池式快堆中間熱交換器氣體夾帶現(xiàn)象研究現(xiàn)狀

薛軼 杜開文

【摘 要】快中子反應(yīng)堆是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的推薦堆型。在池式快堆中，大量設(shè)備穿透反應(yīng)堆堆池的自由液面，使得自由液面可能產(chǎn)生波動、環(huán)流以及漩渦等現(xiàn)象，進(jìn)而可能導(dǎo)致反應(yīng)堆中間熱交換器入口窗進(jìn)入氣體，威脅反應(yīng)堆安全。國內(nèi)外參與快堆設(shè)計建造的相關(guān)國家針對該氣體夾帶現(xiàn)象進(jìn)行了深入的理論和實驗研究。本文介紹了各個國家的研究現(xiàn)狀，對我國相關(guān)研究工作的開展具有借鑒意義。

中圖分類號： TL433 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）05-0058-002

【Abstract】The fast reactor is the recommended reactor type for the fourth generation advanced nuclear energy system. In the pool type fast reactor，a large number of devices penetrate the free surface of the reactor stack， which may cause fluctuations in the free liquid surface，circulation，and vortices，which may cause the inlet window of the reactor intermediate heat exchanger to enter the gas and threaten the safety of the reactor.Domestic and foreign countries involved in the design and construction of fast reactors have carried out in-depth theoretical and experimental studies on this gas entrainment phenomenon.This article describes the research status of various countries and has implications for the development of related research work in China.

快中子反應(yīng)堆（簡稱快堆）是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的推薦堆型，其形成的核燃料閉式循環(huán)可以大大提高鈾資源的利用率[1]。根據(jù)反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的類型，快堆可以分為池式快堆和回路式快堆[2]。在池式快堆的一回路系統(tǒng)中，所有的部件或設(shè)備如堆芯、主泵和中間熱交換器等放置在反應(yīng)堆堆池內(nèi)。在堆池的自由液面以上充有氬氣。布置在堆池內(nèi)的設(shè)備與容器外的系統(tǒng)和部件相連。這些設(shè)備在與容器外部相連接的過程中，必然穿過堆池的自由液面及氬氣空間。如果設(shè)備布置不當(dāng)，特別是緊湊型布置，會導(dǎo)致自由液面產(chǎn)生強烈波動、撞擊變得凹凸不平或者出現(xiàn)強大的表面環(huán)流、漩渦以及深坑（氣芯）等異常流動現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致在中間熱交換器入口窗等冷卻劑向下流動的通道處存在覆蓋氬氣被夾帶進(jìn)入下腔室（冷池）的風(fēng)險。

如果被夾帶氣體通過主循環(huán)泵吸入堆芯將嚴(yán)重威脅反應(yīng)堆安全。其帶來的正反應(yīng)性可能引起反應(yīng)堆功率震蕩，更嚴(yán)重的可能導(dǎo)致堆芯傳熱惡化、燒毀。而且大量的覆蓋氣體進(jìn)入中間熱交換器會大幅降低其傳熱效率，破壞整個傳熱系統(tǒng)的動態(tài)平衡導(dǎo)致嚴(yán)重后果。同時，大量氣體流經(jīng)主循環(huán)泵會導(dǎo)致氣蝕等惡劣流動現(xiàn)象出現(xiàn)，影響主循環(huán)泵的工作性能，進(jìn)而影響堆芯冷卻，降低循環(huán)泵的運行壽命。中間熱交換器氣體夾帶現(xiàn)象是池式快堆設(shè)計中必須關(guān)注和解決的問題，國內(nèi)外參與快堆設(shè)計建造的相關(guān)國家都對氣體夾帶現(xiàn)象開展了大量的理論分析，并建設(shè)有眾多的大型實驗臺架來進(jìn)行實驗研究。

1 英國、法國、德國合作開展的相關(guān)研究工作[3]

英國、法國、德國合作開展的歐洲快堆（EFR）項目的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)非常緊湊，上腔室自由液面處發(fā)生氣體夾帶的風(fēng)險較大，專門建立了各種實驗臺架對此進(jìn)行驗證工作。設(shè)計了OREILLETTE實驗臺架和COLCHIX實驗臺架以研究包括氣體夾帶在內(nèi)的各種熱工水力問題，其中OREILLETTE實驗臺架的縮比是1：10，而COLCHIX實驗臺架的縮比是1：8。結(jié)果表明，渦流主要出現(xiàn)在IHX和反應(yīng)堆容器之間，在熱交換器入口窗處有氣體夾帶風(fēng)險。由于設(shè)備引起的尾流和由于腔室再循環(huán)產(chǎn)生的局部向下流是渦流出現(xiàn)的主要原因。

另一個大型上腔室水力實驗臺架是HIPPO，它是一個縮比為1：2的90°扇形區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)僅使用弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則在小型臺架上會對渦流深度和氣體夾帶的出現(xiàn)估計過低，不能真實反映反應(yīng)堆運行情況。而如果小比例實驗臺架上采用真實流速進(jìn)行實驗又會得到過于保守的實驗結(jié)果。

2 法國有關(guān)氣體夾帶的研究工作[3-5]

鈉冷快堆在法國已經(jīng)開發(fā)了將近50年，相繼建成了Rapsodie、Phenix和Superphenix電廠。對于Phenix和Superphenix電廠而言，一回路中造成氣體夾帶現(xiàn)象的主要氣體來源是反應(yīng)堆容器冷卻系統(tǒng)的溢流，由于Phenix和Superphenix電廠的反應(yīng)堆不是歐洲快堆（EFR）那樣的緊湊型反應(yīng)堆，自由液面處的氣體并不是氣體夾帶的氣體來源。在這類池式反應(yīng)堆中，在堆芯入口處設(shè)置了小的旁通流量以冷卻下腔室和主容器，這部分冷鈉沿著堆容器向上流動并溢流返回到冷池中。由于冷池自由液面比壩堰結(jié)構(gòu)水平面要低，鈉流會以較大的動量穿過自由液面而引起氣體夾帶。

