模塊式小堆化容系統(tǒng)上充特性研究

何 婷 張 翔 曾 暢

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041）

0 引言

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)是核電廠重要的核輔系統(tǒng)之一，在電廠正常運(yùn)行時(shí)，通過下泄和上充補(bǔ)水功能保持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的水裝量和穩(wěn)壓器水位， 并對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行凈化，維持反應(yīng)堆冷卻劑的水化學(xué)指標(biāo)。

本文介紹了模塊式小堆化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方案， 利用一維流體仿真軟件對(duì)系統(tǒng)的流量特性進(jìn)行了分析，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)方案概述

模塊式小堆化學(xué)和容積控制系統(tǒng)由凈化回路和補(bǔ)水回路兩大部分所組成， 凈化回路全部位于安全殼內(nèi)，其設(shè)計(jì)壓力與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)一致。 凈化回路與補(bǔ)水回路一起， 維持反應(yīng)堆冷卻劑的水裝量和水化學(xué)指標(biāo)。 由于反應(yīng)堆冷卻劑全部在安全殼內(nèi)的凈化回路中循環(huán)， 降低了反應(yīng)堆冷卻劑向安全殼外釋放的風(fēng)險(xiǎn)。 模塊式小堆的化學(xué)和容積控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 化學(xué)和容積控制系統(tǒng)流程示意圖

2 系統(tǒng)運(yùn)行方案研究

2.1 容積控制

在反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間，穩(wěn)壓器水位維持在正常運(yùn)行水位，當(dāng)一二回路功率和負(fù)荷不匹配、一回路泄漏、一回路取樣等工況下，一回路水容積的膨脹和收縮，會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器水位的變化。 通過開啟下泄管線或投入上充補(bǔ)水泵來保持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的水裝量，并維持穩(wěn)壓器處于正常水位。

2.2 化學(xué)控制

反應(yīng)堆冷卻劑經(jīng)再生式熱交換器降溫，然后進(jìn)入下泄熱交換器進(jìn)一步降低至50℃以下，經(jīng)過離子交換樹脂床和過濾器，再經(jīng)過再生式熱交換器升溫后返回一回路。 凈化回路全部位于安全殼內(nèi)，根據(jù)已運(yùn)行的壓水堆凈化流量的統(tǒng)計(jì)， 凈化系統(tǒng)流量按10～15 h將一回路的水循環(huán)凈化一遍來設(shè)計(jì)，通過凈化回路保持反應(yīng)堆冷卻劑的水質(zhì)和放射性水平在規(guī)定范圍內(nèi)[1]。

2.3 反應(yīng)性控制

在反應(yīng)堆電廠啟動(dòng)期間，對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑硼濃度進(jìn)行稀釋操作，反應(yīng)堆停運(yùn)期間增加硼濃度，并在整個(gè)燃料循環(huán)期間按計(jì)劃進(jìn)行硼濃度調(diào)節(jié)，補(bǔ)償燃耗時(shí)調(diào)節(jié)硼濃度，滿足反應(yīng)性控制要求。

2.4 其他功能

化學(xué)和容積系統(tǒng)不屬于專設(shè)安全系統(tǒng)，但由于其具備一定的補(bǔ)水能力，可用于執(zhí)行事故下的縱深防御功能。當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生儀表管破裂等小泄漏時(shí)，化學(xué)和容積系統(tǒng)向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)補(bǔ)水和維持穩(wěn)壓器水位，以此防止或推遲安全級(jí)系統(tǒng)的動(dòng)作。

3 運(yùn)行特性研究

3.1 系統(tǒng)建模

采用流體仿真軟件Flowmaster建立化學(xué)和容積控制系統(tǒng)仿真模型，其中與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)連接的下泄和上充位置，采用壓力邊界進(jìn)行模擬，離子交換樹脂床采用阻力件進(jìn)行模擬。

3.2 補(bǔ)水運(yùn)行特性

一回路發(fā)生破口時(shí)， 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力降低，化學(xué)和容積控制系統(tǒng)自動(dòng)投入補(bǔ)水泵，補(bǔ)充喪失的反應(yīng)堆冷卻劑。假設(shè)失水發(fā)生后100 s內(nèi)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力從15 MPa降低至10 MPa，本節(jié)的計(jì)算主要用于獲取化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的上充補(bǔ)水能力。

圖2的結(jié)果表明， 化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的補(bǔ)水能力隨著一回路壓力的降低而升高，只投入一臺(tái)補(bǔ)水泵時(shí)，初始的最小補(bǔ)水能力為8.5 t/h，當(dāng)一回路壓力降低至10 MPa時(shí)，最大補(bǔ)水能力為13 t/h。投入兩臺(tái)補(bǔ)水泵時(shí)，初始的最小補(bǔ)水能力為17 t/h，當(dāng)一回路壓力降低至10 MPa時(shí)，最大補(bǔ)水能力為25 t/h。

圖2 化學(xué)和容積控制系統(tǒng)補(bǔ)水流量特性

圖3 的結(jié)果表明，當(dāng)補(bǔ)水回路投入時(shí)，會(huì)對(duì)凈化回路的流量產(chǎn)生影響，隨著補(bǔ)水流量的增加，凈化流量將會(huì)受到一定的抑制而逐漸減少，且兩臺(tái)補(bǔ)水泵投入時(shí)對(duì)凈化流量的抑制作用大于一臺(tái)補(bǔ)水泵。

圖3 化學(xué)和容積控制系統(tǒng)凈化流量特性

由于化學(xué)和容積控制系統(tǒng)具備一定的補(bǔ)水能力，當(dāng)發(fā)生類似儀表管破裂的事故時(shí)， 自動(dòng)進(jìn)行上充補(bǔ)水，可以彌補(bǔ)微小破口帶來的一回路泄漏防止專設(shè)安全系統(tǒng)的投入或者延遲專設(shè)安全系統(tǒng)投入觸發(fā)時(shí)間，由于降低了非必要的緊急停堆次數(shù)，在一定程度上提高了小堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

本文對(duì)模塊化小堆化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)流程進(jìn)行了介紹，并對(duì)化學(xué)和容積控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)仿真， 獲得了系統(tǒng)的上充補(bǔ)水的運(yùn)行特性，可為后續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)行及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。