基于RELAP5的反應(yīng)堆失控提棒反應(yīng)性引入分析

劉建全, 張繼國(guó), 石竟達(dá), 吉慧敏, 楊已顥

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

壓水反應(yīng)堆核電機(jī)組是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種核電機(jī)組,約占在役核電機(jī)組的75%。目前,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)壓水反應(yīng)堆的系統(tǒng)計(jì)算和試驗(yàn)已有了一定的研究。例如LEBEDEV G V進(jìn)行了反應(yīng)堆中子功率的絕對(duì)單位測(cè)量研究[1];ANSARIFAR G等人采用恒定軸向偏移策略對(duì)壓水堆芯功率的非線性進(jìn)行了研究[2],KNOSHAHVAL F等人對(duì)反應(yīng)堆控制棒的最大速度進(jìn)行了測(cè)定,并對(duì)可燃毒物棒在VVER-1000反應(yīng)堆燃料組件中子學(xué)的性能進(jìn)行了研究[3]。GUIMARAES F等人進(jìn)行了用于AP1000核電站反應(yīng)堆的不確定性建模研究[4];TAMAGNO P等人進(jìn)行了從低能到高能的核數(shù)據(jù)的評(píng)估,基于基本的物理原理、協(xié)方差評(píng)價(jià)方法的最新進(jìn)展、蒙特卡羅方法和高性能計(jì)算的集約使用,以及一些新建成的模型,清晰地展示了共振與從低到高連續(xù)的能量范圍之間的聯(lián)系[5];郭海兵等人自主開發(fā)的有限元三維中子擴(kuò)散程序,實(shí)現(xiàn)了對(duì)堆芯的準(zhǔn)確模擬[6];王飛飛等人將圖形處理器單元技術(shù)與SRAC軟件相結(jié)合,對(duì)熔鹽堆進(jìn)行了物理分析和數(shù)值建模[7];劉建全等人利用MATLAB軟件分析了偏離泡核沸騰比(Departure from Nucleate Boiling Ratio,DNBR)與臨界熱流密度(Critical Heat Flux,CHF)的關(guān)系[8]。本文利用RELAP5對(duì)核電機(jī)組反應(yīng)堆進(jìn)行了失控提棒引入的反應(yīng)性計(jì)算和分析,便于對(duì)該事故發(fā)生時(shí)堆芯的表現(xiàn)形式有進(jìn)一步的了解,以保證反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 失控提棒反應(yīng)性引入概述

核電廠因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備和部件比較多,容易發(fā)生一些不正常現(xiàn)象,會(huì)影響核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)電效率,其中失控提棒是發(fā)生頻率較高的事故之一。失控提棒主要包括次臨界和低功率啟動(dòng)時(shí)控制棒組的失控提升和功率運(yùn)行時(shí)控制棒組的失控提升兩種情況,都屬于中等頻率事故?？刂瓢艚M的失控提升在堆芯失控時(shí)引入反應(yīng)性,造成堆芯核功率急劇增加。這樣的事故可能是由操縱員的誤操作或是由一些控制系統(tǒng)的故障引起的,可以發(fā)生在次臨界狀態(tài)、熱態(tài)零功率或有功率狀態(tài)下[9]。

本文主要討論有功率狀態(tài)下的提棒事故?？刂瓢艚M失控提升連續(xù)引入反應(yīng)性,使核功率迅速增長(zhǎng),但功率的增長(zhǎng)將被負(fù)的多普勒反應(yīng)性反饋所限制。如果出現(xiàn)失控提棒事故,其瞬態(tài)將由反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)觸動(dòng)停堆而結(jié)束。次臨界條件下的失控提棒事故計(jì)算通常分兩步進(jìn)行:首先計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于提棒事故中的不利功率分布;然后將得到的功率分布輸入RELAP5中,進(jìn)行中子動(dòng)力學(xué)和熱工水力計(jì)算。

