基于CERT試驗(yàn)臺(tái)架的PCS系統(tǒng)關(guān)鍵影響因素分析

雷蕾 靖劍平 喬雪冬 胡健 石興偉

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基于CERT試驗(yàn)臺(tái)架的PCS系統(tǒng)關(guān)鍵影響因素分析

雷蕾 靖劍平 喬雪冬 胡健 石興偉

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 北京 100082）

非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(Passive Containment Cooling System, PCS)是第三代非能動(dòng)反應(yīng)堆的專設(shè)安全系統(tǒng)之一，用于在事故情況下導(dǎo)出安全殼內(nèi)熱量?；诜悄軇?dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)架(Containment safety vErificationintegRal Test, CERT)，本文研究影響PCS系統(tǒng)冷卻效果的關(guān)鍵因素。采用安全殼分析程序針對(duì)CERT試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行建模和計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上模擬了冷管段雙端斷裂事故噴放下的試驗(yàn)殼內(nèi)壓力響應(yīng)，并對(duì)殼外冷卻水流量、殼外冷卻水膜覆蓋率、環(huán)腔風(fēng)速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果表明，冷卻劑喪失Loss Of Coolant Accident,)工況下，殼內(nèi)壓力經(jīng)歷兩個(gè)峰值后逐漸降低，峰值壓力0.2661 MPa。殼外冷卻水流量、水膜覆蓋率對(duì)冷卻效果影響顯著，二者的降低將造成殼內(nèi)壓力的升高；環(huán)腔風(fēng)速的增大有一定的降壓作用。

非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)，非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)架，敏感性分析，覆蓋率

非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(Passive Containment Cooling System, PCS)在第三代非能動(dòng)反應(yīng)堆中用于緩解事故工況下安全殼內(nèi)的質(zhì)能釋放，使得在發(fā)生失水事故(Loss Of Coolant Accident, LOCA)和主蒸汽管道破裂事故(Main Steam Line Break, MSLB)等向安全殼釋放大量質(zhì)量和能量的事故后，安全殼內(nèi)的溫度和壓力的升高不至于危及安全殼的完整性。PCS系統(tǒng)由鋼制安全殼、環(huán)腔空氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、屏蔽構(gòu)筑物以及這些結(jié)構(gòu)構(gòu)成的環(huán)腔空氣流道組成。在事故情況下的PCS運(yùn)行過程中，殼內(nèi)高溫高壓水蒸氣通過鋼制安全殼殼體內(nèi)壁面進(jìn)行冷凝并釋放熱量，熱量通過殼體導(dǎo)出，并通過覆蓋殼體外壁面的冷卻水水膜進(jìn)行換熱，通過冷卻水膜的傳熱和蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)殼內(nèi)高溫高壓蒸汽能量向環(huán)境的輸運(yùn)，從而降低殼體溫度、壓力，使安全殼的屏障作用得以保證。

非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)架(Containment safety vErificationintegRal Test, CERT)位于國(guó)核能源實(shí)驗(yàn)室開封基地，包括試驗(yàn)本體、回路系統(tǒng)以及測(cè)量、控制、動(dòng)力系統(tǒng)。試驗(yàn)本體按照1:8的線性尺度比例模擬原型反應(yīng)堆安全殼及殼內(nèi)構(gòu)件，主要包括試驗(yàn)殼（用于模擬原型安全殼）、殼內(nèi)構(gòu)件、空氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和水分配器[1]。目前CERT試驗(yàn)臺(tái)架已進(jìn)行了失水事故和蒸汽管道破裂事故模擬等相關(guān)試驗(yàn)。

本文采用安全殼分析程序?qū)ERT試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行建模和計(jì)算，通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析的方式驗(yàn)證模型的適用性。為分析非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵影響因素，模擬惡劣情況下試驗(yàn)殼的安全性，基于冷管段雙端斷裂事故進(jìn)行了敏感性分析，計(jì)算了冷卻水覆蓋率及流量較低情況下壓力響應(yīng)。

1 建模與計(jì)算方法

采用安全殼分析程序?qū)ERT試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行建模，包括試驗(yàn)殼內(nèi)氣體空間、殼外上升段氣體空間、殼體及殼內(nèi)熱構(gòu)件、殼外冷卻水、蒸汽噴放條件等。建模的主要參數(shù)有控制體參數(shù)、流道參數(shù)、熱構(gòu)件參數(shù)、傳熱系數(shù)類型參數(shù)、集成模塊參數(shù)、材料類型參數(shù)、邊界條件、初始條件和程序控制參數(shù)等[2]。

