高業(yè)棟，韓良文，夏星漢，馬小春，李 沖，蔡文超

（中國核動力研究設(shè)計院，成都 610005）

1980年12月16日，由原二機部西南反應(yīng)堆工程研究設(shè)計院（現(xiàn)中國核動力研究設(shè)計院）研究設(shè)計的高通量工程試驗堆（High Flux Engi?neering Test Reactor，簡稱HFETR）實現(xiàn)了高功率運行。HFETR 是一座低溫低壓的壓力容器式輕水試驗堆，采用輕水作冷卻劑和慢化劑，以鈹為反射層，主要用于燃料元件考驗、同位素生產(chǎn)和材料輻照加工等。該堆的二回路冷卻劑系統(tǒng)功能是將主冷卻劑熱量有效導(dǎo)出，為HFETR 各輔助系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備提供冷卻水。發(fā)生二次側(cè)水?dāng)嗔魇录r，熱量無法有效導(dǎo)出，此時需要迅速手動停堆，確保堆芯溫度在運行限值以下，防止堆芯熔毀。1981 年2 月9 日，HFETR 在2 600 kW 下運行，由于二次側(cè)水泵故障發(fā)生了二次側(cè)水?dāng)嗔魇录?，控制保護系統(tǒng)發(fā)出了“二次側(cè)水流量低”警告信號后2 min，一次水溫度上升了6℃，運行人員在判定為二次側(cè)水全部中斷事件后，迅速停堆，以保證反應(yīng)堆安全。HFETR安全分析報告對125 MW功率運行下二次側(cè)水?dāng)嗔魍６押蟮挠酂釋?dǎo)出進行了分析，同時根據(jù)安全分析報告，二次側(cè)水?dāng)嗔魇录幚硇枰\行人員立即手動停堆，操作較為保守。由于設(shè)計功率為125 MW，且目前HFETR已完成高濃鈾燃料向低濃鈾燃料轉(zhuǎn)換［1］，由于燃料及裝載的變化，現(xiàn)HFETR 以80 MW 的實際功率運行。根據(jù)目前實際運行工況分析研究事件處理流程，如果機組可以減少人為干預(yù)，則可以降低人因操作失誤引入的安全風(fēng)險。因此，本文假定了HFETR 80 MW 功率運行下二次側(cè)水流量衰減后運行人員不手動干預(yù)的前提，僅依靠反應(yīng)堆保護系統(tǒng)使其自動停堆，計算燃料元件壁溫是否會超過允許運行限值，以補充安全分析報告二次側(cè)水流量衰減事件的安全分析，為事件處理提供一定參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)及模型簡介

功率運行中，HFETR 的一次水由壓力容器上部的主管道進水管嘴流入，通過流體分配器進入壓力容器上部空間，其中，絕大部分冷卻劑在圍桶內(nèi)向下流過堆芯、柵格板以及冷卻堆芯的各部件，小部分（約200 t/h）冷卻劑通過圍桶錐桶上的38個迷宮、錐桶、7個電離室導(dǎo)管之間的環(huán)隙，流入圍桶與壓力殼之間的內(nèi)部熱屏蔽、7個內(nèi)部電離室孔道外的空間、冷卻內(nèi)部熱屏蔽、電離室及壓力容器。這兩部分冷卻劑在柵格板以下空間匯合，通過壓力容器下筒節(jié)處的主管道出水管嘴流出壓力容器。之后，一次水冷卻劑通過與主管道相連的熱交換器，將熱量傳輸給二次側(cè)水，接著，經(jīng)主泵返回壓力容器。各熱交換器及主泵并聯(lián)在堆的進出口母管上。二次側(cè)水為開式系統(tǒng)，從江河中抽取并在換熱后排放至江河。

根據(jù)HFETR 回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［2，3］，本文基于RELAP5［4］建立了HFETR 的回路系統(tǒng)模型，對該模型的計算結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)以及HFETR 專用程序的計算結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明RELAP5 程序完全可用于分析HFETR的事故工況［5-7］。HFETR 回路系統(tǒng)的RELAP5節(jié)點圖劃分如圖1所示。該模型采用單通道模型分析燃料元件的熱工安全［8］，將堆芯冷卻劑通道劃分為燃料元件熱通道、燃料元件平均通道、間隙通道及內(nèi)熱屏蔽與圍桶之間的通道。由于反應(yīng)堆在額定功率運行時，自動棒自動補償反應(yīng)性。停堆后由于控制棒下插所引入的負(fù)反應(yīng)性遠大于燃料、冷卻劑等熱物理參數(shù)變化所引入的反應(yīng)性，因此，本模型在額定功率運行下及停堆后不考慮堆芯燃料、冷卻劑等熱物理參數(shù)變化所引入的負(fù)溫度反饋效應(yīng)。

本文對二次側(cè)水系統(tǒng)進行了簡化處理，控制體206 和214 作為二次側(cè)水系統(tǒng)的溫度邊界值，部件207 用于控制二次側(cè)水流量，部件152和210 分別代表主熱交換器［9］的一次側(cè)水及二次側(cè)水。

