小型堆安全殼抑壓系統(tǒng)瞬態(tài)特性研究

胡魚旺,郭樹生,李德睿,張 偉,帥劍云

(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518026)

近年來,小型壓水堆成為國(guó)內(nèi)外核能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1],為實(shí)現(xiàn)安全殼小型化,保證LOCA事故工況下快速抑制安全殼內(nèi)短期壓力峰值,小型堆主要采用非能動(dòng)抑壓技術(shù)方案。安全殼抑壓系統(tǒng)研發(fā)過程中存在一些特殊的熱工水力現(xiàn)象,如抑壓管進(jìn)出口蒸汽冷凝沖擊現(xiàn)象。針對(duì)該特殊熱工水力現(xiàn)象,需進(jìn)行瞬態(tài)載荷建模分析計(jì)算。

抑壓管進(jìn)出口蒸汽冷凝沖擊現(xiàn)象的示意圖如圖1所示。正常運(yùn)行工況下,安全殼抑壓系統(tǒng)處于備用狀態(tài),抑壓管的兩端將安全殼干井與抑壓池水空間連通。破口類事故工況下,噴放至安全殼干井的高能介質(zhì)通過壓差經(jīng)抑壓管進(jìn)入抑壓池水空間進(jìn)行冷凝,不可凝氣體進(jìn)入抑壓池氣空間,達(dá)到快速抑制安全殼壓力峰值的目的。在抑壓過程中,未充分冷凝的介質(zhì)將在抑壓管和抑壓池水空間內(nèi)形成汽泡,汽泡湮滅過程中將產(chǎn)生較大的沖擊載荷,對(duì)抑壓管和抑壓池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成沖擊破壞,影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1 抑壓管進(jìn)出口蒸汽冷凝沖擊現(xiàn)象示意圖

針對(duì)蒸汽直接接觸冷凝和冷凝模型,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過大量研究工作。上世紀(jì)70年代美國(guó)學(xué)者Kerney等[2]研究了過冷水中的蒸汽射流凝結(jié)現(xiàn)象,對(duì)射流汽羽做了相關(guān)研究;韓國(guó)學(xué)者Chun等[3]采用可視化方法研究了蒸汽淹沒射流直接接觸冷凝的流型;鹿來運(yùn)等[4]采用數(shù)值模擬方法建立換熱器冷凝模型并模擬了相關(guān)流型。馬在勇等[5]研究了事故工況下補(bǔ)水箱內(nèi)可發(fā)生的直接接觸冷凝過程并建立了針對(duì)性的冷凝傳熱計(jì)算方法;劉海強(qiáng)等[6]對(duì)安全殼抑壓系統(tǒng)內(nèi)豎直向下浸沒式蒸汽直接接觸冷凝的流型做了相關(guān)研究;王高宇等[7]模擬了應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)過冷的安注水注入冷管段的過程,安注水與管道內(nèi)的蒸汽發(fā)生直接接觸冷凝會(huì)導(dǎo)致溫度波動(dòng)及壓力振蕩;閆良等[8]采用數(shù)值模擬方法研究了蒸汽直接噴射冷凝過程兩相流特征的變化規(guī)律;研究表明,蒸汽噴放流域內(nèi)壓力波動(dòng)周期隨過冷水溫度升高而降低[9]。針對(duì)不可凝氣體的影響,李海波等[10]通過二維軸對(duì)稱數(shù)值模型研究了空氣等不凝性氣體對(duì)蒸汽射流與過冷水直接接觸冷凝行為和傳熱特性的影響;研究發(fā)現(xiàn),空氣的存在會(huì)增加蒸汽射流的擴(kuò)散程度[11]。

本研究基于熱工水力系統(tǒng)分析軟件LOCUST,對(duì)安全殼抑壓系統(tǒng)內(nèi)抑壓管進(jìn)出口蒸汽直接接觸冷凝沖擊現(xiàn)象開展了研究。

1 系統(tǒng)建模

小型堆安全殼抑壓系統(tǒng)包含L型抑壓管、豎直型抑壓管、抑壓池水空間和抑壓池氣空間等部件,采用系統(tǒng)程序LOCUST對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模。

1.1 抑壓管建模

抑壓管包含L型抑壓管及豎直型抑壓管結(jié)構(gòu),兩種類型抑壓管在水面以下的部分是一致的,L型抑壓管的入口高于水空間的液位,因此只允許水蒸氣及不可凝氣體進(jìn)入,而豎直型抑壓管允許水的汽液兩相混合物及不可凝氣體進(jìn)入。

初態(tài)下,L型抑壓管內(nèi)位于抑壓水池自由液面以上的部分充滿不可凝氣體空氣,這部分空氣對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的計(jì)算影響很小,可以忽略,因此兩種抑壓管采用相同的建模方式,建模節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示。

