模塊式小型堆非能動(dòng)堆芯冷卻相關(guān)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析

蔡志云

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 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 610041)

多用途模塊式小型堆(ACP100)采用“一體化”的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)技術(shù)和“非能動(dòng)”的安全系統(tǒng)，具備比較完善的嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解措施，并吸收了福島核電站事故的經(jīng)驗(yàn)反饋，其安全性達(dá)到了第三代核能技術(shù)水平。

ACP100電廠中的非能動(dòng)堆芯冷卻相關(guān)系統(tǒng)由非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS系統(tǒng))、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS系統(tǒng))和自動(dòng)卸壓系統(tǒng)(RDP系統(tǒng))組成，是核電廠中的安全相關(guān)系統(tǒng)，在發(fā)生小LOCA事故時(shí)，可以向堆芯提供非能動(dòng)安全注射以確保足夠的堆芯冷卻。

非能動(dòng)堆芯冷卻相關(guān)系統(tǒng)可以提供4種非能動(dòng)注射水源，包括兩臺(tái)堆芯補(bǔ)水箱所提供的較長(zhǎng)時(shí)間較大的注射流、兩臺(tái)安注水箱在數(shù)分鐘內(nèi)所提供的非常大的注射流、一個(gè)內(nèi)置換料水箱所提供的很長(zhǎng)時(shí)間較小的注射流以及當(dāng)三個(gè)水源完成注射后，受淹的安全殼成為長(zhǎng)期的水源，以自然循環(huán)方式為堆芯提供長(zhǎng)期再循環(huán)冷卻。

為了保證內(nèi)置換料水箱的水可以通過重力注入，ACP100電廠中還設(shè)置了自動(dòng)卸壓系統(tǒng)(RDP系統(tǒng))。在小LOCA發(fā)生時(shí)，該系統(tǒng)可以逐級(jí)卸壓，一方面通過降低RCS壓力來可以降低破口流量，另一方面允許低壓水源的注入。

因此，本文對(duì)PXS系統(tǒng)、RCS系統(tǒng)和RDP系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，分析小LOCA事故下的堆芯安全注入流量，以驗(yàn)證系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)建模

1.1 非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介

非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)由兩臺(tái)堆芯補(bǔ)水箱(CMT)、兩臺(tái)安注箱(CMT)、一臺(tái)內(nèi)置換料水箱(IRWST)以及相連的管道和閥門組成，系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

1.2 堆芯補(bǔ)水箱

堆芯補(bǔ)水箱PXS 001/002 BA采用“Reservoir : Finit Area(單接口水箱)”來模擬，其中接口用來為上充回路提供水源。元件參數(shù)如表1所示。

表1 堆芯補(bǔ)水箱的元件參數(shù)

1.3 安注箱

安注箱內(nèi)貯存有含硼水，采用絕對(duì)壓力約為6.0 MPa的氮?dú)飧采w。本文采用儲(chǔ)液罐元件“Accumulator: Bladder-Variable Geometry”來模擬。元件參數(shù)如表3所示。

表2 安注箱的元件參數(shù)

1.4 內(nèi)置換料水箱

換料水箱采用“Reservoir : 2 Arm(兩接口水箱)”來模擬，由兩接口引出兩注入系列支路。元件參數(shù)如下：

表3 內(nèi)置換料水箱的元件參數(shù)

2 仿真方案

2.1 工作介質(zhì)

系統(tǒng)的工質(zhì)為含硼水，其密度隨壓力和溫度的變化如圖2所示。

圖2 含硼水特性曲線

2.2 小LOCA事故仿真工況

發(fā)生小LOCA事故工況時(shí)，穩(wěn)壓器壓力和液位迅速降低。當(dāng)穩(wěn)壓器液位低于設(shè)定值時(shí)，堆芯補(bǔ)水箱自動(dòng)投入，向RCS系統(tǒng)提供高壓的含硼水。當(dāng)堆芯補(bǔ)水箱液位低于67.5%時(shí)，RDP系統(tǒng)第1級(jí)和第2級(jí)自動(dòng)投入，以實(shí)現(xiàn)RCS系統(tǒng)的逐級(jí)降壓。

隨后，當(dāng)RCS系統(tǒng)壓力低于安注箱的設(shè)定壓力時(shí)，安注箱出口止回閥自動(dòng)打開，實(shí)現(xiàn)含硼水的快速注入。

當(dāng)前兩級(jí)安注水源無法緩解事故時(shí)，RDP系統(tǒng)第3級(jí)閥門自動(dòng)打開，將RCS系統(tǒng)壓力降低至大氣壓附近，此時(shí)，內(nèi)置換料水箱的重力注水開始。

在最終冷卻階段，安全殼再循環(huán)注入電動(dòng)閥和氣動(dòng)閥自動(dòng)打開，再循環(huán)地坑內(nèi)的水經(jīng)再循環(huán)濾網(wǎng)進(jìn)入反應(yīng)堆，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期冷卻。