1.1 氣體空間控制體劃分

采用集總參數(shù)法對(duì)殼內(nèi)外氣體空間進(jìn)行模擬，操作平臺(tái)以上的控制體劃分如圖1所示。殼外上升段主要在豎直方向上劃分為8個(gè)環(huán)形控制體[3]。殼內(nèi)空間沿豎直方向在起拱線、冷凝水收集槽、蒸汽發(fā)生器頂部、蒸汽發(fā)生器隔間頂部、操作平臺(tái)、維修平臺(tái)等特征標(biāo)高處劃分為8層。每一層水平方向的劃分略有不同，操作平臺(tái)以下主要依據(jù)隔間、平臺(tái)隔板作為劃分；操作平臺(tái)到起拱線的空間沿徑向從中央到殼壁劃分為4層環(huán)形空間，每個(gè)環(huán)形空間又分為4個(gè)控制體；起拱線以上每層沿徑向分為4個(gè)控制體。

圖1 CERT試驗(yàn)臺(tái)架模型控制體劃分示意圖

1.2 熱構(gòu)件及殼內(nèi)外傳熱模型

模型中模擬了殼體及殼內(nèi)的熱構(gòu)件。CERT臺(tái)架內(nèi)部的熱構(gòu)件主要包括鋼結(jié)構(gòu)、隔間壁和聚四氟乙烯三種。將各個(gè)熱構(gòu)件等效簡(jiǎn)化為板狀熱構(gòu)件，輸入其表面積、傳熱類型、材料、涂層、厚度和初始溫度。殼體等效為板狀熱構(gòu)件，并考慮了涂層導(dǎo)熱[4]。

模型中采用集成的模塊模擬安全殼鋼結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外蒸汽冷凝、內(nèi)側(cè)液膜導(dǎo)熱、鋼殼導(dǎo)熱、外側(cè)液膜導(dǎo)熱、液膜蒸發(fā)和不同壁面間輻射傳熱的過程[5]。將CERT臺(tái)架殼體和導(dǎo)流板沿周向分為8個(gè)部分，包含4個(gè)由殼外冷卻水膜覆蓋的“濕”區(qū)和4個(gè)“干”區(qū)，每個(gè)部分又沿高度方向分為8塊，與控制體沿高度方向的劃分相對(duì)應(yīng)，共64塊集成模塊構(gòu)建成整個(gè)殼體和殼外導(dǎo)流板，如圖2所示。按照CERT試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)，每個(gè)集成模塊中有兩個(gè)熱構(gòu)件，分別代表殼體和導(dǎo)流板[6]。集成模塊將殼內(nèi)外的傳質(zhì)傳熱聯(lián)系起來，形成體系。

圖2 殼外水膜干濕區(qū)劃分示意圖

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證程序和模型的適用性，選取了CERT試驗(yàn)臺(tái)架已進(jìn)行的試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。殼內(nèi)初始?jí)毫?.101 MPa，溫度48.89 °C，相對(duì)濕度50%，殼內(nèi)熱構(gòu)件初始溫度50 °C。殼外冷卻水流量3.3 t?h?1，殼外冷卻水覆蓋率98%。殼外環(huán)腔出入口連通廠房大氣，壓力0.101 MPa，溫度35 °C，相對(duì)濕度44%，環(huán)形通道入口風(fēng)速為2 m?s?1。噴放條件取試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，質(zhì)能釋放曲線見圖3。

程序計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的壓力響應(yīng)曲線和溫度響應(yīng)曲線見圖4(a)、(b)。由圖4(a)可見殼內(nèi)壓力響應(yīng)計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值趨勢(shì)一致，均出現(xiàn)了兩個(gè)壓力峰值，并且由于程序計(jì)算的保守性，計(jì)算值始終高于試驗(yàn)測(cè)量值[7]。由圖4(b)可以看出，溫度變化趨勢(shì)與壓力響應(yīng)相似，也出現(xiàn)了兩個(gè)峰值[8]。比較程序計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，二者趨勢(shì)一致，峰值拐點(diǎn)時(shí)間吻合，并且計(jì)算值始終高于試驗(yàn)值，這表明程序計(jì)算是保守的。

程序計(jì)算的溫度、壓力響應(yīng)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)相比均較高，這是由于程序采用集總參數(shù)法建模，對(duì)破口蒸汽噴放造成的攪混和上部蒸汽集中無法模擬，程序采用的冷凝關(guān)系式具有一定的保守度并且計(jì)算模型中對(duì)部分熱阱的傳熱模擬進(jìn)行了保守簡(jiǎn)化。

