盧忝余 袁光輝 張思原 王媛美 黃擎宇

中圖分類號(hào)： TL413 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.003

0 引言

本文介紹了一種新型的管式-池式鈉冷快堆系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的失流事故做了分析計(jì)算，對(duì)緩沖池內(nèi)溫度分布做了簡(jiǎn)要計(jì)算，對(duì)失流事故發(fā)生后，緩沖池內(nèi)出現(xiàn)的熱分層現(xiàn)象、整體溫度上升現(xiàn)象做了分析。

1 背景介紹

國(guó)際上已建成的鈉冷快堆系統(tǒng)一回路基本分為兩種，池式系統(tǒng)與管式系統(tǒng)。管式系統(tǒng)在日本較為成熟，例如JOYO與MONJU等較著名的鈉冷快堆設(shè)計(jì)都采用這種一回路布置方案[1-2]。管式系統(tǒng)的特征為中間熱交換器（IHX）、主循環(huán)泵和反應(yīng)堆堆芯采用分開布置的方案，冷卻劑通過管道流經(jīng)這些系統(tǒng)主要部件，其結(jié)構(gòu)示意如圖1。管式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)較緊湊，同時(shí)由于各主要部件可以采用模塊化的組裝形式，因此較容易維修與檢查。然而管式系統(tǒng)也存在較明顯的缺點(diǎn)：由于管道承載冷卻劑的流動(dòng)，因此較容易發(fā)生冷卻劑泄露事故;系統(tǒng)緊湊會(huì)導(dǎo)致回路中冷卻劑裝載量較少，因此熱慣性較低。另外管式系統(tǒng)還存在建造成本較高的問題。

另一種主流系統(tǒng)采用的是池式結(jié)構(gòu)，例如EBR-II、BN-600以及鳳凰系列都采用這種設(shè)計(jì)方案[3]。池式的特征為一回路中主要部件，例如堆芯、主循環(huán)泵、IHX、余熱排出系統(tǒng)等，都浸沒在液態(tài)金屬池中，如圖2所示。池式結(jié)構(gòu)中存在大量液態(tài)金屬冷卻劑，因此熱慣性很高，這在安全性方面非常重要。同樣，由于所有一回路部件都浸沒在池子中，所以較難發(fā)生冷卻劑泄露事故，而且對(duì)生物屏蔽的要求也可以簡(jiǎn)化。然而在池式結(jié)構(gòu)中，主泵、中間熱交換器以及連接管道等部件在鈉池中的布置會(huì)成為設(shè)計(jì)者們考慮的問題之一。并且由于主要部件都浸沒在鈉池中，所以一回路系統(tǒng)較臃腫。另外由于在設(shè)計(jì)中通常采用冷池-熱池的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流動(dòng)阻力相對(duì)較高，為了在事故過程中建立起自然循環(huán)，需要較大的熱源-熱阱高度差，所以很難進(jìn)一步減小池式系統(tǒng)的主容器尺寸。而大鈉池可能出現(xiàn)制造上的問題。在福島事故之后，設(shè)計(jì)者們更加關(guān)注地震等自然災(zāi)害的影響，對(duì)池體安全性的要求再一次提高。另外，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度考慮，一般可以通過提高回路溫度來獲得更多的熱循環(huán)效率。由于堆芯冷卻劑進(jìn)口溫度與冷池溫度幾乎相同，若冷池升溫則必然導(dǎo)致系統(tǒng)熱慣性降低，并且整體溫度上升。因此對(duì)于池式系統(tǒng)而言，幾乎無法通過這種方法提供經(jīng)濟(jì)性。

