鈉冷快堆熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

李政昕，胡文軍，張熙司，喻 宏

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

對(duì)于大型鈉冷快堆，采用非能動(dòng)停堆系統(tǒng)以保證其安全性已成為國(guó)際上快堆發(fā)展和研究的共識(shí)和方向[1]。世界上多個(gè)國(guó)家都對(duì)非能動(dòng)停堆系統(tǒng)有過研究，并提出了多種設(shè)計(jì)方案，通常將堆芯內(nèi)重要的安全參數(shù)(如中子通量、功率、冷卻劑溫度、壓力或冷卻劑流量)作為非能動(dòng)的觸發(fā)信號(hào)[2]。其中應(yīng)用較廣、有過試驗(yàn)的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有居里點(diǎn)合金式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)、氣體膨脹驅(qū)動(dòng)非能動(dòng)停堆系統(tǒng)、液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)和熱膨脹驅(qū)動(dòng)非能動(dòng)停堆系統(tǒng)[3]。

本文提出一種鈉冷快堆熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，針對(duì)中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)進(jìn)行熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)論證，并利用分析程序DYN4G進(jìn)行模擬計(jì)算。

1 熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念

1.1 概念簡(jiǎn)介

為提高鈉冷快堆非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的適用范圍、可靠性以及可用性，提出了一種非能動(dòng)停堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過改進(jìn)和提升現(xiàn)有非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的可靠性，使其具有以下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、應(yīng)對(duì)事故廣、可靠性高。

熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)由熔斷式非能動(dòng)停堆組件和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，停堆組件包括組件盒和移動(dòng)體兩部分。移動(dòng)體在組件盒的內(nèi)部。在停堆組件的移動(dòng)體部分，將吸收體和移動(dòng)桿分開制造，之后采用拉伸強(qiáng)度在特定溫度下會(huì)發(fā)生突變的合金進(jìn)行連接。在正常工況和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，由于組件內(nèi)移動(dòng)體上端冷卻劑溫度低于合金段拉伸強(qiáng)度的突變點(diǎn)，合金段保持在正常狀態(tài)，該控制棒可用作常規(guī)控制棒；在無保護(hù)事故發(fā)生時(shí)，當(dāng)移動(dòng)體上端冷卻劑溫度超過合金段拉伸強(qiáng)度的突變點(diǎn)后，合金段的拉伸強(qiáng)度突然降低，由于下端移動(dòng)體重力的作用將合金段拉斷，之后移動(dòng)體在重力的作用下落入堆芯，引入負(fù)反應(yīng)性。圖1示出熔斷式非能動(dòng)停堆組件示意圖。

圖1 熔斷式非能動(dòng)停堆組件示意圖Fig.1 Scheme of melting-alloy passive shutdown subassembly

1.2 可行性分析

從設(shè)備組成方面，熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)由停堆組件和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其中停堆組件需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)、加工制造及試驗(yàn)驗(yàn)證，這也是熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)研發(fā)的主要工作；對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可考慮應(yīng)用相應(yīng)快堆設(shè)計(jì)中常規(guī)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

從熱工水力模擬計(jì)算方面，通過示范快堆的設(shè)計(jì)研發(fā)，我國(guó)已積累了一套可用于對(duì)非能動(dòng)停堆系統(tǒng)進(jìn)行水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和程序[4]，同時(shí)在本研究中也開發(fā)了可用于計(jì)算非能動(dòng)停堆系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的快堆系統(tǒng)分析程序。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)外形與常規(guī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)保持一致，不需進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。組件的外形尺寸也不需變化，主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是針對(duì)組件盒內(nèi)部的流道設(shè)計(jì)、移動(dòng)體上方到合金段接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及流道設(shè)計(jì)。這些均可參考現(xiàn)有非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[5]。

