小型核動(dòng)力非能動(dòng)安全殼抑壓與安注集成特性分析

鐘明君，蔣孝蔚，楊 帆，劉 余

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都）

引言

安全殼作為核動(dòng)力裝置放射性物質(zhì)包容的最后一檔屏障，需通過控壓排熱保證其在事故下的結(jié)構(gòu)完整性。然而，由于小型核動(dòng)力裝置空間尺寸的限制，當(dāng)發(fā)生質(zhì)能釋放類事故后，安全殼超壓風(fēng)險(xiǎn)相較大型安全殼更為顯著。此外，考慮到核動(dòng)力模塊化建造、經(jīng)濟(jì)性提升等需求，在對(duì)其開展安全殼控壓排熱設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需保證其安全功能的實(shí)現(xiàn)，還應(yīng)瞄準(zhǔn)“小型化、輕量化”目標(biāo)。

小型核動(dòng)力安全殼控壓排熱的關(guān)鍵是預(yù)防事故后安全殼早期超壓失效，傳統(tǒng)能動(dòng)方式，如安全殼噴淋，由于受控制信號(hào)延遲時(shí)間、泵閥開啟時(shí)間的限制難以及時(shí)應(yīng)對(duì)安全殼早期的快速升溫、升壓。而非能動(dòng)技術(shù)因其響應(yīng)快、固有可靠性高、易實(shí)現(xiàn)集成簡(jiǎn)化、功構(gòu)融合的特點(diǎn)，十分適宜核動(dòng)力小型安全殼在事故下的早期控壓需求。目前，沸水堆型核電廠、模塊化小堆[1-3]等已有非能動(dòng)抑壓冷卻技術(shù)[4-6]的應(yīng)用先例，即借助事故后自然形成的壓差作用，將釋放到安全殼的高能汽水排入額外設(shè)置的抑壓水池進(jìn)行冷凝，從而實(shí)現(xiàn)快速抑壓。

采用水源集成共用的思想將抑壓水源與安注水源集成，可進(jìn)一步縮減水源配置，實(shí)現(xiàn)壓水堆小型化、輕量化設(shè)計(jì)。然而集成系統(tǒng)在事故工況下會(huì)呈現(xiàn)更為復(fù)雜的耦合效應(yīng)，如失水事故下的質(zhì)能釋放將導(dǎo)致安全殼升溫升壓，安全殼壓力的變化反過來會(huì)影響破口流量；抑壓過程將導(dǎo)致抑壓-安注集成水源升溫，從而在安注過程中對(duì)堆芯冷卻造成不利影響。傳統(tǒng)分離式熱工水力分析方法無法準(zhǔn)確反映集成系統(tǒng)下復(fù)雜耦合效應(yīng)。因此，本研究采用反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)-安全殼耦合分析方法開展計(jì)算分析，研究集成系統(tǒng)的抑壓-安注特性，平衡安全殼抑壓功能與安注功能的需求，對(duì)集成系統(tǒng)的事故的耦合效應(yīng)進(jìn)行量化，通過水源初始溫度、抑壓容量等敏感性分析，為水源集成方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)的選取提供借鑒。

1 非能動(dòng)抑壓與安注集成概念方案

本研究采用水源集成共用的思想將抑壓水源與安注水源集成，實(shí)現(xiàn)壓水堆小型化。當(dāng)發(fā)生失水等質(zhì)能釋放類事故后，高能流體由破口釋放至安全殼，導(dǎo)致安全殼升溫升壓；在壓差作用下，安全殼內(nèi)水蒸氣及不凝氣體通過排管進(jìn)入抑壓水箱，與抑壓水源發(fā)生直接接觸冷凝，從而迅速抑制安全殼升壓；同時(shí)，不凝氣體由水箱逸出，進(jìn)入抑壓氣空間。當(dāng)達(dá)到安注信號(hào)整定值后，安注泵由抑壓水源取水，注入堆芯?；谠撍悸?，可構(gòu)建非能動(dòng)抑壓與安注集成概念方案，見圖1。

圖1 非能動(dòng)抑壓與安注集成概念方案

在該方案下，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、安全殼和抑壓水源在事故運(yùn)行工況下會(huì)存在較強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)。主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1） 抑壓能力影響安全殼升溫升壓狀態(tài)，從而影響破口質(zhì)能釋放。

（2） 抑壓過程導(dǎo)致安注水源升溫，從而影響堆芯冷卻能力。

2 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)- 安全殼耦合分析方法

傳統(tǒng)失水事故及安全殼響應(yīng)分析采用分離式的熱工水力分析方法[7-8]。即通過假定一保守的安全殼壓力作為系統(tǒng)分析程序模擬破口的背壓邊界，計(jì)算得到質(zhì)能釋放量；進(jìn)一步，將該質(zhì)能釋放量作為輸入，通過安全殼響應(yīng)分析程序計(jì)算安全殼升溫升壓。為準(zhǔn)確反映集成系統(tǒng)耦合效應(yīng)，本研究通過將傳統(tǒng)的系統(tǒng)分析程序與安全殼響應(yīng)程序進(jìn)行耦合，開展集成系統(tǒng)特性分析。對(duì)于水力學(xué)問題，其耦合接口的設(shè)計(jì)見圖2。在系統(tǒng)分析程序和安全殼響應(yīng)程序中分別設(shè)置時(shí)間相關(guān)控制體作為標(biāo)量耦合接口，傳遞溫度、壓力、相組成參數(shù)，通過設(shè)置時(shí)間相關(guān)接管傳遞流速。

