邢繼, 孫中寧, 于勇, 丁銘

(1.中國核電工程有限公司, 北京 100840; 2.哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

發(fā)展核電是既定的國家戰(zhàn)略,保證核安全是實(shí)現(xiàn)國家戰(zhàn)略的基石。日本福島核事故發(fā)生后,國務(wù)院于2012年10月24日召開了常務(wù)會(huì)議,討論通過了《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》。規(guī)劃要求“按照全球最高安全要求新建核電項(xiàng)目,新建核電機(jī)組必須符合三代安全標(biāo)準(zhǔn)”。核安全監(jiān)管當(dāng)局也在2012年發(fā)布了《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》,要求“十三五”及以后新建核電機(jī)組力爭實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)上實(shí)際消除大量放射性物質(zhì)釋放的可能性。要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),其關(guān)鍵是：當(dāng)發(fā)生全廠停電事故時(shí),仍能高效排出安全殼內(nèi)的巨量衰變熱,保證電站的最后一道實(shí)體屏障——安全殼不會(huì)超壓破壞。

“華龍一號”(Hua-long pressurized reactor 1000,HPR1000)是我國自主設(shè)計(jì)的首個(gè)百萬千瓦級第三代核電機(jī)組,采用了能動(dòng)與非能動(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念[1-3]。其中,非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)(passive containment heat removal system,PCS)是HPR1000三大非能動(dòng)安全系統(tǒng)之一,其運(yùn)行不依賴于外部動(dòng)力,僅通過利用重力和流體密度差等自然力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)流動(dòng),保證即使發(fā)生全廠斷電事故,也能為安全殼空間提供有效冷卻,實(shí)現(xiàn)對安全殼的“全天候”守護(hù),確保安全殼的完整性即使是在堆芯熔化的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(design extension conditions B,DEC-B)下也不會(huì)被突破[4-6]。

為了滿足HPR1000建設(shè)的需要,中國核電工程有限公司與哈爾濱工程大學(xué)組成了聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì),對PCS開展了大量、深入、系統(tǒng)的研究工作,成功完成了PCS的研制。

1 PCS方案設(shè)計(jì)

HPR1000采用的是雙層混凝土安全殼結(jié)構(gòu)?；谶@一設(shè)計(jì)特點(diǎn),本文初步設(shè)計(jì)了開式PCS和閉式PCS這2個(gè)方案(系統(tǒng)原理示意如圖1所示)。其中,開式PCS主要由下降管、內(nèi)部換熱器、上升管、汽水分離器和換熱水箱組成;閉式PCS主要由下降管、內(nèi)部換熱器、上升管、外部換熱器、穩(wěn)壓器和換熱水箱組成。當(dāng)發(fā)生堆芯熔化的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(DEC-B)時(shí),大量的蒸汽被釋放至安全殼內(nèi),這些蒸汽會(huì)以冷凝的方式將熱量傳遞給內(nèi)部換熱器,然后通過冷卻水的自然循環(huán)流動(dòng)將熱量帶至換熱水箱,使水箱里的水蒸發(fā),最終將熱量散失到大氣環(huán)境,進(jìn)而達(dá)到使安全殼降溫、降壓的目的。對于所設(shè)計(jì)的2個(gè)PCS方案,開展了一系列數(shù)值模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究,主要包括[7-8]：

圖1 開式和閉式PCS設(shè)計(jì)方案Fig.1 Schematic of open loop and closed loop PCS

1)開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的系統(tǒng)性能對比分析。開式設(shè)計(jì)方案只設(shè)置內(nèi)部換熱器,其優(yōu)點(diǎn)是傳熱環(huán)節(jié)少,系統(tǒng)排熱能力強(qiáng),影響自然循環(huán)的因素少,運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠,系統(tǒng)不存在失效的風(fēng)險(xiǎn);其缺點(diǎn)是一旦有傳熱管發(fā)生破損,則意味著安全殼的隔離密封性受到破壞,可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)外泄,不過這一缺點(diǎn)可以通過在上升管和下降管上設(shè)置安全殼隔離閥予以解決。

2)系統(tǒng)的啟動(dòng)特性。無論是采用開式PCS設(shè)計(jì),還是閉式PCS設(shè)計(jì),系統(tǒng)都能快速啟動(dòng),整個(gè)啟動(dòng)過程經(jīng)歷單相自然循環(huán)階段、單相-兩相過渡階段和和兩相自然循環(huán)階段,且第1階段的自然循環(huán)流量遠(yuǎn)低于第3階段,但由于具有高得多的傳熱溫差,因此前一階段系統(tǒng)的排熱能力一般會(huì)高于后一階段。