在鈉冷快堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，要求結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，降低建造成本，同時(shí)應(yīng)具有良好的安全性，并盡可能使系統(tǒng)靈活（這點(diǎn)主要體現(xiàn)在模塊化處理與減小主容器體積等方面）。近年來國(guó)際上提出一種新型的管式-池式結(jié)合的系統(tǒng)布置方法，如圖3所示。正常運(yùn)行時(shí)，冷卻劑經(jīng)過堆芯之后流入到上方熱池中，之后通過主循環(huán)泵進(jìn)入到IHX中，然后進(jìn)入到堆芯下方區(qū)域，完成循環(huán)。同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用了流動(dòng)二極管這一設(shè)備：在正常運(yùn)行中，泵作為主要驅(qū)動(dòng)部件，流動(dòng)二極管中流體從下往上流動(dòng)，此時(shí)，流動(dòng)阻力較大，因此流量較小;而當(dāng)事故工況下，泵停止運(yùn)行，一回路中建立起自然循環(huán)，此時(shí)冷卻劑主要流動(dòng)方向?yàn)椤岸研尽獰岢亍狿HX（與緩沖池的熱交換器）—堆芯”，此時(shí)流動(dòng)二極管中流體從上往下流動(dòng)，流動(dòng)阻力大幅度減小，這種方法降低了建立自然循環(huán)時(shí)一回路中的流動(dòng)阻力。此新型系統(tǒng)考慮了緊湊性與經(jīng)濟(jì)性，將一回路系統(tǒng)浸沒在緩沖池內(nèi)，可以提高系統(tǒng)的模塊化程度。并且由于緩沖池有較大熱慣性，在發(fā)生失流等事故時(shí)可以幫助降低一回路系統(tǒng)溫升，保證系統(tǒng)安全性。

為了驗(yàn)證此管式-池式系統(tǒng)的性能，本文建立符合管式-池式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模型，采用系統(tǒng)分析程序?qū)Υ四Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算，分析其在失流事故下的安全性。

2 管式-池式系統(tǒng)建模計(jì)算

本文構(gòu)建一個(gè)熱功率為62.5MW的反應(yīng)堆系統(tǒng)，堆芯進(jìn)口冷卻劑溫度保持在616K，堆芯冷卻劑出口混合溫度為724K。在正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)總流量為520kg·s-1，自PHX向上流入熱池的總流量約為56kg·s-1。在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí)，將軸向燃料膨脹、徑向燃料膨脹、軸向構(gòu)建膨脹以及轉(zhuǎn)換區(qū)的冷卻劑溫度變化、燃料和包殼等的膨脹折算成冷卻劑密度反饋與多普勒溫度反饋兩部分。

本設(shè)計(jì)中，熱池用高3.5m，半徑0.65m的CV400表示（5×8×7三維控制體），緩沖池半徑為2.75m，高7.5 m，分為三部分，自上而下分別用CV800（5×8×5三維控制體）、CV801（4×8×4三維控制體）以及CV 802（5×8×8三維控制體）表示。在建模中，在θ方向?qū)⑾到y(tǒng)分為8個(gè)區(qū)域，一回路中泵位于II、VI區(qū)域，一回路與緩沖池的熱交換器PHX位于IV區(qū)域與VIII區(qū)域。

3 失流事故分析

對(duì)于鈉冷快堆系統(tǒng)而言，失流事故為基準(zhǔn)事故之一，本文將對(duì)此管式-池式系統(tǒng)在失流事故情況下的熱工水力情況展開分析。假設(shè)事故發(fā)生后，兩臺(tái)主循環(huán)泵轉(zhuǎn)速在30秒內(nèi)線性下降到零，并且考慮在事故發(fā)生后5秒觸發(fā)停堆信號(hào)，同時(shí)逐漸移除中間回路冷卻劑流量。在本文的分析中，未加入DHX，因此事故后只有緩沖池對(duì)一回路系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

正常運(yùn)行時(shí)，PHX處冷卻劑流動(dòng)方向?yàn)樽韵露狭?，約56kg·s-1，在圖中取PHX的這個(gè)流動(dòng)方向?yàn)樨?fù)方向。如圖6所示，當(dāng)發(fā)生主循環(huán)泵停泵之后，系統(tǒng)流量大幅度下降。在事故發(fā)生初期，由于IHX正常運(yùn)行，熱阱不變，所以在短時(shí)間內(nèi)，IHX一回路出口的冷卻劑溫度將小幅下降，導(dǎo)致堆芯入口及出口處冷卻劑溫度產(chǎn)生微小的波動(dòng)。之后由于系統(tǒng)流量下降導(dǎo)致堆芯冷卻劑出口溫度快速上升，如圖7所示，在事故發(fā)生90s時(shí)，堆芯出口溫度上升到約940K。事故發(fā)生5s后觸發(fā)停泵動(dòng)作，堆芯功率大幅下降，如圖8所示。由于功率下降，堆芯出口冷卻劑溫度相應(yīng)降低。

