反應(yīng)堆自然循環(huán)運(yùn)行研究

牟小磊

（大亞灣核電運(yùn)營管理責(zé)任有限公司，廣東 深圳 518124）

1 引言

電網(wǎng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，受諸多因素的影響，外電源喪失后，反應(yīng)堆主泵停運(yùn)就會失去強(qiáng)迫循環(huán)，導(dǎo)致冷卻效率降低，堆芯由于放射性衰變等因素仍會發(fā)出小部分功率。，此時(shí)需要依靠自然循環(huán)進(jìn)行余熱導(dǎo)出。本文從自然循環(huán)原理出發(fā)，分析了維持自然循環(huán)的條件、找出判斷自然循環(huán)是否形成的依據(jù)，以及自然循環(huán)下的控制要點(diǎn)。

2 自然循環(huán)的定義

廣義上的自然循環(huán)，是指在封閉的回路系統(tǒng)中，存在熱源和冷源，且熱源和冷源存在高度差，依靠冷段下降流和熱段上升流中流體的密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭來實(shí)現(xiàn)的循環(huán)。

從自然循環(huán)定義中我們可以看出，建立自然循環(huán)必須具備以下條件：

①系統(tǒng)中必須存在熱源和冷源；

②熱源和冷源中存在高度差，熱源在下面，冷源在上面；

③系統(tǒng)冷段和熱段中的流體存在密度差。

3 自然循環(huán)工作原理

自然循環(huán)的工作原理為：工質(zhì)依靠上升管受熱所產(chǎn)生的密度差沿著閉合的路線運(yùn)動(dòng)。

簡單循環(huán)壓差平衡式：

其中，h、hi為下降管的高度（即循環(huán)回路的高度）及上升管各區(qū)段的高度，單位m；

Δpxj、Δpss下降管及上升管流動(dòng)阻力損失，單位Pa。

與運(yùn)動(dòng)壓頭相對應(yīng)的是阻力壓頭，取決于管路特性以及流速等因素，當(dāng)運(yùn)動(dòng)壓頭與阻力壓頭相等時(shí)，自然循環(huán)流動(dòng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)的循環(huán)流量和壓差即為工作流程和工作壓差（A點(diǎn)）。

4 反應(yīng)堆自然循環(huán)

4.1 反應(yīng)堆內(nèi)自然循環(huán)的冷段和熱段

根據(jù)通用壓水反應(yīng)堆一回路的幾何結(jié)構(gòu)，將下面幾部分定義為熱段：①堆芯；②蒸汽發(fā)生器與堆芯之間的熱段；③蒸汽發(fā)生器U型管的上行段。

將下面幾部分定義為冷段：①蒸汽發(fā)生器U型管的下行段；②蒸汽發(fā)生器和堆芯之間的冷段；③反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)堆水的下降通道。

4.2 反應(yīng)堆內(nèi)自然循環(huán)的冷源和熱源

冷源是3個(gè)蒸汽發(fā)生器，熱量以下列兩種方式帶出：①將進(jìn)入蒸汽發(fā)生器中較冷的水加熱成飽和水；②飽和水吸熱變成飽和蒸汽排往大氣。

熱源可能的能量來源有以下幾種：核裂變，剩余功率，鎬-水反應(yīng)，主泵，在所有主泵停運(yùn)、反應(yīng)堆停堆時(shí)，自然循環(huán)的熱源包括以下幾種可能的來源：①核裂變產(chǎn)物的衰變；②U238捕獲產(chǎn)物的衰變；③緩發(fā)中子產(chǎn)生的剩余裂變；④一回路結(jié)構(gòu)材料所產(chǎn)生的熱量。

5 反應(yīng)堆自然循環(huán)影響因素分析

根據(jù)廣義自然循環(huán)的定義，可以得到影響反應(yīng)堆自然循環(huán)的因素具體影響如下。

①冷源和熱源的溫差，溫差越大，自然循環(huán)能力越強(qiáng)；

②冷源和熱源的位差，位差越大，自然循環(huán)能力越強(qiáng)；

③管道的延程阻力，阻力越大，自然循環(huán)能力越弱。

冷卻劑中的含汽率，含汽率的作用對自然循環(huán)含有雙重性，堆芯表面局部沸騰可以增強(qiáng)冷卻劑和燃料組件的熱量交換，有助于自然循環(huán)的建立和維持。但反應(yīng)堆上腔積汽會增加環(huán)路的流阻，阻礙自然循環(huán)。而在兩相流動(dòng)，較高含汽率下，可能引起流量的不穩(wěn)定性，會阻礙甚至終止自然循環(huán)。

