非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施應(yīng)急余熱排出試驗(yàn)研究

許世杰++劉遜++聶常華++卓文彬

【摘 要】根據(jù)海水淡化堆的原型，本文建立了海水淡化堆非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗(yàn)裝置，并開展了應(yīng)急余熱排出試驗(yàn)研究，分析了蓄壓水池的初始水位對(duì)應(yīng)急余熱排出模擬試驗(yàn)自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。本文建立了海水淡化堆非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗(yàn)裝置，并開展了應(yīng)急余熱排出試驗(yàn)研究，分析了蓄壓水池的初始水位對(duì)應(yīng)急余熱排出模擬試驗(yàn)自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。

【關(guān)鍵詞】海水淡化 自然循環(huán) 應(yīng)急余熱排出

1 引言

海水淡化是解決未來人類淡水危機(jī)的一個(gè)可靠途徑。目前世界上在運(yùn)行的海水淡化裝置以燃燒化石燃料為主，為了保護(hù)環(huán)境，繼續(xù)建造燃燒化石燃料的大型海水淡化裝置是不可行的，未來的海水淡化必須使用核能或者其他可再生能源。核反應(yīng)堆能夠提供海水淡化需要的熱能和電能，同時(shí)，核能海水淡化已經(jīng)積累了超過150堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其中，日本有八座配有海水淡化工程的核反應(yīng)堆，印度、墨西哥和巴基斯坦等國都建造了核能海水淡化裝置。

隨著世界范圍內(nèi)核能海水淡化技術(shù)的發(fā)展和需求的增長，中國也開始發(fā)展自己的核能海水淡化反應(yīng)堆。某核能海水淡化廠的反應(yīng)堆系統(tǒng)由中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，該反應(yīng)堆采用池殼式布置，在低溫、常壓下運(yùn)行，具有設(shè)備簡化、系統(tǒng)簡單、運(yùn)行方便的特點(diǎn)，其專設(shè)安全設(shè)施包括應(yīng)急堆芯冷卻分系統(tǒng)、應(yīng)急余熱排出分系統(tǒng)以及應(yīng)急注硼分系統(tǒng)，具有良好的固有安全性。

海水淡化堆非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗(yàn)裝置（以下簡稱綜合模擬試驗(yàn)裝置）能夠模擬該核能海水淡化廠的非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括模擬斷電事故工況下，反應(yīng)堆功率的堆芯衰變熱下自然循環(huán)投入的過渡過程和自然循環(huán)能力，驗(yàn)證非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施的余熱導(dǎo)出能力。本文在綜合模擬試驗(yàn)裝置上，對(duì)應(yīng)急余熱排出瞬態(tài)工況進(jìn)行了模擬，對(duì)比了蓄壓水池初始水位分別在23米和18米的2個(gè)不同工況計(jì)算結(jié)果，分析了蓄壓水池的初始水位對(duì)應(yīng)急余熱排出模擬試驗(yàn)自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響，為海水淡化堆非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施初步設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)參考。

2 試驗(yàn)裝置

綜合模擬試驗(yàn)裝置采用修正的功率容積比例法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用實(shí)時(shí)模擬方法，即試驗(yàn)裝置功率容積比滿足同一個(gè)比例因子（本試驗(yàn)裝置為1/45），試驗(yàn)裝置采用與原型相同的工質(zhì)、運(yùn)行工況，試驗(yàn)裝置在高度和相對(duì)高度上保持與原型一致。

試驗(yàn)裝置主回路由兩條并聯(lián)運(yùn)行的閉合回路組成，用于模擬海水淡化堆的一回路系統(tǒng)。每條回路包括主管道、主泵、反應(yīng)堆容器模擬體（堆芯模擬容器和環(huán)腔模擬容器）、主換熱器模擬體、堆外環(huán)腔及回路外部空間模擬水箱、閥門、文丘里流量計(jì)以及管道。

非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施主要包括蓄壓水池（也充當(dāng)系統(tǒng)的穩(wěn)壓器，用于維持回路運(yùn)行壓力）、安注管、波動(dòng)管、余熱排出上升管及相應(yīng)的管路、附件等，堆芯外部空腔模擬水箱在破口事故時(shí)模擬堆外環(huán)境。綜合模擬試驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示。

3 試驗(yàn)方法

事故信號(hào)發(fā)出后，通過變頻器控制主泵轉(zhuǎn)速，使其按預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速變化曲線變化（模擬主泵惰轉(zhuǎn)流量），同時(shí)控制堆芯模擬容器內(nèi)電加熱元件功率，從15%反應(yīng)堆功率（600kW）開始，使其按預(yù)先設(shè)定的功率變化曲線變化（模擬堆芯余熱）。開啟余熱排出上升管及安注管上氣動(dòng)隔離閥，堆芯模擬容器出口一部分流體進(jìn)入應(yīng)急余熱排出上升管，形成“堆芯出口→應(yīng)急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體→波動(dòng)管→一回路冷段管道→環(huán)腔模擬容器→堆芯模擬容器”的與一回路并列的循環(huán)系統(tǒng)。

