通用工業(yè)用水和水蒸氣熱力性質(zhì)計算公式——IAPWSIF97公式[4]編寫了水與水蒸氣物性計算庫，供破口尺寸計算程序調(diào)用。

表1 破口尺寸計算所需機(jī)組參數(shù)
Table 1 The unit parameters required of break size calculation

序號參數(shù)名稱序號參數(shù)名稱1環(huán)路數(shù)量10RCV出口壓力2安注箱隔離壓力11RCV出口溫度3安注箱排放壓力12主泵軸封注入壓力4安注箱體積13主泵軸封注入溫度5安注箱額定壓力14穩(wěn)壓器體積6安注箱額定溫度15穩(wěn)壓器截面積7PTR水箱溫度16穩(wěn)壓器參考高度8RCV入口壓力17一回路系統(tǒng)體積9RCV入口溫度18單個傳熱管截面積

3 破口尺寸計算程序驗(yàn)證

以大亞灣核電機(jī)組為例，利用大亞灣應(yīng)急指揮中心引進(jìn)的SESAME系統(tǒng)破口計算程序?qū)ι鲜銎瓶诔叽缬嬎愠绦蜻M(jìn)行測試驗(yàn)證，LOCA事故計算結(jié)果如表2所示，SGTR事故計算結(jié)果如表3所示。

表2 LOCA事故計算結(jié)果對比Table 2 Comparison of calculated results in LOCA

注：兩種方法沒有做橫向?qū)Ρ龋憷龜?shù)據(jù)不同

表3 SGTR事故計算結(jié)果對比Table 3 Comparison of calculated results in SGTR

注：兩種方法沒有做橫向?qū)Ρ?，算例?shù)據(jù)不同

4 結(jié)論

本文在一回路質(zhì)量平衡法計算破口的基礎(chǔ)理論上進(jìn)行深入研究，并且利用信息開發(fā)技術(shù)對計算過程進(jìn)行程序化，另外，還分析了該算法的不足之處，并總結(jié)出另一種破口尺寸計算方法。兩種計算方法都利用法國SESAME系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證，測試結(jié)果符合程度非常好，尤其是安注破口流量平衡法，說明這兩種方法都可用于LOCA和SGTR事故狀態(tài)下破口尺寸的評估。

(1) 采用穩(wěn)壓器水位平衡法估算破口尺寸時需要確保該時間段內(nèi)穩(wěn)壓器水位數(shù)據(jù)有效，并且盡可能選取較長的時間以減小溫度和水位測量誤差帶來的不確定性，同時，還應(yīng)選取各參數(shù)變化盡可能小或者線性變化的時間段。此外，由于穩(wěn)壓器水位變化范圍的限制，利用該方法準(zhǔn)確評估破口尺寸的范圍也將受到限制。

(2) 采用安注破口流量平衡法估算破口尺寸時需要確保安注處于工作狀態(tài)，而且與破口流量達(dá)到動態(tài)平衡，這需要選取一回路壓力和高壓安注流量同時處于恒定不變的時刻點(diǎn)進(jìn)行計算。

[1] 馮君懿， 童節(jié)娟， 曲靜原. SESAME源項(xiàng)分析程序的應(yīng)用與研究[J]. 科技導(dǎo)報，2006，24(07)：61-64.

[2] 閻昌琪.氣液兩相流[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007：192-207.

[3] 江義華.Delphi7完美經(jīng)典[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007.

[4] Wagner， Wolfgang， Kruse， Alfred. Properties of Water and Steam： the Industrial Standard IAPWS-IF97 for the Thermodynamic Properties and Supplementary Equations for Other Properties Tables based on these equation[M]： Berlin：Springer-Verlag，1998.

The Research on the Calculation of Break Size in LOCA and SGTR

LIU Xin1，CHEN Xian-long1，GAO Jing-dong2

(1. China Nuclear Power Design Company Ltd.， Shenzhen of Guangdong Prov， 518172， China；2. Daya Bay Nuclear Power Operations and Management Co.， Ltd.， Shenzhen of Guangdong Prov， 518116， China)

Under accident state， the size of the break has direct effect on the nuclear power plant safety barrier， to evaluate the size of the break is the important base of the nuclear reactor safety analysis， but also one of the major tasks of the emergency response teams. In general a mass balance taking into account the fluid flowing into and out of the primary system can be used to calculate the flow rate at the break. This article in the summary of the primary system fluid mass balance calculation method based on in-depth research and put forward the safety injection (SI) dynamic flow balance break size estimation method， at the same time， using information technology to process the calculation process of the two methods. Finally， the results of the break size calculation were compared with the French SESAME software system， and verify the accuracy of the two break size calculation methods in the event of LOCA and SGTR in pressurized water reactors.

Break size；Pressurizer water level；SI flow rate

2016-04-21

劉 新(1986—)，女，江西人，工程師，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆熱工水力計算軟件以及應(yīng)急系統(tǒng)研發(fā)

TL364

A 文章編號：0258-0918(2017)01-0101-05