陳 偉 錢(qián)立波 吳 清 袁 鵬 沈丹紅

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213）

0 引言

華龍一號(hào)是中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)開(kāi)發(fā)的、具備能動(dòng)與非能動(dòng)相結(jié)合安全特征的三代先進(jìn)核電廠(chǎng)。為應(yīng)對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故（SGTR），華龍一號(hào)在設(shè)計(jì)上采用中壓安注泵加低壓安注泵的安全注入系統(tǒng)配置，因此為確保中壓安注在失水事故（LOCA）下有效注入，華龍一號(hào)在設(shè)計(jì)上采取快速冷卻功能以實(shí)現(xiàn)一回路的快速降壓至中壓安注投入壓力。

福清核電廠(chǎng)5號(hào)機(jī)組是華龍一號(hào)全球首堆示范工程，針對(duì)具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)特征的重要新物項(xiàng)需要開(kāi)展首堆試驗(yàn)，“快速冷卻功能驗(yàn)證試驗(yàn)”即為華龍一號(hào)五個(gè)首堆試驗(yàn)之一。

本文針對(duì)華龍一號(hào)快速冷卻功能首堆驗(yàn)證試驗(yàn)，首先開(kāi)展試驗(yàn)預(yù)先模擬計(jì)算，確定試驗(yàn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)以及初始工況參數(shù)；隨后，在試驗(yàn)后開(kāi)展復(fù)算分析，以論證事故分析程序和分析方法對(duì)快速冷卻安全功能模擬的適用性。

1 快速冷卻功能簡(jiǎn)介

華龍一號(hào)快速冷卻功能主要用于應(yīng)對(duì)中、小破口失水事故和蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂（SGTR）事故，圖1給出了華龍一號(hào)應(yīng)對(duì)失水事故的相關(guān)系統(tǒng)的示意圖，包括安全注入系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)等。在中、小破口失水事故下，主系統(tǒng)壓力下降較慢，中壓安注存在不能及時(shí)有效注入的可能性，但依靠快速冷卻功能，即自動(dòng)開(kāi)啟二回路的大氣釋放閥進(jìn)行排汽，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)主系統(tǒng)的降溫、降壓，使中壓安注系統(tǒng)盡快注入。

圖1 華龍一號(hào)失水事故應(yīng)對(duì)系統(tǒng)示意圖

華龍一號(hào)為三環(huán)路壓水堆，每條蒸汽管線(xiàn)上各有一臺(tái)大氣釋放閥用于執(zhí)行快速冷卻功能。在快速冷卻信號(hào)觸發(fā)后，對(duì)應(yīng)大氣釋放閥自動(dòng)開(kāi)啟，并按照預(yù)設(shè)的二回路降壓速率降低蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力，直至二回路壓力下降至4.5 MPa。在此過(guò)程中，大氣釋放閥整定值按照公式（1）進(jìn)行調(diào)節(jié)：若當(dāng)前壓力高于公式（1）計(jì)算得到壓力整定值，則自動(dòng)增大閥門(mén)開(kāi)度，若當(dāng)前壓力低于公式（1）計(jì)算得到壓力整定值，則自動(dòng)減小閥門(mén)開(kāi)度，最終使得二回路壓力向預(yù)設(shè)的壓力整定值靠近，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的降壓速率：

式中，Psetpoint（t）為t時(shí)刻大氣釋放閥整定值；Psetpoint（t-Δt）為t-Δt時(shí)刻大氣釋放閥整定值；k為快速冷卻常數(shù)；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；▽P為二回路壓力-溫度梯度。

2 快速冷卻功能首堆驗(yàn)證試驗(yàn)介紹

快速冷卻功能驗(yàn)證試驗(yàn)是為了驗(yàn)證快速冷卻信號(hào)觸發(fā)后，二回路的降壓速率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)中，假設(shè)三個(gè)環(huán)路中的一臺(tái)大氣釋放閥發(fā)生故障，只依靠?jī)膳_(tái)完好大氣釋放閥執(zhí)行快速冷卻功能。試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則為每一時(shí)刻的蒸汽壓力測(cè)量值與閥門(mén)整定值之間的偏差都保持在±0.15 MPa之內(nèi)，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)中大氣排放閥整定壓力曲線(xiàn)示意圖