圖2 耦合接口示意

在采用耦合分析方案對(duì)非能動(dòng)抑壓-安注集成方案進(jìn)行模擬時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)采用系統(tǒng)分析程序建模，安全殼采用安全殼分析程序建模。建模示意見圖3。其中，CON 表示安全殼大空間；SUP1 表示抑壓水池；SUP2 表示抑壓氣空間。灰色框圖為耦合接口，分別為破口接口和安注接口。

圖3 耦合建模示意

3 非能動(dòng)抑壓與安注集成特性分析

本研究選取穩(wěn)壓器波動(dòng)管雙端斷事故，通過水源初始溫度敏感性分析和抑壓容量敏感性分析，研究非能動(dòng)抑壓及安注集成特性。主要分析的工況清單見表1。

表1 分析工況清單

3.1 水源初始溫度敏感性分析

分別設(shè)置三組不同工況，水源初始水溫依次為50℃（工況1）、65 ℃（工況2）、80 ℃（工況3），其中假設(shè)抑壓水容積和氣空間均為20 m3。事故后安全殼壓力、抑壓-安注水源溫度、堆芯液位及燃料包殼最高溫度隨時(shí)間的變化分別見圖4-圖7。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，水源初始溫度對(duì)安全殼壓力響應(yīng)的影響并不明顯，然而對(duì)堆芯冷卻能力會(huì)造成顯著影響。隨著初始水溫的升高，抑壓冷凝作用對(duì)水源的加熱使其過冷度更低。當(dāng)該抑壓水源作為安注水注入堆芯后，不同工況下的堆芯狀態(tài)呈現(xiàn)出顯著差異：水源初始溫度越高，堆芯裸露時(shí)間越長(zhǎng)，從而造成更高的PCT。對(duì)于初始水溫為80 ℃（工況3）的工況，PCT 達(dá)到1 238 ℃，超過了失水事故限值（1 204 ℃）。

圖4 安全殼壓力（工況1- 工況3）

圖5 抑壓- 安注水源過冷度（工況1- 工況3）

圖6 堆芯水位（工況1- 工況3）

圖7 燃料包殼峰值溫度（工況1- 工況3）

3.2 抑壓容量敏感性分析

抑壓容量反映事故下的抑壓能力，主要取決于抑壓水容積和氣空間容積。工況1（水容積：20 m，氣空間：20 m）和工況4（水容積：15 m，氣空間：15 m）中安全殼壓力、抑壓-安注水源溫度、堆芯液位及燃料包殼最高溫度隨時(shí)間的變化分別見圖8-圖11。可以看出，隨著抑壓容量的降低，安全殼抑壓減弱，壓力的上升幅度更高，對(duì)破口噴放有一定抑制作用，兩個(gè)工況下的水源過冷度則沒有呈現(xiàn)明顯差異。對(duì)于工況1，燃料包殼峰值溫度沒有出現(xiàn)不可控飛升。

圖8 安全殼壓力（工況1、工況4）

圖9 抑壓- 安注水源過冷度（工況1、工況4）

圖10 堆芯水位（工況1、工況4）

圖11 抑壓- 安注水源過冷度（工況1、工況4）

4 結(jié)論

本研究瞄準(zhǔn)壓水堆核動(dòng)力“小型化、輕量化”設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出采用水源集成共用思想的非能動(dòng)抑壓與安注功能集成概念設(shè)計(jì)，采用反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)-安全殼耦合分析方法對(duì)集成系統(tǒng)的事故下的耦合效應(yīng)進(jìn)行量化，通過水源初始溫度、抑壓容量等敏感性分析，為水源集成方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)的選取提供了借鑒。主要得出以下結(jié)論：

（1） 非能動(dòng)抑壓與安注功能集成會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、安全殼和抑壓水源在事故工況下存在較強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)。主要體現(xiàn)在：抑壓能力影響安全殼升溫升壓狀態(tài)，從而影響破口質(zhì)能釋放；抑壓過程導(dǎo)致安注水源升溫，從而影響堆芯冷卻能力。

（2） 采用耦合分析方法能夠有效反映集成系統(tǒng)的耦合效應(yīng)，并挖掘事故分析裕量。敏感性分析結(jié)果表明：抑壓-安注水源初始溫度對(duì)安全殼壓力響應(yīng)的影響不明顯，隨著初始水溫升高，堆芯冷卻能力大幅下降，當(dāng)初始水溫為90 ℃時(shí)，燃料包殼峰值溫度超出限值；降低抑壓水容積和氣空間容積雖然會(huì)削弱安全殼抑壓能力，但有助于堆芯冷卻。