2 失控提棒反應(yīng)性引入計(jì)算說明

堆芯組件的反應(yīng)性采用RELAP5軟件進(jìn)行編程計(jì)算。假設(shè)條件如下:多普勒系數(shù)和慢化劑溫度系數(shù)均保守地選用小的絕對(duì)值;事故開始時(shí),反應(yīng)堆處于熱態(tài)零功率(無負(fù)荷)的平均溫度,且反應(yīng)堆正好臨界,事故發(fā)生后,反應(yīng)堆觸發(fā)功率量程高中子通量低定值,導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆,同時(shí)考慮了儀器和定值誤差的最不利組合,以及停堆信號(hào)到控制棒下落的時(shí)間延遲;反應(yīng)堆停堆時(shí),具有最大棒價(jià)值的控制棒束卡在全部提出的位置上[10];假定初始功率水平為10-15額定功率,低于任何停堆條件下所預(yù)期的功率水平,最低的初始功率水平和最大的反應(yīng)性引入率將導(dǎo)致瞬態(tài)中出現(xiàn)最大熱通量。

在偏離泡核沸騰(Departure from Nucleate Boiling,DNB)分析中,不僅采用大的反應(yīng)性引入率,而且采用與失控提棒過程相對(duì)應(yīng)的不利的功率分布,將得到比實(shí)際小得多的最小燒毀比。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 次臨界和低功率啟動(dòng)時(shí)控制棒組的失控提升

控制棒組的失控提升是瞬態(tài)行為。由于觸發(fā)高核通量低定值停堆而結(jié)束,其瞬態(tài)行為如圖1所示。圖1(a)給出了事故過程中核功率的響應(yīng)曲線,雖然在瞬態(tài)中的核功率峰值很大,但由于時(shí)間很短,能量釋放和燃料平均溫度的增加并不很大。由于瞬態(tài)中放出的能量不是很大,且由于燃料固有的熱滯后效應(yīng),瞬態(tài)中的熱通量峰值只達(dá)到名義值。圖1(b)給出了熱點(diǎn)燃料平均溫度和包殼平均溫度在瞬態(tài)中的響應(yīng)曲線。在整個(gè)瞬態(tài)中,最小DNBR值都大于限值。

圖1 次臨界條件下失控快速提棒分析結(jié)果

失控提棒事故的事件序列如表1所示。由于反應(yīng)堆停堆,電廠將回到穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 失控提棒事故的事件序列 s

控制棒束的失控提升在堆芯失控時(shí)引入反應(yīng)性,造成堆芯核功率急劇增加。這樣的事故可能是由于操縱員的誤操作,或由于反應(yīng)堆調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障,或由于控制棒控制系統(tǒng)的故障引起的。它可以發(fā)生在次臨界狀態(tài)、熱態(tài)零功率或有功率狀態(tài)下。通常情況下,通過提棒使反應(yīng)堆從次臨界狀態(tài)啟動(dòng)以提升功率,但在凈堆初次啟動(dòng)時(shí),要求硼稀釋情況下最大反應(yīng)性引入率比在本事故分析中用的引入率小?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)線按預(yù)先選定的控制棒分組連接,它在整個(gè)壽命期內(nèi)保持不變。這可防止控制棒束以不同于它們所在棒組的方式提升?？刂瓢綦娫吹脑O(shè)計(jì),可以保證提升的控制棒不超過兩個(gè)子組。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是磁力提升型的,通電線圈按不同順序連接,會(huì)提供不同的控制棒移動(dòng)速度。在本次事故分析中,采用最大的反應(yīng)性引入速率。

3.2 滿功率運(yùn)行時(shí)控制棒組失控提升

當(dāng)反應(yīng)堆功率運(yùn)行時(shí),失控提棒會(huì)引起堆芯功率升高。在蒸汽發(fā)生器的大氣釋放閥、安全閥開啟之前,由蒸汽發(fā)生器二次側(cè)帶走的熱量滯后于堆芯功率的增加,由此會(huì)引起反應(yīng)堆冷卻劑溫度上升。如果不及時(shí)停堆,則會(huì)導(dǎo)致堆芯燃料元件發(fā)生DNB。因此,為了安全屏障的完整,使燃料元件包殼不損壞,必須使設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)能夠在DNBR值下降到限值前終止該事故。CHF計(jì)算包括溫度、壓力及反應(yīng)堆功率變化特征和事故過程中DNBR值的變化等?？紤]壓力誤差、溫度誤差和功率誤差,分析兩種反應(yīng)性反饋。

