反應(yīng)堆自然循環(huán)運(yùn)行研究

牟小磊

【摘 要】論文在廣義自然循環(huán)定義的基礎(chǔ)上，分析了反應(yīng)堆自然循環(huán)運(yùn)行，給出了反應(yīng)堆自然循環(huán)的定義，介紹了影響反應(yīng)堆自然循環(huán)的因素，提出了在發(fā)生自然循環(huán)工況下反應(yīng)堆自然循環(huán)是否形成的判據(jù)，以及控制要點(diǎn)。

【Abstract】Based on the definition of generalized natural circulation， the natural circulation operation of the reactor is analyzed， and the definition of reactor natural cycle is given. The factors influencing the natural circulation of the reactor are introduced. The criteria for the formation of the natural circulation of the reactor under the natural circulation condition and the control points are proposed.

【關(guān)鍵詞】自然循環(huán)；反應(yīng)堆；控制要點(diǎn)

【Keywords】natural circulation； reactor； control points

【中圖分類(lèi)號(hào)】TL364 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）09-0156-02

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(huì)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(huì)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(lái)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

簡(jiǎn)單循環(huán)壓差平衡式：

與運(yùn)動(dòng)壓頭相對(duì)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(lái)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(lái)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(duì)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(huì)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(huì)阻礙甚至終止自然循環(huán)。

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

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(duì)小，總體而言△T變小，見(jiàn)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(huì)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(guò)多降將使自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力減弱，因此說(shuō)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的冷卻要適中，過(guò)度的冷卻反而會(huì)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(guò)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(guò)度冷卻可能引起上封頭冷卻劑汽化，這不僅會(huì)減弱自然循環(huán)的循環(huán)動(dòng)力，也對(duì)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(huì)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(guò)如下手段來(lái)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(shì)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(chǔ)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(kāi)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(shì)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(guò)調(diào)節(jié)GCT的開(kāi)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(lái)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和控制，具體來(lái)說(shuō)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

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(guò)冷效應(yīng)，防止過(guò)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(guò)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。