朱 磊，陳立新，江新標(biāo)，趙柱民，周永茂

(1.西北核技術(shù)研究所，西安 710024;2.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)中原對(duì)外工程公司，北京 100191)

1 前言

醫(yī)院中子照射器是一種細(xì)胞尺度內(nèi)治療癌癥的新型核技術(shù)醫(yī)療設(shè)施。作為醫(yī)療設(shè)施不可或缺的重要部分，醫(yī)院中子照射器I型堆(IHNI－1)在治療癌癥過(guò)程中為患者提供滿(mǎn)足要求的中子束流。隨著醫(yī)院中子照射器的臨床應(yīng)用和普及，將其建造在人口稠密的城市中的醫(yī)院是必然趨勢(shì)。因此，其安全性顯得格外重要。IHNI－1堆依靠低溫、常壓水的全自然循環(huán)冷卻，采用熔點(diǎn)為2849℃的UO2陶瓷燃料元件。該反應(yīng)堆具有約為0.5元的后備反應(yīng)性，冷卻劑溫度系數(shù)約為－0.1 mk/℃，反應(yīng)堆堆芯密封容器浸在池水中并與池水隔離，有效地限制了放射性的釋放，同時(shí)提升了反應(yīng)堆的固有安全性。

采用輕水堆瞬態(tài)分析程序RELAP5/SCDAP/MOD3.4[1]，對(duì) IHNI－ 1 堆在大反應(yīng)性引入和池水喪失事故工況下的瞬態(tài)特性進(jìn)行研究。

2 反應(yīng)堆簡(jiǎn)介及控制體劃分

2.1 反應(yīng)堆簡(jiǎn)介

IHNI－1堆是一座低溫、低壓、依靠自然循環(huán)冷卻的罐—池式反應(yīng)堆。IHNI－1堆芯結(jié)構(gòu)如圖1所示。堆芯燃料從內(nèi)到外分為10圈，裝載340根UO2燃料棒，燃料包殼材料為Zr－4合金，燃料芯體和包殼之間存在氦氣氣隙[2]。堆芯產(chǎn)生的熱量使堆芯部分的水溫升高，密度減小;由于水的密度差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭使堆內(nèi)的水產(chǎn)生流動(dòng)，堆芯部分的水經(jīng)過(guò)頂鈹和側(cè)鈹之間的間隙流出，在筒體上部混合。筒體和堆水池之間存在熱交換，使靠近筒壁的水溫降低，溫度較低的水通過(guò)堆芯側(cè)鈹和筒體間的間隙，流到筒體底部，再經(jīng)過(guò)底鈹和側(cè)鈹之間的環(huán)形間隙流入堆芯，形成自然循環(huán)。

圖1 IHNI－1堆芯結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of IHNI-1 reactor core

2.2 控制體劃分

基于RELAP5/SCDAP/MOD3.4程序，對(duì)IHNI－1堆進(jìn)行控制劃分，如圖2所示。堆芯劃分成兩個(gè)通道，一個(gè)通道包含第一圈燃料元件，另一個(gè)通道包含剩余所有燃料元件，分別由控制體130和112表示?？刂企w110～117代表筒內(nèi)冷卻水，118代表筒外水池。緊靠112、118深色部分是熱構(gòu)件，分別代表堆內(nèi)燃料元件和筒壁。控制體119和120代表環(huán)境大氣，為筒內(nèi)外冷卻水提供一個(gè)穩(wěn)定的壓力邊界[2]。

圖2 IHNI－1堆控制體劃分圖Fig.2 Volumes schematic diagram of IHNI－1 reactor

3 計(jì)算結(jié)果及分析

筆者就IHNI－1瞬態(tài)安全特性，分別對(duì)大反應(yīng)性引入和池水喪失這兩種事故工況進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 大反應(yīng)性引入事故工況

在大反應(yīng)性引入之前，IHNI－1堆可能處在不同的初始功率狀態(tài)，此處就以下兩種初始功率進(jìn)行計(jì)算:a.零功率(0.01 W);b.額定功率(30 kW)。假定水池初始溫度為25℃，在引入反應(yīng)性之前，讓程序以transnt運(yùn)行模式運(yùn)行至20000 s，使整個(gè)反應(yīng)堆處在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況，然后以restart運(yùn)行模式引入6 mk反應(yīng)性。

就以上兩種初始功率分別計(jì)算至反應(yīng)性引入后2000 s。圖3～圖5表示引入6 mk反應(yīng)性后，反應(yīng)堆功率和總反應(yīng)性，堆芯進(jìn)、出口空泡份額，堆芯進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

圖3 功率和反應(yīng)性隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.3 Power and reactivity variation with time