圖3 試驗(yàn)破口蒸汽流量

圖4 試驗(yàn)殼內(nèi)壓力(a)和溫度(b)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比

綜上所述，通過與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果的比較分析可以看出，模型計(jì)算的溫度、壓力響應(yīng)均與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，且始終略高于試驗(yàn)實(shí)測(cè)值。這表明計(jì)算模型在分析CERT臺(tái)架的相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，結(jié)果合理且具有一定的保守性，適用于PCS導(dǎo)熱能力的分析。

3 計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 基準(zhǔn)工況分析

選取冷管段雙端斷裂作為假想事故，分析實(shí)驗(yàn)殼壓力響應(yīng)[9]。蒸汽噴放條件根據(jù)原型事故的質(zhì)能釋放經(jīng)比例分析后得出[2]，質(zhì)能釋放曲線見圖5。計(jì)算采取的初始條件均由原型對(duì)應(yīng)工況的各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)比例分析后確定。殼內(nèi)初始?jí)毫?.101 MPa，溫度48.89 °C，相對(duì)濕度50%，殼內(nèi)熱構(gòu)件初始溫度48.89 °C。殼外冷卻水流量2.0 t?h?1，殼外冷卻水覆蓋率90%。殼外環(huán)腔出入口連通大氣，壓力0.101MPa，溫度26.67 °C，相對(duì)濕度32.8%。由于試驗(yàn)臺(tái)架為縮比建造，無法模擬殼外空氣自然循環(huán)現(xiàn)象，因此環(huán)形通道入口風(fēng)速由風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)，取值為2 m?s?1。殼外冷卻水流量及覆蓋率的選取均參照原型的保守假設(shè)，并且考慮有121 s的延遲才建立起穩(wěn)定的液膜覆蓋并開始蒸發(fā)傳熱[10]。

圖5 LOCA工況試驗(yàn)質(zhì)能釋放曲線

壓力響應(yīng)如圖6所示，試驗(yàn)殼的壓力響應(yīng)出現(xiàn)兩個(gè)峰值。第一個(gè)峰值與噴放初期的快速噴放相對(duì)應(yīng)，在熱阱和殼體的吸熱作用下壓力出現(xiàn)下降；隨著熱阱溫度的飽和和蒸汽噴放的回升，壓力回升并達(dá)到第二峰值，峰值壓力0.2661 MPa；在第二峰值之后，由于殼體和水膜的冷卻作用壓力持續(xù)下降進(jìn)入長(zhǎng)期冷卻階段。

圖6 冷管段雙端斷裂事故試驗(yàn)壓力響應(yīng)

3.2 冷卻水流量敏感性分析

基準(zhǔn)工況采用的冷卻水流量為2.0 t?h?1，將流量分別降低到基準(zhǔn)值的70%、50%、40%和30%，壓力響應(yīng)如圖7所示。隨著冷卻水流量的降低，壓力峰值的變化很小，可以忽略不計(jì)。流量的變化主要影響峰值過后的長(zhǎng)期降壓階段，隨著流量的降低，峰值過后的壓降逐漸減少，當(dāng)流量降低到40%以下，殼內(nèi)壓力將出現(xiàn)持續(xù)上升。

圖7 不同冷卻水流量下壓力響應(yīng)

3.3 冷卻水覆蓋率敏感性分析

基準(zhǔn)工況中覆蓋率取值為90%，將覆蓋率降低為45%和30%，壓力響應(yīng)如圖8所示。與冷卻水流量降低的響應(yīng)相類似，隨著覆蓋率的降低，壓力峰值變化很小。在峰值過后的壓力降低階段，隨著水膜覆蓋率的降低，壓力顯著升高。當(dāng)覆蓋率降低到45%以下后，壓力出現(xiàn)持續(xù)上升。

圖8 不同冷卻水覆蓋率下壓力響應(yīng)

3.4 環(huán)腔風(fēng)速敏感性分析

環(huán)腔風(fēng)速是殼外空氣上升段入口的風(fēng)速，可能影響殼外水膜的蒸發(fā)和流動(dòng)，在原型反應(yīng)堆中，環(huán)腔氣體流動(dòng)主要依靠自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)，在CERT試驗(yàn)臺(tái)架中可由風(fēng)機(jī)控制。在1?3 m?s?1的范圍內(nèi)改變環(huán)腔風(fēng)速，殼內(nèi)壓力響應(yīng)見圖9。在壓力峰值前，環(huán)腔風(fēng)速的影響可以忽略不計(jì)，在峰值后壓力下降的階段環(huán)腔風(fēng)速對(duì)壓力有一定影響，隨著環(huán)腔風(fēng)速的升高，壓力有所降低。