圖2 抑壓管建模節(jié)點(diǎn)圖

1.2 抑壓系統(tǒng)建模

考慮到抑壓系統(tǒng)的對(duì)稱性,為合理減少計(jì)算量,本研究對(duì)完整系統(tǒng)的一半進(jìn)行建模,包括一半的抑壓池(水空間及氣空間)、1個(gè)L型抑壓管及2個(gè)豎直型抑壓管。此外考慮了抑壓系統(tǒng)幾何布置的不規(guī)則性,將水空間按照抑壓管的分布情況分為三個(gè)區(qū)域,具體如圖3所示。L型抑壓管與水空間區(qū)域A相連,豎直型抑壓管分別與水空間區(qū)域B和C相連。

圖3 抑壓系統(tǒng)截面圖

抑壓池環(huán)形氣空間與水空間區(qū)域A相連,環(huán)形氣空間通過連接管與角空間相連,連接管內(nèi)置爆破膜,兩側(cè)壓差高于爆破壓力時(shí),環(huán)形氣空間與角空間連通,抑壓池氣空間體積增大,可以容納更多的不可凝氣體。抑壓系統(tǒng)的建模節(jié)點(diǎn)圖如圖4所示,綜合考慮抑壓池體積大、形狀不規(guī)則以及抑壓管出口布置形式,將抑壓池水空間分別沿水平和垂直方向進(jìn)行分層,水平方向上相鄰區(qū)域采用多接管部件相連,垂直方向分為三層,其中中間區(qū)域與抑壓管兩側(cè)出口相連,底部區(qū)域與抑壓管底部出口相連。由于環(huán)形氣空間與水空間A和兩個(gè)角空間連接管三個(gè)部件相連,因此采用分支部件模擬來簡(jiǎn)化建模。連接管、角空間均采用單一控制體模擬,連接管與角空間采用觸發(fā)閥相連,以此模擬連接管內(nèi)的爆破膜。

圖4 抑壓系統(tǒng)建模節(jié)點(diǎn)圖

2 抑壓系統(tǒng)計(jì)算

基于上述建模,對(duì)安全殼抑壓系統(tǒng)開展瞬態(tài)計(jì)算,考慮了波動(dòng)管破口及噴淋管破口兩種事故工況,并研究了不可凝氣體對(duì)抑壓系統(tǒng)瞬態(tài)特性的影響。

2.1 邊界條件

如上所述,抑壓系統(tǒng)內(nèi)的抑壓管分別為L(zhǎng)型和豎直型,幾何結(jié)構(gòu)直接影響了入口流體的狀態(tài),L型抑壓管僅允許水蒸氣及空氣進(jìn)入,因此入口流體僅包含氣相,而豎直型抑壓管入口流體包含氣液兩相。兩種事故工況下,L型抑壓管入口流量如圖5所示。500 s之前,L型抑壓管的流量在波動(dòng)管破口事故下更大,而500 s之后,在噴淋管破口事故工況下流量更大且變化更劇烈。

圖5 L型抑壓管入口流量

豎直型抑壓管入口流量情況如圖6所示,其流量變化情況相較于L型抑壓管更為劇烈。500 s之前,豎直型抑壓管入口液相及氣相流量,在波動(dòng)管破口事故工況下變化更劇烈;500 s之后,豎直型抑壓管幾乎都沒有液相水進(jìn)入,而氣相流量的變化情況在噴淋管破口事故下更為劇烈。

2.2 典型事故工況計(jì)算

對(duì)波動(dòng)管破口事故、噴淋管破口事故兩組典型事故工況下抑壓系統(tǒng)的瞬態(tài)特性開展模擬,通過計(jì)算可以得到事故發(fā)生后半小時(shí)內(nèi)安全殼抑壓系統(tǒng)內(nèi)不同部件、位置處,溫度、壓力、流量、含氣率等參數(shù)隨時(shí)間的變化情況。抑壓管內(nèi)壓力的變化情況如圖7所示。

圖7 典型事故工況下抑壓管內(nèi)壓力變化

可以看出,破口事故發(fā)生后,隨著水蒸氣進(jìn)入抑壓系統(tǒng),抑壓管內(nèi)壓力波動(dòng)較為劇烈。事故初期約100s之內(nèi),氣相流量較大時(shí),抑壓管內(nèi)壓力波動(dòng)較弱,如波動(dòng)管破口事故及噴淋管破口事故下的L型抑壓管;氣相流量較小時(shí),抑壓管內(nèi)壓力振蕩更為劇烈,噴淋管破口事故工況下,豎直型抑壓管內(nèi)的壓力振蕩相對(duì)更為劇烈。事故發(fā)生后半小時(shí)內(nèi),抑壓管內(nèi)壓力變化范圍基本在0.05～0.3 MPa之間,從工程應(yīng)用的角度出發(fā)較為安全。