因此，為能對(duì)非能動(dòng)堆芯冷卻相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，將小LOCA工況劃分成兩種工況：

工況1：小LOCA事故下RDP瞬態(tài)運(yùn)行工況，該工況主要模擬目的在于得到RCS系統(tǒng)發(fā)生小LOCA事故下的壓力變化，為PXS安注系統(tǒng)確定計(jì)算邊界。

工況2：小LOCA事故下PXS和RCS系統(tǒng)的瞬態(tài)運(yùn)行，模擬安注流量和壓力的變化。

2.3 系統(tǒng)管網(wǎng)模型

為了進(jìn)行3.2節(jié)兩類工況的仿真分析，分別建立了PXS系統(tǒng)和RCS系統(tǒng)聯(lián)合仿真的管網(wǎng)模型和RDP系統(tǒng)的管網(wǎng)模型，分別如圖3和圖4所示。

圖3 PXS系統(tǒng)和RCS系統(tǒng)的管網(wǎng)

圖4 RDP系統(tǒng)的管網(wǎng)

3 小LOCA事故聯(lián)合仿真分析

3.1 小LOCA事故下RDP瞬態(tài)運(yùn)行工況

堆芯補(bǔ)水箱液位降低至67.5%后，延遲20 s，開啟RDP系統(tǒng)第1級(jí)隔離閥，隨后，按照一定的時(shí)間延遲逐級(jí)開啟各級(jí)隔離閥和卸壓閥，閥門的控制邏輯見圖5。

圖5 RDP系統(tǒng)閥門的控制

發(fā)生小LOCA事故后，按照事故的實(shí)際進(jìn)程，模擬RDP系統(tǒng)閥門開啟后的RCS壓力變化，如圖6所示。

圖6 RCS破口壓力變化

從圖6中可以看出，在小LOCA事故下，隨著3級(jí)閥門的開啟，RCS壓力快速下降。在2級(jí)閥門開啟后，壓力即快速下降到60 bar(1 bar=105Pa)以下。

3.2 小LOCA事故下PXS系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)行

將4.1節(jié)計(jì)算得到的RDP系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)行下RCS破口壓力變化作為PXS系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)行的計(jì)算輸入，對(duì)非能動(dòng)堆芯冷卻相關(guān)系統(tǒng)開展聯(lián)合仿真分析。

3.2.1 水箱水位變化

通過仿真分析，得到含硼水箱的水位變化如圖7所示。

圖7 水箱液位變化

從圖7可以看出，在小LOCA事故下，隨著RCS系統(tǒng)壓力下降，各水箱陸續(xù)投入工作。CMT堆芯補(bǔ)水箱水位逐漸下降，直到RCS系統(tǒng)壓力快速下降到ACC安注箱工作壓力時(shí)停止注入。此時(shí)，ACC安注箱投入工作，水位不斷下降直到全部排空停止工作。而由于RDP三級(jí)閥門不斷開啟，RCS系統(tǒng)壓力繼續(xù)快速下降，IRWST換料水箱投入工作進(jìn)行長(zhǎng)期注入，同時(shí)CMT堆芯補(bǔ)水箱剩余水也將繼續(xù)注入到RCS系統(tǒng)內(nèi)。

3.2.2 安注流量

小LOCA事故后，非能動(dòng)安全注入系統(tǒng)自動(dòng)投入，按照事故進(jìn)展順序，依次向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)提供4種非能動(dòng)水源。隨著系統(tǒng)壓力的變化，非能動(dòng)注入的水流量也發(fā)生變化。通過仿真分析，得到小LOCA事故后，各類非能動(dòng)水源的注入流量變化如圖8所示。

圖8 各水箱的安注流量

從圖8可以看出，CMT安注時(shí)最大注入流量可達(dá)到153.63 t/h，ACC安注箱注入時(shí)最大流量可達(dá)300 t/h，而IRWST換料水箱流量減小較慢，116.63～109.14 t/h。ACC安注箱流量先增后減是因?yàn)镽CS壓力快速下降引起安注壓差先大后小。

3.2.3 安注壓力

由圖9可知：CMT堆芯補(bǔ)水箱出口壓力與RCS系統(tǒng)破口壓力保持同步，ACC安注箱出口壓力由60 bar下降到8.615 bar，而IRWST換料水箱出口壓力為5.47 bar。

4 結(jié) 論

通過在Flowmaster中建立合理的模型，本文得到了模塊式小型堆的非能動(dòng)堆芯冷卻相關(guān)系統(tǒng)在正常的小LOCA事故下的運(yùn)行特性，包括各水箱的液位、安注流量和安注壓力等，仿真結(jié)果反應(yīng)了系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)特性，可以為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供一定的理論依據(jù)。