從材料選擇方面，由于大部分池式鈉冷快堆的堆芯出口溫度在550 ℃附近，通過查閱ASME材料性能手冊(cè)和金屬材料力學(xué)性能手冊(cè)[6]，可知部分鎳基合金溫度在500～650 ℃之間會(huì)出現(xiàn)拉伸強(qiáng)度突然降低的現(xiàn)象，這一溫度與事故下鈉冷快堆堆芯出口冷卻劑溫度接近。同時(shí)，鎳基合金還具有硬度高、比熱性能好、減震性能好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好、工藝性能良好等特點(diǎn)，通過進(jìn)一步的耐腐蝕加工，可使其具有一定的耐蝕性、尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊和耐磨性能。因此，可考慮利用特定加工工藝制造的鎳基合金作為熔斷式停堆系統(tǒng)中合金段的備選材料。

從加工制造方面，通過示范快堆工程，我國(guó)已具有制造大型快堆控制棒及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)。熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的主要制造困難在于組件內(nèi)合金段接頭以及連桿等與觸發(fā)特性密切相關(guān)的部件的制造。由于這些部件本質(zhì)上是金屬構(gòu)件，可利用工業(yè)常規(guī)金屬材料和制造經(jīng)驗(yàn)來比照[7]。

2 方案設(shè)計(jì)論證

CEFR是我國(guó)第1座利用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑的實(shí)驗(yàn)性快中子反應(yīng)堆，其設(shè)計(jì)熱功率為65 MW，發(fā)電功率為20 MW。CEFR設(shè)置了兩套停堆系統(tǒng)。第1停堆系統(tǒng)的功能包括安全停堆、功率調(diào)節(jié)、溫度及燃耗補(bǔ)償以及換料和其他因素所引起的反應(yīng)性偏差的補(bǔ)償。第2停堆系統(tǒng)的功能是安全停堆。兩套停堆系統(tǒng)均滿足卡棒準(zhǔn)則[8]。

CEFR共設(shè)計(jì)有兩種控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一種用來驅(qū)動(dòng)安全棒，另一種用來驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償棒和調(diào)節(jié)棒。每根控制棒由1個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主軸傳動(dòng)裝置和抓手傳動(dòng)裝置。主軸傳動(dòng)裝置用來以給定的速率在堆芯內(nèi)移動(dòng)控制棒，并按事故保護(hù)信號(hào)將棒插入堆芯；抓手傳動(dòng)裝置用來使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸與控制棒連接和脫離。

CEFR現(xiàn)有的停堆系統(tǒng)設(shè)置能有效應(yīng)對(duì)各類設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。但對(duì)于無保護(hù)的嚴(yán)重事故屬于擴(kuò)展工況，因此將熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的安全需求定義如下：熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的控制棒組件在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下將承擔(dān)安全級(jí)停堆功能；當(dāng)發(fā)生無保護(hù)的嚴(yán)重事故時(shí)，熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)觸發(fā)其非能動(dòng)特性，承擔(dān)非安全級(jí)的停堆功能。

熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的工況列于表1。

表1 熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的工況Table 1 Working condition of melting-alloy passive shutdown system

實(shí)驗(yàn)堆的堆芯較小，其中有81盒燃料組件、3根安全棒、3根補(bǔ)償棒和3根調(diào)節(jié)棒。初步的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是利用一套熔斷式非能動(dòng)停堆組件替換1根安全棒，并增加另外兩根安全棒的反應(yīng)性價(jià)值，這樣在滿足卡棒準(zhǔn)則的同時(shí)仍能保證緊急停堆，將非能動(dòng)停堆系統(tǒng)視為獨(dú)立于能動(dòng)停堆系統(tǒng)的第3套停堆系統(tǒng)。其主要應(yīng)對(duì)的事故類型為超功率事故和失流事故。

熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的影響如下。

1) 反應(yīng)堆物理方面

如果考慮用液體懸浮式非能動(dòng)停堆棒去替換CEFR堆芯中的1根安全棒，且非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的移動(dòng)體的反應(yīng)性價(jià)值不小于原來的安全棒，則在反應(yīng)堆物理上不會(huì)引入不利影響。