圖9 不同環(huán)腔風(fēng)速下壓力響應(yīng)

4 結(jié)語

本文采用安全殼分析程序?qū)ERT試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了建模和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比分析表明模型計(jì)算的殼內(nèi)溫度、壓力趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)量趨勢(shì)一致，并始終高于測(cè)量值，模型能夠模擬試驗(yàn)殼的相關(guān)現(xiàn)象，并具有一定的保守性。

試驗(yàn)殼冷管段雙端斷裂事故的計(jì)算分析表明試驗(yàn)殼的壓力響應(yīng)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別與質(zhì)能釋放的兩個(gè)峰值相對(duì)應(yīng)，峰值壓力0.2661 MPa，隨后在PCS系統(tǒng)持續(xù)冷卻下壓力逐漸降低。

對(duì)可能影響PCS冷卻效果的參數(shù)如冷卻水流量、冷卻水覆蓋率和環(huán)腔風(fēng)速進(jìn)行了敏感性分析，得出以下結(jié)論：

1) 噴放初期，質(zhì)能釋放劇烈，熱構(gòu)件迅速升溫，并且PCS系統(tǒng)冷卻水膜尚未完全建立，此階段熱構(gòu)件的吸熱作用對(duì)壓力緩解影響較大，PCS系統(tǒng)的冷卻效果有限。因此環(huán)腔風(fēng)速、冷卻水流量、水膜覆蓋率等參數(shù)對(duì)殼內(nèi)壓力的影響很小。

2) 噴放中后期，熱構(gòu)件吸熱趨于飽和，PCS冷卻水膜穩(wěn)定建立，此階段PCS系統(tǒng)冷卻效果顯著。計(jì)算表明冷卻水流量和水膜覆蓋率的敏感性較高，冷卻水流量和覆蓋率是PCS系統(tǒng)冷卻效果的關(guān)鍵影響因素，環(huán)腔風(fēng)速的升高有一定的降壓作用。

1 溫麗晶. 非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)導(dǎo)熱能力裕度驗(yàn)證試驗(yàn)任務(wù)書[R]. 北京: 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心, 2016. WEN Lijing. PCS cooling capacity margin test mission file[R]. Beijing: Nuclear and Radiation Safety Center, 2016.

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10 Nuclear Regulatory Commission. Final safety evaluation report for AP1000 related to certification of the AP1000 standard design[R]. Chapter 19. Washington DC: Nuclear Regulatory Committee, 2004.

Analysis of the key factors in passive containment cooling system based on CERT

LEI Lei JING Jianping QIAO Xuedong HU Jian SHI Xingwei

(Nuclear and Radiation Safety Center, Beijing 100082, China)

Passive containment cooling system (PCS) is part of the passive reactor safety design for cooling down the containment in accidents.This study aims to analyze the key factors affecting the cooling capacity of PCS based on the containment safety verificationintegral test (CERT).The calculating model of CERT was established using containment safety analysis program. The calculating results and the experiment results were compared to verify the model. The inner containment pressure response of double-ended cold leg guillotine (DECLG) break accident was calculated and the sensitive analysis of some parameters such as the cooling water flow, the outer shell cooling water coverage and the annulus wind speed were performed.The result showed that the calculated pressure and temperature were similar to the experimental test results with a little bit higher than the latter. The maximum pressure of DECLG is 0.2661 MPa. The inner containment pressure increased significantly when the cooling water flow and the outer shell cooling water coverage decreased. The pressure decreased slightly when the annulus wind speed increased.The calculating model is applicable for CERT calculations, and the results are conservative. Inner containment pressure is sensitive to the cooling water flow and the outer shell cooling water coverage.

PCS, CERT, Sensitive analysis, Cooling water coverage

LEI Lei, female, born in 1988, graduated from Shanghai Jiao Tong University with a master’s degree in 2013, focusing on safety analysis of nuclear power

SHI Xingwei, E-mail: shixingwei@chinansc.cn

2017-04-19,

2017-06-26

TL364+.3

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.120603

雷蕾，女，1988年出生，2013年于上海交通大學(xué)獲碩士學(xué)位，從事反應(yīng)堆安全研究

石興偉，E-mail: shixingwei@chinansc.cn

2017-04-19，

2017-06-26

Supported by National Science and Technology Major Project (No.2015ZX06002007, No.2013ZX06002001)

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(No.2015ZX06002007、No.2013ZX06002001)資助