隨著主泵惰轉(zhuǎn)和慣性流量動(dòng)壓頭的減小直至消失，反應(yīng)堆下降環(huán)腔對(duì)安注管口的反向動(dòng)壓頭也消失，最終形成“蓄壓水池模擬體→安注管→環(huán)腔模擬容器→堆芯模擬容器→應(yīng)急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體”、“蓄壓水池模擬體→波動(dòng)管→一回路冷段→環(huán)腔模擬容器→堆芯模擬容器→應(yīng)急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體”和“堆芯模擬容器→一回路系統(tǒng)→堆芯模擬容器”三個(gè)并列的自然循環(huán)系統(tǒng)，將堆芯的剩余釋熱導(dǎo)入蓄壓水池。

4 結(jié)果及分析

本文在綜合模擬試驗(yàn)裝置上，對(duì)應(yīng)急余熱排出瞬態(tài)工況進(jìn)行了模擬，對(duì)比了蓄壓水池初始水位分別在23米和18米的2個(gè)不同工況計(jì)算結(jié)果，分析了蓄壓水池的初始水位對(duì)應(yīng)急余熱排出模擬試驗(yàn)自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。瞬態(tài)試驗(yàn)初始條件見表1，功率衰變曲線見圖3。

自然循環(huán)的建立是依靠驅(qū)動(dòng)壓頭克服回路上升段和下降段的壓力而產(chǎn)生的。而自然循環(huán)的流量可以由水循環(huán)基本方程式來決定[1]，即：

△pe=△pdc=△pd-△pup

如圖2，其中：△pe為有效驅(qū)動(dòng)壓頭，△pdc為下降段的壓力損失，△pd為總的驅(qū)動(dòng)壓頭，△pup為上升段的驅(qū)動(dòng)壓頭。因此，在應(yīng)急余熱排出試驗(yàn)中，堆芯出口溫度和自然循環(huán)流量是相互影響的，因?yàn)槎研境隹跍囟葲Q定了上升段中流體的溫度和密度，進(jìn)而影響上升段的壓力損失。當(dāng)堆芯出口溫度升高，自然循環(huán)流量增加，自然循環(huán)流量增加又會(huì)促使堆芯出口溫度降低。

從圖3～圖5可以看出，CASE 1和CASE 2工況在自然循環(huán)建立之初，堆芯出口溫度略有升高，隨著自然循環(huán)的建立以及自然循環(huán)流量的增加，堆芯出口溫度逐漸降低，堆芯衰變熱能夠被順利導(dǎo)出。隨著堆芯出口溫度的降低，自然循環(huán)的流量也開始下降，最終趨于穩(wěn)定。

同時(shí)還可以看出，CASE 1和CASE 2工況在自然循環(huán)建立之初系統(tǒng)的瞬態(tài)特性有較大區(qū)別，自然循環(huán)流量和堆芯出口溫度的變化趨勢(shì)都有明顯的差異，自然循環(huán)穩(wěn)定后，自然循環(huán)流量及堆芯出口溫度的變化基本同步。在自然循環(huán)建立之初，由于CASE 2中蓄壓水池水位較低，為18米，余熱排出上升管中壓力也較低，從堆芯經(jīng)自然循環(huán)排出的熱水溫度很快超過了余熱排出上升管處的飽和溫度，余熱排出上升管中出現(xiàn)了汽化現(xiàn)象，在試驗(yàn)中觀察到了余熱排出上升管中液體沸騰的“咕咕”聲，余熱排出上升管也因?yàn)闊釠_擊而咔咔作響。雖然此時(shí)CASE 2余熱排出上升管進(jìn)出口壓差有所降低（如圖6所示），但主要是由于有蒸汽的產(chǎn)生余熱排出上升管中重力壓頭降低引起的，自然循環(huán)流的驅(qū)動(dòng)壓頭卻是增加的，因此，自然循環(huán)流量在汽化階段是明顯增加的（如圖4所示）。在CASE 1中，由于蓄壓水池水位較高，沒有產(chǎn)生汽化現(xiàn)象。

5 結(jié)語

根據(jù)海水淡化堆的原型，本文建立了海水淡化堆非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗(yàn)裝置，并開展了應(yīng)急余熱排出試驗(yàn)研究，分析了蓄壓水池的初始水位對(duì)應(yīng)急余熱排出模擬試驗(yàn)自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。結(jié)果表明：非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施在應(yīng)急余熱排出模擬試驗(yàn)啟動(dòng)之初，可以迅速建立自然循環(huán)；自然循環(huán)建立之后，堆芯能動(dòng)得到有效的冷卻，堆芯溫度逐漸降低；蓄壓水池的初始水位對(duì)自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出均有一定影響，蓄壓水池作為回路的穩(wěn)壓器，過低的水位會(huì)使回路中產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，導(dǎo)致回路中壓力及自然循環(huán)流量發(fā)生較大波動(dòng)，對(duì)設(shè)備造成一定沖擊，應(yīng)予以避免。

參考文獻(xiàn)：

[1]于平安，等.核反應(yīng)堆熱工分析[J].上海交通大學(xué)出版社，2001.12.