2) 熱工水力方面

對(duì)于非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的流量分配不僅要反饋到堆芯整體流量分配中，還應(yīng)考慮正常運(yùn)行時(shí)的流量對(duì)于觸發(fā)信號(hào)臨界值選取的影響。由于應(yīng)用于CEFR上的熔斷式非能動(dòng)停堆組件完全替代了1根安全棒，因此并未對(duì)流量分配產(chǎn)生顯著影響[9]。

3) 安全評(píng)價(jià)方面

針對(duì)非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)分為兩部分，一是核電廠其他事故對(duì)非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的影響，二是非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的故障對(duì)核電廠的影響。對(duì)于非能動(dòng)停堆系統(tǒng)所針對(duì)的事故的安全分析，將在關(guān)鍵參數(shù)的選取中完成。

4) 對(duì)系統(tǒng)布置的影響

對(duì)系統(tǒng)布置的影響主要有堆芯及堆芯上部?jī)煞矫?。由于?yīng)用于CEFR的熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)完全替代了1根安全棒，因此對(duì)于堆芯布置沒有影響；同時(shí)該設(shè)備不需修改原有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和儀控的布置，因此對(duì)于堆芯上部不需重新布置。

圖2示出CEFR熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)組件示意圖。

圖2 CEFR熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)組件示意圖Fig.2 Scheme of subassembly of melting-alloy passive shutdown system in CEFR

為能更好地發(fā)揮系統(tǒng)的非能動(dòng)特性，提高其溫度觸發(fā)的敏感度，考慮對(duì)于合金段的位置進(jìn)行優(yōu)化。在CEFR的設(shè)計(jì)文件中，對(duì)安全棒組件在正常運(yùn)行工況下的溫度分布進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，安全棒移動(dòng)體的溫度自上而下升高。同時(shí)由于安全棒的發(fā)熱功率遠(yuǎn)低于燃料組件，因此發(fā)生無保護(hù)超功率事故時(shí)，安全棒組件內(nèi)冷卻劑溫升速率要小于燃料組件內(nèi)冷卻劑的溫升速率，考慮到流經(jīng)安全棒和周圍燃料組件的鈉將在組件出口上方攪混，因此在安全棒出口處，冷卻劑溫度的變化相比堆芯冷卻劑溫度的變化更為敏感，結(jié)合對(duì)CEFR安全棒組件出口冷卻劑攪混情況的CFD模擬結(jié)果，將CEFR熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的合金段放置在組件盒上方50 cm處的連桿位置。

3 關(guān)鍵參數(shù)的確定

對(duì)于熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)方法，其關(guān)鍵參數(shù)如下：反應(yīng)性價(jià)值參數(shù)，即為移動(dòng)體的反應(yīng)性價(jià)值；觸發(fā)特性參數(shù)，即為觸發(fā)溫度；落棒時(shí)間參數(shù)，即為非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，包括事故發(fā)生后系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)間和落棒時(shí)間。

DYN4G程序是法國(guó)原子能委員會(huì)(CEA)下屬CADARACHE研究中心開發(fā)的快堆系統(tǒng)分析及仿真程序，可對(duì)快中子反應(yīng)堆核電廠的運(yùn)行和事故工況進(jìn)行仿真模擬?？紤]用5個(gè)回路模擬CEFR，這5個(gè)回路是：主熱傳輸系統(tǒng)的一回路、事故余熱排出系統(tǒng)的中間回路、事故余熱排出系統(tǒng)的最終回路、主熱傳輸系統(tǒng)的二回路和主熱傳輸系統(tǒng)的三回路[11]。

基于CEFR安全棒的設(shè)計(jì)，為減少引入非能動(dòng)停堆系統(tǒng)給CEFR堆芯物理方面造成的影響，考慮用非能動(dòng)停堆棒替換1根安全棒，且CEFR熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)組件的反應(yīng)性價(jià)值與安全棒一致，均為1 000 pcm。

