邰永　余華金

摘 要：論述了CEFR事故余熱排出系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理，給出了該系統(tǒng)熱工流體計(jì)算的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并由此編制了該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱工水力計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)果與已有數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性，對(duì)后續(xù)的快堆事故余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：CEFR；事故余熱排出系統(tǒng)；穩(wěn)態(tài)；熱工流體

中圖分類號(hào)：TL353.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）09-0146-03

1 事故余熱排出系統(tǒng)的作用

中國實(shí)驗(yàn)快堆（以下簡(jiǎn)稱CEFR）是我國第一座快堆，相比于壓水堆，快堆具有增殖和嬗變的兩大優(yōu)勢(shì)，是第四代核能系統(tǒng)的優(yōu)選堆型。

事故余熱排出系統(tǒng)作為CEFR快堆最重要的專設(shè)安全設(shè)施之一，是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆在事故工況下余熱排出的安全功能的主要手段，對(duì)保持堆的各屏障的完整性，避免放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境釋放具有重要作用。

當(dāng)快堆運(yùn)行中遭遇地震作用、系統(tǒng)供電全部中斷以及所有蒸汽發(fā)生器供水中斷的情況時(shí)，其堆芯熱量無法通過主熱傳輸系統(tǒng)的一、二、三回路正常導(dǎo)出，為了能夠有效導(dǎo)出堆芯余熱，避免發(fā)生堆芯熔化等重大事故，在快堆中設(shè)置了專門用于堆芯余熱排出的事故余熱排出系統(tǒng)，依靠這個(gè)系統(tǒng)使堆芯和整個(gè)反應(yīng)堆得到冷卻，保證燃料棒、堆內(nèi)構(gòu)件和堆容器處于可接受的溫度限值范圍內(nèi)，從而保障反應(yīng)堆的安全。

2 CEFR事故余熱排出系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理

CEFR事故余熱排出系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。由圖中可以看出，系統(tǒng)包含3個(gè)回路，即堆芯回路、中間回路和空冷器冷卻回路。堆芯回路包括堆芯、熱鈉池、中間熱交換器、冷池、泵和柵板聯(lián)箱；中間回路包括獨(dú)立熱交換器管側(cè)和空冷器管側(cè)；空冷器冷卻回路包括風(fēng)門、空冷器殼側(cè)和通風(fēng)塔。

堆芯回路由堆芯、熱鈉池、中間熱交換器、冷池、泵和柵板聯(lián)箱組成。一次鈉泵從冷池吸入冷鈉，由泵加壓后送到柵板聯(lián)箱，經(jīng)過堆芯加熱后，冷鈉變成熱鈉，在熱鈉池交混后進(jìn)入中間熱交換器，重新流入冷池，這樣就完成一個(gè)回路的循環(huán)。

中間回路由獨(dú)立熱交換器管側(cè)、空冷器管側(cè)和回路管道構(gòu)成。獨(dú)立熱交換器安放在熱鈉池主容器和擋板構(gòu)成的環(huán)隙內(nèi)，它為管殼結(jié)構(gòu)，一次鈉從殼的上部窗口進(jìn)入，經(jīng)管間向下流，然后從殼的下部窗口回到環(huán)隙下部。二次鈉從獨(dú)立熱交換器頂部進(jìn)入中央下降管，流到底部腔室后轉(zhuǎn)向進(jìn)入傳熱管內(nèi)，鈉從傳熱管內(nèi)自下而上流過，進(jìn)入上腔室，然后進(jìn)入回路管，流到空冷器的上集流管，再經(jīng)傳熱管流向下集流管，最后經(jīng)回路管回到獨(dú)立熱交換器，構(gòu)成一個(gè)封閉回路。

空冷器冷卻回路包括風(fēng)門、空冷器殼側(cè)和通風(fēng)塔?？諝鈴目绽淦飨虏匡L(fēng)門進(jìn)入，經(jīng)空冷器傳熱管間隙流過，最后由通風(fēng)塔排到大氣，可近似看作一個(gè)回路。為了模擬衰變熱排放過程，建立了系統(tǒng)計(jì)算的簡(jiǎn)化模型如圖2所示[1-3]。

3 事故余熱排出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)換熱計(jì)算

為了驗(yàn)證系統(tǒng)以及系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備的設(shè)計(jì)是否滿足預(yù)先的要求，需要對(duì)系統(tǒng)在名義冷卻工況下的主要技術(shù)特性和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

4 事故余熱排出系統(tǒng)推動(dòng)力和阻力計(jì)算

獨(dú)立熱交換器置于反應(yīng)堆鈉池中，處于熱態(tài)。空氣熱交換器是通過空氣將熱散入大氣，處于冷態(tài)。兩者之間形成溫差。同時(shí)由于兩者標(biāo)高不同，形成位差。因此，溫差和位差形成自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力。此推動(dòng)力克服在回路中流經(jīng)管道和設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的阻力。在穩(wěn)態(tài)工況下，系統(tǒng)的自然循環(huán)推動(dòng)力與系統(tǒng)的管道和設(shè)備阻力總是相等的，即P動(dòng)=P阻。

在計(jì)算系統(tǒng)中間回路的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，做了如下近似假設(shè)：

回路時(shí)絕熱的，即上行管道時(shí)等溫的熱態(tài)溫度，下行管道是等溫的冷態(tài)溫度。

在熱交換器的管道中溫度沿高度呈線性變化。

自然循環(huán)的推動(dòng)力公式為：

P動(dòng)=g×β×ρc×（T2out-T2in）×（ZX-ZF）

g為重力加速度，β為鈉體積膨脹系數(shù)，ρc為冷態(tài)流體密度，T2out為熱態(tài)流體溫度，T2in為冷態(tài)流體溫度，ZX為空氣熱交換器散熱段中心標(biāo)高，ZF為獨(dú)立熱交換器吸熱段中心標(biāo)高。

系統(tǒng)中獨(dú)立熱交換器和空氣熱交換器的阻力計(jì)算在前面已經(jīng)給出，本節(jié)只給出管道的阻力計(jì)算。系統(tǒng)中間回路的管道可以看作是許多直管和彎管的組合，因此管道內(nèi)的流動(dòng)阻力將由摩擦壓降和局部壓降來決定。

4.1 由摩擦力引起的壓力損失

計(jì)算按下列公式進(jìn)行：

5 CEFR事故余熱排出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)果

根據(jù)上節(jié)給出數(shù)學(xué)模型，利用Fortran語言編制了CEFR事故余熱排出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱工水力計(jì)算程序，通過對(duì)獨(dú)立熱交換器和空氣熱交換器以及相對(duì)應(yīng)的三條回路進(jìn)行建模和計(jì)算，得到CEFR事故余熱排出系統(tǒng)名義冷卻工況下的熱工水力參數(shù)如表2所示。

通過上表可以看出，三條回路的流量和溫度參數(shù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)的誤差都在1%以內(nèi)，結(jié)果吻合較好。這就驗(yàn)證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型和計(jì)算方法的正確性?？梢詫⑦@種數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法應(yīng)用到后續(xù)的大型商業(yè)快堆的事故余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，可以將設(shè)計(jì)的獨(dú)立熱交換器和空冷器放入到程序中進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證設(shè)備的設(shè)計(jì)是否滿足系統(tǒng)的性能要求，也可以通過程序?qū)υO(shè)備的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及系統(tǒng)整體參數(shù)進(jìn)行修改，最終得到滿足系統(tǒng)要求的設(shè)計(jì)結(jié)果，這對(duì)于后期的示范快堆事故余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。

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