事故初期，如上文所述，堆芯下方區(qū)域冷卻劑溫度會(huì)稍稍下降，由于PHX下方溫度與堆芯下方區(qū)域冷卻劑溫度相同，如圖9，在事故開始階段，PHX下方溫度會(huì)小幅降低。之后由于堆芯冷卻劑出口溫度上升，導(dǎo)致熱池內(nèi)溫度上升。并且由于主循環(huán)泵停運(yùn)，一回路中逐漸建立起自然循環(huán)，流動(dòng)方向?yàn)椤岸研尽獰岢亍狿HX—堆芯”，此時(shí)PHX中流動(dòng)方向?yàn)樽陨隙铝鲃?dòng)，圖6中PHX流量自負(fù)為正，基本穩(wěn)定后約為20kg·s-1。在自然循環(huán)建立起之后，PHX頂部冷卻劑溫度接近熱池溫度，在事故200s時(shí)達(dá)到峰值，約765K。由于PHX內(nèi)冷卻劑與緩沖池?fù)Q熱，在短時(shí)間內(nèi)底部溫度將接近緩沖池溫度，即616K。

在計(jì)算失流事故中一回路與緩沖池的熱交換作用，不僅僅需要對(duì)PHX冷卻劑流量、進(jìn)出口溫度作分析，還需要對(duì)緩沖池內(nèi)冷卻劑溫度隨時(shí)間變化作描述，判斷其中是否發(fā)生熱分層現(xiàn)象以及其中冷卻劑流動(dòng)方式。如圖10所示，在事故中緩沖池內(nèi)冷卻劑完成與PHX內(nèi)冷卻劑換熱后溫度上升，密度下降，因此在浮力作用下向上流動(dòng)。所以緩沖池內(nèi)頂部冷卻劑溫度逐漸上升，隨著事故進(jìn)行，出現(xiàn)明顯的熱分層現(xiàn)象，并且等溫線隨時(shí)間逐漸下移。上部較熱冷卻劑將熱量傳遞給下方冷卻劑，使下方冷卻劑溫度上升，并且由于一回路熱池溫度較高，緩沖池頂部冷卻劑將緩慢溫度上升（在圖10中，t=2000s中溫度范圍較寬，因此與前三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度分布圖范圍不一致）。

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型的管式-池式鈉冷快堆系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有模塊化程度高、一回路結(jié)構(gòu)緊湊、熱慣性較大等優(yōu)點(diǎn)，并且在設(shè)計(jì)上采用流動(dòng)二極管這一部件，對(duì)失流事故下一回路內(nèi)建立自然循環(huán)有較大幫助。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該系統(tǒng)的失流事故做了分析計(jì)算，結(jié)果中展示出PHX內(nèi)冷卻劑在失流事故發(fā)生后出現(xiàn)流動(dòng)方向改變的現(xiàn)象，以及由于存在與緩沖池的熱交換，一回路中整體溫度在事故發(fā)生后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)維持在較低值，體現(xiàn)出了系統(tǒng)的熱慣性、安全性。同時(shí)還對(duì)緩沖池內(nèi)溫度分布做了簡(jiǎn)要計(jì)算，對(duì)失流事故發(fā)生后，緩沖池內(nèi)出現(xiàn)的熱分層現(xiàn)象、整體溫度上升現(xiàn)象做了分析。

參考文獻(xiàn)

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[3]Oshkanov N， Bakanov M， Potapov O. Experience in operating the BN-600 unit at the belyi yar nuclear power plant[J]. Atomic Energy， 2004， 96 （5）： 315-319.