波動(dòng)管破口事故下,抑壓池水空間及環(huán)形氣空間的壓力變化如圖8所示。從圖中可以看出,破口事故發(fā)生后的半小時(shí)內(nèi),抑壓池水空間壓力持續(xù)振蕩,但波動(dòng)程度遠(yuǎn)小于抑壓管內(nèi)的壓力波動(dòng)情況,水空間的壓力基本維持在一個(gè)較低的水平,說明高能介質(zhì)進(jìn)入抑壓池充分冷凝后,抑壓系統(tǒng)可以有效抑制壓力的上升。環(huán)形氣空間處于系統(tǒng)的下游,壓力較小,且?guī)缀鯖]有壓力振蕩的情況,體現(xiàn)了建模的合理性。

圖8 抑壓池水空間及環(huán)形氣空間壓力變化

兩種事故工況下,抑壓池水空間的溫度變化情況如圖9所示。500 s之前,波動(dòng)管破口事故下兩種抑壓管的入口流量更大,抑壓池水空間溫度上升更快;500 s之后,波動(dòng)管破口事故下入口流量較小,水池溫度上升較慢。波動(dòng)管破口事故下,高溫水的總流量更大,尤其是液相遠(yuǎn)大于噴淋管破口事故,因此抑壓池水溫上升得更多,達(dá)到了近75℃,噴淋管破口事故下水池溫度上升至69℃。

圖9 抑壓池水空間溫度變化對(duì)比

2.3 不可凝氣體對(duì)系統(tǒng)的影響

反應(yīng)堆安全殼內(nèi)充滿不可凝氣體空氣,發(fā)生破口事故后,高能量的水蒸氣在進(jìn)入抑壓系統(tǒng)的同時(shí),也會(huì)夾帶一定量的空氣,大量不可凝氣體進(jìn)入抑壓池氣空間,會(huì)造成抑壓系統(tǒng)壓力的上升。

針對(duì)噴淋管破口事故工況,假設(shè)入口不可凝氣體的質(zhì)量份額為25%,經(jīng)計(jì)算得到抑壓系統(tǒng)各部件、位置的關(guān)鍵參數(shù),抑壓管內(nèi)的壓力變化情況如圖10所示。由于不可凝氣體持續(xù)進(jìn)入抑壓系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)壓力逐漸上升,在700 s左右接近安全殼承壓限值,此時(shí)氣空間與安全殼內(nèi)大空間通過閥門連通,壓力維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。相較于不考慮不可凝氣體的工況,該組工況下抑壓管內(nèi)壓力振蕩強(qiáng)度較弱,振蕩范圍不超過0.1 MPa。

圖10 入口流體含不可凝氣體時(shí)抑壓管內(nèi)壓力變化

該組工況下,抑壓池水空間溫度變化情況如圖11所示。入口流體無不可凝氣體時(shí),抑壓池水溫在半小時(shí)后上升至69℃,入口含25%空氣時(shí),抑壓池水溫上升至66℃左右,低于前者。入口氣相流體內(nèi)含不可凝氣體越多,進(jìn)入抑壓系統(tǒng)的高溫水蒸氣越少,攜帶的能量越少,因此抑壓池水溫上升越少。

圖11 入口流體含不可凝氣體時(shí)抑壓池水溫變化

3 結(jié)論

針對(duì)安全殼抑壓系統(tǒng)抑壓管進(jìn)出口蒸汽冷凝沖擊現(xiàn)象,本研究采用熱工水力系統(tǒng)分析軟件LOCUST進(jìn)行了建模與計(jì)算,考慮了波動(dòng)管破口、噴淋管破口兩種典型事故工況,分析了不可凝氣體對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)特性的影響,結(jié)果表明:

(1)大量高能水蒸氣進(jìn)入抑壓池水空間后發(fā)生直接接觸冷凝,可以有效抑制壓力的上升。

(2)抑壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中,抑壓管內(nèi)壓力持續(xù)振蕩,抑壓池水溫逐漸上升,入口流量波動(dòng)越劇烈,抑壓管內(nèi)壓力振蕩越強(qiáng)。

(3)不可凝氣體進(jìn)入抑壓系統(tǒng)后在氣空間聚集,造成系統(tǒng)壓力上升,不可凝氣體成分越多,系統(tǒng)壓力越高,溫度越低;不可凝氣體一定程度上抑制了抑壓管內(nèi)壓力的振蕩。