快速冷卻功能驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程屬于二回路過(guò)冷的一個(gè)瞬態(tài)工況，會(huì)導(dǎo)致一、二回路壓力及穩(wěn)壓器水位持續(xù)下降，存在安注系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)、穩(wěn)壓器排空、穩(wěn)壓器電加熱器裸露等風(fēng)險(xiǎn)。為避免上述風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)前開(kāi)展了預(yù)分析以根據(jù)提供預(yù)分析瞬態(tài)結(jié)果，確定驗(yàn)證試驗(yàn)初始工況的設(shè)計(jì)。

快速冷卻驗(yàn)證試驗(yàn)預(yù)分析初始工況參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)及模擬計(jì)算的主要參數(shù)

3 試驗(yàn)前預(yù)先模擬分析

3.1 分析方法與假設(shè)

模擬分析采用CATHARE程序進(jìn)行計(jì)算。CATHARE是一個(gè)先進(jìn)的兩相流熱工水力程序，它由包含六個(gè)基本守恒方程（分別描述液體和蒸汽的質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒）的一維模塊組成。程序可以模擬相分離、分層、液體和蒸汽速率間的非機(jī)械平衡，包括逆流現(xiàn)象，也可以模擬非平衡熱工行為。

對(duì)于快速冷卻功能按照公式（1）進(jìn)行模擬，反應(yīng)堆初始狀態(tài)根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定確定，關(guān)鍵系統(tǒng)的假設(shè)為：

（1）不考慮穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧及向環(huán)境的散熱；

（2）所有穩(wěn)壓器電加熱器處于自動(dòng)模式，電加熱器功率不考慮散熱的補(bǔ)償；

（3）上充流量根據(jù)穩(wěn)壓器水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，考慮了軸封流量及下泄流量；

（4）輔助給水流量采用2臺(tái)輔助給水電動(dòng)泵啟動(dòng)流量。

3.2 預(yù)分析結(jié)果

3.2.1 事件序列

表2給出了快速冷卻驗(yàn)證試驗(yàn)與預(yù)算的事件序列對(duì)比，可以看出，快速冷卻功能驗(yàn)證試驗(yàn)的事件序列與預(yù)算事件序列基本保持一致，僅大氣釋放閥開(kāi)始開(kāi)啟時(shí)間有所差異，原因在于快速冷卻功能觸發(fā)后，執(zhí)行快速冷卻功能的大氣釋放閥整定值開(kāi)始從7.85 MPa按照快速冷卻公式確定的方式下降，而預(yù)算中蒸汽發(fā)生器初始?jí)毫Γ?.51 MPa）低于驗(yàn)證試驗(yàn)蒸汽發(fā)生器初始?jí)毫Γ?.63 MPa），因此，預(yù)算中大氣釋放閥開(kāi)始開(kāi)啟時(shí)間晚于驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。

表2 試驗(yàn)及預(yù)分析的事件序列對(duì)比

圖3給出了快速冷卻驗(yàn)證試驗(yàn)穩(wěn)壓器水位預(yù)算結(jié)果。可見(jiàn)，快速冷卻試驗(yàn)過(guò)程中穩(wěn)壓器水位會(huì)一直下降，但均保持在穩(wěn)壓器電加熱器頂部水位之上。因此，在快速冷卻首堆驗(yàn)證試驗(yàn)中穩(wěn)壓器初始水位取為70%。

圖3 穩(wěn)壓器水位預(yù)算結(jié)果

圖4給出了快速冷卻驗(yàn)證試驗(yàn)穩(wěn)壓器壓力與預(yù)算結(jié)果對(duì)比?？梢?jiàn)，穩(wěn)壓器壓力最低值大于中壓安注泵截止壓頭，一回路壓試驗(yàn)值力不會(huì)降至中壓安注系統(tǒng)注入壓力。通過(guò)對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓器壓力預(yù)算結(jié)果高于試驗(yàn)結(jié)果，這主要是因?yàn)轭A(yù)算時(shí)未考慮穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧和向環(huán)境散熱的影響。