2 模型驗證

本文所用的HFETR 反應(yīng)堆的RELAP5 數(shù)值模型已經(jīng)對系統(tǒng)主流量、進出口壓力等系統(tǒng)參數(shù)以及LOCA、外電失電、流量反轉(zhuǎn)事故等進行過驗證及分析［5-7］，模型準(zhǔn)確性良好。同時，本文也根據(jù)目前典型夏季及冬季運行參數(shù)，在RE?LAP5中對80 MW穩(wěn)態(tài)工況進行了模擬計算，用于驗證模型的準(zhǔn)確性，表1給出了RELAP5穩(wěn)態(tài)計算時所用到的輸入?yún)?shù)值。

圖1 HFETR反應(yīng)堆RELAP5節(jié)點圖Fig.1 RELAP5 node diagram of HFETR reactor

基于上述輸入?yún)?shù)，模擬的HFETR 80 MW運行參數(shù)及實際運行參數(shù)見表2。由表2 可見，模擬計算結(jié)果與實際運行參數(shù)吻合較好，證明了該模型可用于后續(xù)瞬態(tài)計算分析。

表2 模擬的反應(yīng)堆出入口溫度運行參數(shù)與實際運行參數(shù)Table 2 Simulated reactor inlet and outlet temperature operating parameters and actual operating parameters

3 二次側(cè)水流量衰減瞬態(tài)計算分析

3.1 事件序列及邊界條件設(shè)定

當(dāng)反應(yīng)堆二次側(cè)水流量衰減及斷流時，假設(shè)反應(yīng)堆運行人員不手動干預(yù)停閉反應(yīng)堆，當(dāng)反應(yīng)堆一次側(cè)水出口溫度達到保護整定值（65 ℃）時，控制保護系統(tǒng)將自動觸發(fā)停堆保護信號，反應(yīng)堆停閉。基于此，本文假設(shè)的二次側(cè)水流量衰減事件序列為：

（1）反應(yīng)堆在80 MW功率下運行；

（2）二次側(cè)水流量衰減事件發(fā)生后，運行人員不手動干預(yù)，反應(yīng)堆繼續(xù)以80 MW功率運行；

（3）當(dāng)反應(yīng)堆出口溫度達到65℃時，控制保護系統(tǒng)觸發(fā)自動停堆；

（4）二次側(cè)水流量衰減30 min 后，人為干預(yù)，保證反應(yīng)堆余熱導(dǎo)出。

根據(jù)以上事故序列，相應(yīng)的RELAP5模型中假設(shè)的瞬態(tài)條件為：

（1）在1 000 s 之前，反應(yīng)堆處于80 MW 功率運行；

（2）1 000 s 時，二次側(cè)水流量衰減，反應(yīng)堆繼續(xù)以80 MW功率運行；

（3）當(dāng)反應(yīng)堆一次水出口溫度達到65℃時，觸發(fā)停堆保護信號，反應(yīng)堆停堆；

（4）2 800 s計算終止。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)計算結(jié)果

基于上述條件，本文以冬季運行參數(shù)對二次側(cè)水流量衰減事件進行模擬計算，分別計算了二次側(cè)水流量衰減至原來的20%、10%、5%及二次側(cè)水?dāng)嗔鳌?/p>

圖2給出了二次側(cè)水流量衰減后反應(yīng)堆功率隨時間的變化。從圖2 中可看出，在1 000 s 之前，反應(yīng)堆處于80 MW 穩(wěn)態(tài)運行工況，二次側(cè)水流量衰減至原來的20%、10%、5%及二次側(cè)水?dāng)嗔魉鶎?yīng)的停堆時間分別為1 266 s、1 228 s、1 214 s 及1 202 s，即二次側(cè)水流量衰減越多，換熱越慢，一次水溫度上升越快。之后控制保護系統(tǒng)觸發(fā)反應(yīng)堆自動停堆，功率迅速下降。

圖2 反應(yīng)堆功率隨時間的變化Fig.2 Changes in reactor power over time

圖3的（a）、（b）、（c）、（d）分別為二次側(cè)水流量衰減至原來的20%、10%、5%及斷流后反應(yīng)堆一次水出入口溫度隨時間的變化。從圖中可看出，在1 000 s 之前，反應(yīng)堆處于80 MW穩(wěn)態(tài)運行工況；在1 000 s 時，二次側(cè)水流量衰減，反應(yīng)堆保持80 MW 運行。此時由于熱交換器出口至反應(yīng)堆入口的一次水溫度較低，反應(yīng)堆出入口溫度并不會立即上升。大約經(jīng)過30 s，反應(yīng)堆出入口溫度開始上升。反應(yīng)堆一次水出口水溫達65℃時，反應(yīng)堆通過保護系統(tǒng)自動停堆，之后一次水入口溫度上升、出口溫度下降，直至一次水出入口溫度相近。圖3 的（a）、（b）、（c）表明，只要二次側(cè)水還有一定的流量，能夠帶走一定的熱量，反應(yīng)堆一次水溫度都會下降。到2 800 s 時，二次側(cè)水流量衰減越少，一次水出入口溫度越低。當(dāng)二次側(cè)水發(fā)生斷流后，一次水中的熱量無法有效導(dǎo)出，由于剩余釋熱的存在，一次水溫度還會緩慢上升，到2 800 s 時，反應(yīng)堆一次水入口及出口溫度分別為60.0℃、60.26℃。