在冷卻劑負(fù)溫度效應(yīng)作用下總反應(yīng)性很快下降，并且由于引入反應(yīng)性較大，兩種情況都出現(xiàn)了瞬發(fā)功率峰值。初始功率為30 kW的事故工況下緩發(fā)功率峰值較大，導(dǎo)致燃料棒溫度更高，因此在堆芯出口處產(chǎn)生更多的汽泡，如圖4(b)所示。由圖5分析可知，當(dāng)引入正反應(yīng)性后，堆芯入口溫度持續(xù)增長(zhǎng)，這是因?yàn)樽匀谎h(huán)是一種非能動(dòng)的循環(huán)方式，功率增長(zhǎng)時(shí)，自然循環(huán)冷卻能力相對(duì)不足，從而引起堆芯筒體內(nèi)水溫度的升高。初始功率為30 kW事故工況堆芯出口溫度更高，但仍低于該工況下水的飽和溫度，堆芯處于過(guò)冷沸騰換熱方式。

3.2 池水喪失事故工況

假設(shè)發(fā)生事故前，反應(yīng)堆處在初始臨界狀態(tài)，功率為30 kW。堆池完好的時(shí)候，池水容積為48 m3。發(fā)生地震導(dǎo)致池體開(kāi)裂，池水外泄使堆芯鋁筒體完全裸露，反應(yīng)堆仍在運(yùn)行中，堆芯鋁筒體保持完好，筒內(nèi)冷卻水依靠筒體和空氣自然循環(huán)進(jìn)行冷卻。在正式計(jì)算事故前同樣以transnt運(yùn)行模式運(yùn)行至20000 s。

圖4 空泡份額隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.4 Void fraction variation with time

圖5 堆芯出、入口冷卻劑溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.5 Core inlet and outlet temperature variation with time

假定堆池破口直徑為100 mm，破口流量以圓筒壁孔口流[3]近似估計(jì)，破口流量為

式中:A0為破口面積，m2;μ為流量系數(shù);h為堆池水位至破口的高度，m;g為重力加速度，m/s2。

圖6～圖8為發(fā)生池水喪失事故后22 h內(nèi)，IHNI－1堆反應(yīng)堆功率和反應(yīng)性、堆芯進(jìn)口和出口溫度、燃料芯體溫度隨時(shí)間的變化。

發(fā)生事故后，堆池水泄漏，堆芯密封容器向外傳熱能力減弱，鋁筒內(nèi)冷卻劑溫度升高，堆芯入口溫度升高，由于冷卻劑溫度的負(fù)反饋效應(yīng)，功率迅速降低，燃料芯體溫度也隨之降低。從以上計(jì)算結(jié)果可以看出發(fā)生池水喪失事故后，由于冷卻劑溫度負(fù)反饋效應(yīng)，反應(yīng)堆能夠穩(wěn)定在較低功率，確保裝置安全。

圖6 功率和反應(yīng)性隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.6 Power and reactivity variation with time

4 結(jié)語(yǔ)

IHNI－1堆依靠低溫、常壓水全自然循環(huán)冷卻，具有－0.1 mk/℃的冷卻劑溫度反應(yīng)性系數(shù)，固有安全性很高。在零功率或額定功率運(yùn)行下意外引入6 mk正反應(yīng)性時(shí)，依靠其自穩(wěn)特性，反應(yīng)堆能穩(wěn)定在一定功率水平。額定功率運(yùn)行下發(fā)生大反應(yīng)性引入事故較零功率運(yùn)行下結(jié)果更惡劣，但堆芯出口最高溫度為97.9℃，仍低于當(dāng)?shù)仫柡蜏囟?11.4℃，燃料芯體和包殼最高溫度遠(yuǎn)低于其熔化溫度。

圖7 堆芯進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.7 Core inlet and outlet temperature variation with time

圖8 燃料芯體溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 Fuel temperature variation with time

當(dāng)發(fā)生地震導(dǎo)致池體開(kāi)裂，池水外泄使堆芯鋁筒體完全暴露在空氣中時(shí)，堆芯依靠非能動(dòng)自然循環(huán)和冷卻劑溫度負(fù)反饋效應(yīng)，使反應(yīng)堆功率降低到足夠小，依靠空氣自然循環(huán)帶走堆芯產(chǎn)生熱量，燃料和堆芯筒體內(nèi)水溫度維持在較低水平，不會(huì)出現(xiàn)持續(xù)升高的現(xiàn)象。

[1] 蘇 云，許以全，曹學(xué)武，等.SCDAP/RELAP5程序結(jié)構(gòu)及嚴(yán)重事故有關(guān)的模型概述[J] .核動(dòng)力工程，2003，24(6):51－55.

[2] 江新標(biāo)，張文首，高集金，等.低濃化醫(yī)院中子照射器(IHNI－1)堆芯的物理方案設(shè)計(jì)[J] .中國(guó)工程科學(xué)，2009，11(11):17－21.

[3] 張鴻雁，張志政，王 元.流體力學(xué)[M] .北京:科學(xué)出版社，2004.