圖2給出了滿功率運(yùn)行時(shí)失控快速提棒和失控慢速提棒的瞬態(tài)響應(yīng)。在控制棒失控提升中,反應(yīng)堆由高核通量保護(hù)停堆。雖然失控快速提棒導(dǎo)致堆內(nèi)冷卻劑溫度和壓力幾乎不變,而失控慢速提棒卻使堆內(nèi)的溫度和壓力變化很大,但是最小DNBR值都超過了限值。

壓水反應(yīng)堆為束棒控制,在啟動(dòng)或提升功率的過程中,由于運(yùn)行人員的誤操作或控制儀表失靈,使控制棒失控連續(xù)提升的可能性是存在的,因此也會(huì)造成提棒事故。事故引入的正反應(yīng)性激增了反應(yīng)堆內(nèi)的核功率和熱流密度。提棒事故發(fā)生后,由于保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作而緊急停堆,事故瞬態(tài)會(huì)很快結(jié)束。燃料溫度反應(yīng)性反饋對(duì)快速提棒事故瞬態(tài)的影響很大,同時(shí),慢化劑溫度反應(yīng)性系數(shù)對(duì)瞬態(tài)也有影響[11]。

在功率運(yùn)行時(shí),失控提棒會(huì)導(dǎo)致堆芯功率升高。在蒸汽發(fā)生器的大氣釋放閥、安全閥開啟之前,由蒸汽發(fā)生器二次側(cè)帶走的熱量滯后于堆芯功率的增加,由此引起反應(yīng)堆冷卻劑溫度增加。但如果停堆及時(shí),堆芯燃料元件也不會(huì)發(fā)生DNB。因此,為了避免燃料元件包殼損壞,就應(yīng)該使設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)能夠在DNBR值下降到限值之前終止該事故。

圖2 滿功率失控提棒分析結(jié)果

在高反應(yīng)性引入速率時(shí),堆芯核通量上升很快,而由高核通量信號(hào)停堆,但由于燃料和冷卻劑系統(tǒng)液體熱容的影響,堆芯熱流密度滯后于核通量的增加,因此仍會(huì)維持較高的最小DNBR值、變化很小的反應(yīng)堆冷卻劑壓力以及溫度值。隨著反應(yīng)堆冷卻劑溫度的增加,最終由超溫ΔT停堆,其最小DNBR值也不小于限值。無論高核通量保護(hù)或超溫ΔT保護(hù),燃料峰值溫度都不超過其熔化溫度,也不會(huì)發(fā)生DNB。

4 結(jié) 論

(1) 次臨界和低功率啟動(dòng)時(shí)控制棒組的失控提升過程中,瞬態(tài)中的核功率峰值很大,但時(shí)間很短,能量釋放和燃料平均溫度的增加并不大。

(2) 控制棒組失控提升連續(xù)引入反應(yīng)性,使核功率迅速增長(zhǎng),但功率的增長(zhǎng)將被負(fù)的多普勒反應(yīng)性反饋所限制。

(3) 當(dāng)反應(yīng)堆功率運(yùn)行時(shí),失控提棒會(huì)引起堆芯功率升高。由于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)帶走的熱量滯后于堆芯功率的增加,致使反應(yīng)堆冷卻劑溫度增加。若不及時(shí)停堆,則容易導(dǎo)致堆芯燃料元件發(fā)生DNB。

(4) 在高反應(yīng)性引入時(shí),堆芯核通量上升很快。由于燃料和冷卻劑系統(tǒng)液體熱容的影響,堆芯熱流密度滯后于核通量的增加。