對于在堆容器冷卻回路中的溢流引起的氣體夾帶，20世紀(jì)80年代CEA利用兩個實驗裝置進(jìn)行實驗研究。一個是1：1的水實驗臺架，模擬Superphenix反應(yīng)堆的條件；另外還建立了一個鈉實驗臺架，與水實驗臺架幾何和流動條件相同，結(jié)果表明水實驗臺架的氣體夾帶率要比鈉實驗臺架的數(shù)值偏保守。

3 印度有關(guān)氣體夾帶的研究工作[6-7]

印度的原型快增殖堆（PFBR）在一回路中也存在發(fā)生氣體夾帶的風(fēng)險。PFBR是一個池式快堆，其氣體夾帶問題與歐洲快堆（EFR）的問題類似。

印度研究人員采用結(jié)合實驗方法和計算的方法研究了鈉冷快堆熱池中氬氣夾帶的現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明，安裝在內(nèi)部容器的水平擋板可以有效減弱自由液面的速度及渦流強度。該裝置應(yīng)用到PFBR之前，在水模型上進(jìn)行了測試，其性能令人滿意。進(jìn)一步研究表明，通過減弱堆芯出口外圍高速橫向流對自由液面速度的影響也可以降低自由液面的速度，從而減少氣體夾帶的發(fā)生，這需要熱池表面與IHX入口窗相對位置大于一定的高度。為了找到PFBR中熱池液面高于IHX入口窗的最小高度，研究人員在1：9、1：18、1：27的比例模型上進(jìn)行了實驗，并利用三維流體力學(xué)軟件PHOENICS研究了擋板對于降低自由液面速度的效果，結(jié)果表明PFBR中沒有氣體夾帶的風(fēng)險。

4 日本有關(guān)快堆氣體夾帶的研究工作[8-9]

日本針對大型快堆的氣體夾帶現(xiàn)象做過很多理論及實驗研究，在針對早期的大型快堆的研究中提出了三種池式快堆可能發(fā)生氣體夾帶現(xiàn)象形式：沿設(shè)備外壁面向下流動的環(huán)流引起的氣體夾帶；漩渦引導(dǎo)的氣體夾帶；自由液面波動出現(xiàn)深坑（氣芯）引起的氣體夾帶。并且針對提出的三種氣體夾帶形式分別作了理論研究，分別得到了每種形式容易出現(xiàn)的工況及主要決定因素。

針對日本示范快堆（DFBR）IHX容器中自由液面的流動，對比例和流體性質(zhì)對于氣體夾帶開始的影響進(jìn)行了實驗研究，使用1：10、1：6、1：3、1：1.6的IHX幾何尺寸縮比模型進(jìn)行了水力實驗。實驗結(jié)果表明，幾何尺寸縮比水力實驗中等速度條件對于預(yù)測IHX容器中的氣體夾帶是最合適的準(zhǔn)則，而且由于水和鈉表面張力系數(shù)不同可以留出額外裕量。當(dāng)幾何尺寸縮比大于1：3時，就可以反映出實際運行情況，并將具體參數(shù)推廣到反應(yīng)堆真實運行工況中。

另外在日本緊湊型鈉冷快堆（JSFR）的設(shè)計階段，為了針對可能出現(xiàn)的氣體夾帶現(xiàn)象，使用了一個比例為1：10的上腔室全扇形模型和一個比例為1：1.8的90度扇形模型進(jìn)行了兩個水力實驗。在比例為1：10的全扇形模型中進(jìn)行了上腔室中流動優(yōu)化。在比例為1：1.8的部分模型上進(jìn)行的水力實驗主要研究在一定條件下氣體夾帶的出現(xiàn)和氣體夾帶的機制，結(jié)果表明存在兩種類型的氣體夾帶現(xiàn)象，它們出現(xiàn)的條件與反應(yīng)堆中條件遠(yuǎn)為不同：一種氣體夾帶出現(xiàn)在冷管周圍流動的尾流區(qū)域，是由于在反應(yīng)堆容器中較大的水平速度引起的；另一類氣體夾帶出現(xiàn)在熱管和反應(yīng)堆容器壁面之間的區(qū)域，當(dāng)冷卻劑水平面較低并且向下速度較大時出現(xiàn)。通過詳細(xì)測量瞬態(tài)流動速度場搞清楚了這兩塊區(qū)域處氣體夾帶的機理。在比例為1：1.8的模型中觀察到極端速度條件下會出現(xiàn)氣體夾帶，而這些條件遠(yuǎn)高于JSFR反應(yīng)堆設(shè)計中的運行條件。另外，提出了在自由液面下安裝大型水平板的方式來防止自由液面流速過高，并且限制熱管段中的氣體夾帶。

中國實驗快堆（CEFR）是我國第一座快中子反應(yīng)堆，于2011年7月21日10點成功實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電[1]，其對于有效利用我國鈾資源，對我國核電持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。中國實驗快堆一回路系統(tǒng)為一體化池式結(jié)構(gòu)，目前我國同樣在開展池式快堆中間熱交換器氣體夾帶現(xiàn)象方面的研究工作，這將對確保反應(yīng)堆安全具有重要意義。

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