圖3 反應(yīng)堆一次水出入口溫度隨時間的變化Fig.3 Variation of reactor's primary loop inlet and outlet temperature

3.3 元件壁溫瞬態(tài)計算結(jié)果

由于HFETR 燃料元件套管內(nèi)各流道為閉式通道，與其他流道無質(zhì)量、動量和能量交換，故直接在RELAP5中采用單通道模型計算燃料元件熱通道中的各層燃料套管溫度，即圖1中的部件601～609。由于各層燃料套管之間存在肋，還需考慮肋的存在對包殼壁溫的影響，同時還需要考慮工程熱點因子對包殼溫度的影響。本文所采用的肋下溫升和熱點工程因子溫升計算方法見文獻［10］～文獻［12］。本文根據(jù)選用的運行參數(shù)計算在80 MW 運行穩(wěn)態(tài)運行工況下肋下溫升和工程因子溫升最大為35℃。將RELAP5計算的熱盒元件最大壁溫加上該工程因子溫升來考慮肋下溫升及工程熱管熱點因子等影響因素，計算發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆熱盒元件的最大壁溫位于第5層燃料套管。圖4給出了反應(yīng)堆熱盒元件最大壁溫隨時間的變化，圖中二次側(cè)水流量衰減對燃料元件壁溫達到最大值的時間有影響，二次側(cè)水流量衰減越多，燃料元件壁溫更快達到最大值。與停堆時間相對應(yīng)，二次側(cè)水流量衰減至20%、10%、5%及二次側(cè)水?dāng)嗔?，分別在1 266 s、1 228 s、1 214 s 及1 202 s 時包殼壁溫達最大值，其包殼最大壁溫見表3。由于反應(yīng)堆的停堆保護參數(shù)為一次水出口溫度，一旦一次水出口溫度大于65℃，反應(yīng)堆即自動觸發(fā)停堆信號，在堆芯布置相同的情況下，二次側(cè)水流量的變化僅會影響停堆的時刻，停堆時一次水出口溫度都為65℃，即包殼最大壁溫應(yīng)都相同，而模擬計算中由于計算步長及精度的設(shè)置，包殼最大壁溫并不完全相同，但不同二次側(cè)水流量情況下的包殼最大壁溫都在174.7～174.8℃，均小于允許運行限值（195℃）。

表3 不同二次側(cè)水流量情況下的包殼最大壁溫Table 3 Maximum temperature of clad under different decay flow of secondary coolant

圖4 表明，觸發(fā)保護停堆后，燃料元件表面壁溫將快速下降。只要存在二次側(cè)水流量，燃料包殼壁溫都可以保持有效冷卻，不會超過允許運行限值；當(dāng)二次側(cè)水完全斷流時，最終熱阱喪失，在衰變熱的影響下，燃料元件溫度將緩慢升高，到2 800 s，即二次側(cè)水?dāng)嗔靼l(fā)生30 min 后，熱盒元件的最大壁溫為97.30℃，仍小于允許運行限值，反應(yīng)堆仍處于安全狀態(tài)。

圖4 燃料元件表面最高壁溫隨時間的變化Fig.4 Variation of maximum temperature of clad

3.4 小結(jié)

通過計算分析可知，當(dāng)發(fā)生二次側(cè)水流量衰減時，運行人員不手動干預(yù)，通過保護系統(tǒng)中的反應(yīng)堆一次水出口溫度高保護信號，反應(yīng)堆可自動停閉，此時燃料元件壁溫達到最高值174.7～174.8℃，后續(xù)的衰變熱也可被有效導(dǎo)出，反應(yīng)堆處于安全狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生二次側(cè)水?dāng)嗔骱?，燃料元件最大壁溫約達174.8℃，在不進行人為干預(yù)的情況下，30 min后燃料元件壁溫為97.30℃，均小于允許運行限值（195℃），反應(yīng)堆也處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文基于RELAP5 程序，對HFETR 反應(yīng)堆二次側(cè)水流量衰減進行了瞬態(tài)數(shù)值模擬及安全分析。結(jié)果表明，HFETR 反應(yīng)堆在80 MW 額定工況運行時發(fā)生二次側(cè)水流量衰減后半小時內(nèi)不進行人為干預(yù)，僅依靠反應(yīng)堆保護系統(tǒng)自動停堆，燃料元件的壁溫最大值為174.7～174.8℃，小于允許限值（195℃），即使二次側(cè)水完全斷流，在30 min 內(nèi)運行人員可不進行任何操作，反應(yīng)堆仍處于安全狀態(tài)，可避免人因誤操作而引入安全風(fēng)險。