不凝結(jié)氣體，對自然循環(huán)起阻礙作用，不凝結(jié)氣體越多，對自然循環(huán)的阻礙越強(qiáng)。

圖1 自然循環(huán)變化趨勢

根據(jù)傳熱公式Pth=QfCP(Thot-Tcold），反應(yīng)堆進(jìn)入自然循環(huán)后，一回路冷段和熱段溫度變化為：如下。

剛跳堆時(shí)：堆芯熱負(fù)荷Pth由100%下降到10%以下，由于主泵惰轉(zhuǎn)流量Qf變化不大，所以溫差(Thot-Tcold）由變小，也即Thot變化大，Tcold變化相對小，總體而言△T變小，見t1點(diǎn)。

到時(shí)間t2：Pth變化較小，而隨主泵轉(zhuǎn)速迅速下降，流量Qf變小，Thot變大。

主泵停轉(zhuǎn)后，Pth不變，流量Qf變化不大，溫差 (Thot-Tcold）保持不變，即t3時(shí)的狀態(tài)。

堆芯的燃耗將會影響停堆后的裂變產(chǎn)物和U-238俘獲產(chǎn)物的衰變功率，燃耗越深，裂變產(chǎn)物和衰變產(chǎn)物衰變功率越大。

蒸汽發(fā)生器一次側(cè)的上升段為熱段，下降段為冷段，二次側(cè)的冷卻將使冷段和熱段的溫度同時(shí)下降，且熱段下降的幅度更大，熱段溫度下過多降將使自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力減弱，因此說蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的冷卻要適中，過度的冷卻反而會阻礙自然循環(huán)的形成和建立，而這種效應(yīng)在堆芯是冷堆芯時(shí)，冷卻劑流經(jīng)堆芯時(shí)密度變化不大時(shí)尤為明顯。

二次側(cè)過大的冷卻速率將導(dǎo)致自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)壓頭（密度差壓頭—Pm=-∮ρgdz）下降，自然循環(huán)的減弱或中斷，在堆芯是冷堆芯時(shí)，能造成自然循環(huán)終止甚至可能造成流量反轉(zhuǎn)。

由于壓力容器上封頭內(nèi)冷卻劑流動(dòng)減弱，過度冷卻可能引起上封頭冷卻劑汽化，這不僅會減弱自然循環(huán)的循環(huán)動(dòng)力，也對設(shè)備造成沖擊。

一回路系統(tǒng)存在不凝結(jié)氣體或壓力容器上封頭汽化時(shí)，均會增加自然循環(huán)的阻力。

6 反應(yīng)堆自然循環(huán)控制建議

6.1 自然循環(huán)形成判斷依據(jù)

主泵停運(yùn)后，機(jī)組利用自然循環(huán)到處堆芯熱量，主控室操縱員可以通過如下手段來判斷自然循環(huán)是否已經(jīng)形成。

堆芯出口溫度穩(wěn)定或下降，反應(yīng)堆冷熱段的溫度存在正向溫差（即熱段的溫度大于冷段的溫度），冷熱段的溫度保持穩(wěn)定或以相同的趨勢下降，可判斷已形成自然循環(huán)。

自然循環(huán)的目的是導(dǎo)出堆芯的余熱，在考慮堆芯剩余能量與蒸汽發(fā)生器冷卻的同時(shí)，要充分考慮一回路冷卻劑系統(tǒng)巨大的熱容量和其熱量的儲存能力。

如果堆芯的出口溫度在上升，或反應(yīng)堆冷腿的溫度在上升，表示二回路的冷卻不足，不足以帶走堆芯的余熱，能量應(yīng)調(diào)節(jié)GCT的開度，加大二次側(cè)的冷卻，以帶走全部堆芯余熱。

如果堆芯出口溫度穩(wěn)定，反應(yīng)堆冷腿的溫度在保持不變，表示二回路的冷卻剛好帶走堆芯的余熱。

如果堆芯的出口溫度下降，冷熱段的溫度以相同的趨勢下降，表示二回路的冷卻在帶走全部堆芯余熱的同時(shí)還帶走了一回路系統(tǒng)的設(shè)備潛熱，溫度下降的速率可通過調(diào)節(jié)GCT的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

6.2 自然循環(huán)控制建議

根據(jù)前述論證，為了維持已經(jīng)存在的自然循環(huán)，需要采取各種措施來加強(qiáng)監(jiān)測和控制，具體來說有以下幾點(diǎn)：。

為保持溫差，二回路要有冷卻，即要有ASG的給水及GCT的排放，否則SG內(nèi)二回路將是死水，隨著溫度升高，一回路將停止自然循環(huán)。

為了保證冷卻得有冷源，二回路要冷卻一回路則：TSG＜Tcold而TSG對應(yīng)得飽和壓力即PSG，所以要保證PSG＜Psatcold。

自然循環(huán)初期，操縱員應(yīng)盡快切除二回路系統(tǒng)不必要的蒸汽負(fù)荷，以減少過冷效應(yīng)，防止過冷導(dǎo)致自然循環(huán)喪失，堆芯余熱導(dǎo)出不暢。

利用自然循環(huán)進(jìn)行冷卻要注意冷卻速率不能超過壓力容器上封頭的冷卻速率，防止上封頭汽化，導(dǎo)致自然循環(huán)中斷。