圖4 穩(wěn)壓器壓力預(yù)算結(jié)果對(duì)比

圖5給出了快速冷卻驗(yàn)證試驗(yàn)蒸汽發(fā)生器壓力與預(yù)算結(jié)果對(duì)比?？梢?jiàn)，蒸汽發(fā)生器壓力預(yù)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好，主要差異在于預(yù)算初值與試驗(yàn)初始工況參數(shù)差異（見(jiàn)表1）。

圖5 蒸汽發(fā)生器壓力預(yù)算結(jié)果對(duì)比

4 試驗(yàn)后復(fù)算分析

在快速冷卻功能驗(yàn)證試驗(yàn)預(yù)算中，由于預(yù)算初始工況參數(shù)和系統(tǒng)假設(shè)與實(shí)際試驗(yàn)有一定差異，導(dǎo)致瞬態(tài)結(jié)果有一定差異，因此，試驗(yàn)后根據(jù)快速冷卻驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)際初始工況參數(shù)和假設(shè)開(kāi)展了復(fù)算。

4.1 復(fù)算分析假設(shè)

表1給出了復(fù)算的初始工況參數(shù)。

主要假設(shè)：

（1）考慮穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧及向環(huán)境散熱等因素；

（2）上充、下泄及軸封流量采用快速冷卻驗(yàn)證試驗(yàn)值；

（3）輔助給水流量采用快速冷卻驗(yàn)證試驗(yàn)值。

4.2 復(fù)算分析結(jié)果

4.2.1 事件序列

表3給出了試驗(yàn)及復(fù)算事件序列結(jié)果對(duì)比?？梢?jiàn)，在采用快速冷卻驗(yàn)證試驗(yàn)初始工況參數(shù)后，復(fù)算事件序列幾乎與試驗(yàn)保持一致。

表3 試驗(yàn)及復(fù)算事件序列結(jié)果對(duì)比

圖6給出了穩(wěn)壓器壓力的結(jié)果對(duì)比?？梢?jiàn)，在考慮了向環(huán)境的散熱以及實(shí)際的穩(wěn)壓器電加熱器動(dòng)作邏輯后，相比于預(yù)算結(jié)果，復(fù)算結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果符合更好。

圖6 穩(wěn)壓器壓力復(fù)算結(jié)果對(duì)比

圖7給出了蒸汽發(fā)生器壓力的結(jié)果對(duì)比。可見(jiàn)，在采用快速冷卻首堆驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)際初始工況及假設(shè)后，復(fù)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果幾乎一致。這證明了采用事故分析程序和分析方法可以準(zhǔn)確地模擬快速冷卻功能。

圖7 蒸汽發(fā)生器壓力復(fù)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用事故分析程序（CATHARE程序）對(duì)快速冷卻功能驗(yàn)證試驗(yàn)開(kāi)展了試驗(yàn)前預(yù)分析和試驗(yàn)后復(fù)算，取得的結(jié)論如下：

（1）預(yù)分析結(jié)果可準(zhǔn)確模擬快速冷卻功能試驗(yàn)過(guò)程中一回路系統(tǒng)響應(yīng)，根據(jù)預(yù)分析結(jié)果確定的驗(yàn)證試驗(yàn)初始工況有效地規(guī)避了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了既定的快速冷卻首堆驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

（2）預(yù)分析結(jié)果和復(fù)算分析結(jié)果均與快速冷卻功能驗(yàn)證試驗(yàn)符合較好，結(jié)果表明基于CATHARE程序?qū)焖倮鋮s功能驗(yàn)證試驗(yàn)的模擬是合理的；

（3）預(yù)分析結(jié)果和復(fù)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的符合性也在一定程度上論證了事故工況下快速冷卻功能有效性。