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是指事故發(fā)生后系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間。由于在臨界溫度以下時(shí)移動(dòng)體是通過合金段與連接桿連在一起，因此一旦堆芯冷卻劑溫度升高，移動(dòng)體上端的溫度達(dá)到觸發(fā)溫度，則合金段將熔化，移動(dòng)體自動(dòng)下落，因此考慮的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為5 s。

同時(shí)由于移動(dòng)體只依靠重力下落，沒有其他外力協(xié)助，因此落棒時(shí)間比第1停堆系統(tǒng)要長(zhǎng)，為提高其安全性能，考慮在后續(xù)移動(dòng)體的水力設(shè)計(jì)中提高其落棒速度。目前，基于CEFR的液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)，非能動(dòng)停堆棒的設(shè)計(jì)下落時(shí)間已小于10 s[12]，因此，將落棒時(shí)間設(shè)定為不大于10 s。

基于CEFR的無保護(hù)失流(ULOF)事故和無保護(hù)超功率(UTOP)事故，對(duì)熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)觸發(fā)溫度上限進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)也對(duì)熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)在ULOF和UTOP事故的響應(yīng)情況進(jìn)行分析。

3.1 ULOF事故瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果

ULOF事故的基本發(fā)展過程假設(shè)為：初始狀態(tài)，反應(yīng)堆處于100%功率下運(yùn)行，在0 s時(shí)刻，CEFR失去廠外電源合并無緊急停堆，一、二回路泵開始惰轉(zhuǎn)，反應(yīng)堆不能緊急停堆，其詳細(xì)的參數(shù)假設(shè)如下。

1) 電廠穩(wěn)態(tài)情況

最熱子通道冷卻劑初始溫度為621 ℃，堆芯出口冷卻劑初始平均溫度為534 ℃，非能動(dòng)停堆組件合金段附近的冷卻劑初始溫度為541 ℃，反應(yīng)堆初始熱功率為65.15 MW。

2) 電廠瞬態(tài)情況

最終堆芯流量的相對(duì)值(相對(duì)于初始流量)為7.5%，堆芯流量半時(shí)間為11.5 s。

3) 非能動(dòng)停堆組件參數(shù)

將非能動(dòng)停堆組件盒上方50 cm處冷卻劑溫度作為觸發(fā)溫度，觸發(fā)溫度分別設(shè)為610、630和650 ℃。非能動(dòng)停堆組件響應(yīng)延遲時(shí)間為5 s，落棒時(shí)間為10 s，非能動(dòng)停堆組件的反應(yīng)性價(jià)值為1 000 pcm。

4) 燃料包殼溫度限值

冷卻劑沸點(diǎn)取為890 ℃。當(dāng)觸發(fā)溫度設(shè)為610、630和650 ℃時(shí)，計(jì)算結(jié)果的事故進(jìn)程列于表2。

表2 熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)在ULOF事故下的響應(yīng)Table 2 Response of melting-alloy passive shutdown system under ULOF accident

由表2可看出，熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)能有效緩解ULOF事故的后果，當(dāng)觸發(fā)溫度為650 ℃時(shí)，由于非能動(dòng)停堆系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間較晚，導(dǎo)致燃料包殼最高溫度超過800 ℃，不滿足CEFR的驗(yàn)收準(zhǔn)則，因此，考慮的觸發(fā)溫度為610～630 ℃。

3.2 UTOP事故瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果

事故的基本發(fā)展過程假設(shè)為：初始狀態(tài)，反應(yīng)堆處于100%功率下運(yùn)行，在0 s時(shí)刻，意外的反應(yīng)性開始引入，速率為30 pcm/s，引入時(shí)間為15 s，其詳細(xì)的參數(shù)假設(shè)同ULOF事故模擬假設(shè)。

當(dāng)觸發(fā)溫度設(shè)為650 ℃時(shí)，計(jì)算結(jié)果的事故進(jìn)程列于表3。

表3 熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)在UTOP事故下的響應(yīng)Table 3 Response of melting-alloy passive shutdown system under UTOP accident

由表3可看出，熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)能有效緩解UTOP事故的后果，縮短堆芯超功率的時(shí)間，降低冷卻劑和燃料包殼最高溫度。

3.3 臨界溫度預(yù)設(shè)值的范圍

通過對(duì)CEFR堆芯出口溫度振蕩情況的分析，得到在熔斷式非能動(dòng)停堆組件合金段附近的冷卻劑溫度在543～550 ℃之間，幅度在7 ℃左右。取其溫度上限，考慮首爐堆芯燃料組件出口溫度的不確定度為11 ℃，取3σ的置信水平，則100%額定功率下冷卻劑溫度上限為583 ℃。CEFR正常運(yùn)行的功率上限為112%額定功率，以此推算得到正常運(yùn)行時(shí)磁性材料附近冷卻劑溫度上限為610 ℃，為保證熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)不出現(xiàn)誤操作，將此溫度作為非能動(dòng)停堆觸發(fā)溫度預(yù)設(shè)值下限。通過對(duì)CEFR的UTOP和ULOF事故分析，且為了提高非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的響應(yīng)速率，將觸發(fā)溫度的上限設(shè)為630 ℃，可滿足抑制冷卻劑鈉的沸騰和抑制燃料熔化的要求[13]。為能及時(shí)緩解失流事故的后果又不至于使非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的動(dòng)作太過頻繁，結(jié)合對(duì)熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算分析，初步確定的臨界溫度范圍為610～630 ℃。

3.4 合金段材料選取初步分析

通過改變合金段材料的成分，可有效改變?nèi)蹟嗍椒悄軇?dòng)組件的觸發(fā)溫度范圍。根據(jù)所提出的熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的基本原理，依據(jù)ASME材料篇(2007版)及查詢Special metals公司多種合金材料性能說明書[14]之后，當(dāng)設(shè)定溫度在600～650 ℃之間時(shí)，強(qiáng)度性能會(huì)出現(xiàn)陡降過程的合金材料主要有N06002(47Ni-22Cr-9Mo-18Fe)、N06617(52Ni-22Cr-13Co-9Mo)及N06625(60Ni-22Cr-9Mo-3.5Cb)。比較發(fā)現(xiàn)鎳基合金N06002在610 ℃之前能保持很好的拉伸強(qiáng)度，610 ℃后拉伸強(qiáng)度發(fā)生突降，因此考慮選用該合金制造熔斷式非能動(dòng)停堆組件的合金段。N06002合金在不同溫度下的拉伸強(qiáng)度示于圖3。

圖3 N06002合金的拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化Fig.3 Tensile strength of N06002 alloy vs. temperature

4 結(jié)論

本文針對(duì)鈉冷快堆提出了一種非能動(dòng)停堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了初步研究，得到以下結(jié)論。

1) 提出了一種將合金在特定溫度下拉伸強(qiáng)度發(fā)生突變的特性作為鈉冷快堆非能動(dòng)停堆的觸發(fā)條件的熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)，能在發(fā)生UTOP和ULOF事故時(shí)自動(dòng)下落，向堆芯內(nèi)引入負(fù)反應(yīng)性，適用于池式和回路式鈉冷快堆設(shè)計(jì)。

2) 基于CEFR的基本數(shù)據(jù)提出了一套適用于CEFR的熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，并利用快堆系統(tǒng)分析程序DYN4G計(jì)算分析了其關(guān)鍵參數(shù)，初步確定CEFR的熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)組件的反應(yīng)性價(jià)值為1 000 pcm，觸發(fā)溫度范圍為610～630 ℃，非能動(dòng)組件的啟動(dòng)時(shí)間為不大于5 s，非能動(dòng)棒自由下落時(shí)間不超過10 s。

3) 利用DYN4G程序模擬了熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)在CEFR發(fā)生ULOF事故下的響應(yīng)情況，計(jì)算結(jié)果表明，熔斷式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)在CEFR的ULOF事故中，可有效抑制鈉的沸騰，緩解事故后果。