3)系統(tǒng)的自然循環(huán)流動(dòng)特性與傳熱特性。PCS屬典型的低熱負(fù)荷排熱系統(tǒng),自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭比較低,對回路阻力很敏感,因此在布置允許的條件下,應(yīng)盡量減小回路阻力。只要管路布置得當(dāng),就可以保證系統(tǒng)有足夠的自然循環(huán)能力。一般情況下,上升管路直徑應(yīng)大于下降管路直徑,并合理分配系統(tǒng)中各部分的流動(dòng)阻力占比。

4)系統(tǒng)管路直徑對自然循環(huán)和排熱能力的影響。閉式設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的內(nèi)、外2個(gè)換熱器與管路構(gòu)成閉合回路,單一內(nèi)部換熱器或外部換熱器發(fā)生傳熱管破損,不影響安全殼的整體完整性,不會(huì)發(fā)生放射性物質(zhì)外泄;其缺點(diǎn)是系統(tǒng)傳熱環(huán)節(jié)多,整體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,影響自然循環(huán)的因素多,系統(tǒng)的排熱能力相對較弱,需要更多的傳熱面積。如果外部換熱器的換熱能力不足,在極端情況下,回路中的冷卻水會(huì)因系統(tǒng)壓力過度升高而被排擠進(jìn)入穩(wěn)壓器,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的排熱能力降低。隨著事故的進(jìn)一步擴(kuò)大,可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失去排熱能力。

5)內(nèi)部換熱器與外部換熱器的匹配特性。無論采用開式PCS設(shè)計(jì),還是閉式PCS設(shè)計(jì),系統(tǒng)在單相自然循環(huán)和高功率兩相自然循環(huán)階段的流動(dòng)都很穩(wěn)定,但在單相-兩相過渡階段和低負(fù)荷兩相運(yùn)行階段,系統(tǒng)一般會(huì)發(fā)生流動(dòng)波動(dòng),這些波動(dòng)可能對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響需要在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中予以關(guān)注。

6)換熱水箱與換熱器間的布置高度差對系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。換熱水箱與換熱器間的布置高差對系統(tǒng)運(yùn)行的影響具有非線性特征：當(dāng)高度差較低時(shí),高度差大小對系統(tǒng)的自然循環(huán)流量有顯著影響;當(dāng)高度差大于某一臨界值后,則系統(tǒng)的運(yùn)行基本不受高度差變化影響。

7)水箱水位對系統(tǒng)排熱能力的影響。水箱水位對開式PCS的排熱能力和流動(dòng)穩(wěn)定性都有顯著影響,尤其是當(dāng)換熱水箱的水位較低時(shí),系統(tǒng)可能面臨流動(dòng)停滯的風(fēng)險(xiǎn),需要視具體情況采取措施予以克服;閉式PCS本身的自然循環(huán)流動(dòng)基本不受水箱水位的影響,但一旦外部換熱器露出水面,則PCS的排熱能力就會(huì)隨著水位的下降而大幅度降低。

2 內(nèi)部換熱器管間流量分配與管外冷凝傳熱特性

2.1 主要研究內(nèi)容

HPR1000的PCS采用了開式設(shè)計(jì)方案,整個(gè)系統(tǒng)的排熱能力主要取決于內(nèi)部換熱器的性能,因此,內(nèi)部換熱器是PCS的最核心設(shè)備。與常規(guī)的換熱器應(yīng)用場景不同,HPR1000巨大的安全殼空間、含有大量不凝性氣體的管外冷凝傳熱以及PCS的低驅(qū)動(dòng)壓頭特征,決定了常用的集中大管束列管換熱器在這里不再適用,這些苛刻條件對PCS換熱器的研發(fā)構(gòu)成很大挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)了Z型、U型和中心型展開式集管換熱器,采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法開展了一系列研究,主要包括[9-12]：

1)換熱器結(jié)構(gòu)型式對流量分配的影響;

2)分流聯(lián)箱和匯流聯(lián)箱幾何尺寸對流量分配的影響;

3)不凝性氣體對管外冷凝傳熱的影響;

4)傳熱管幾何參數(shù)對管外冷凝傳熱的影響;

5)傳熱管管束排列對管外冷凝傳熱的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由實(shí)驗(yàn)段、汽(氣)體供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個(gè)部分組成,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍Table 1 Range of experimental parameters

圖2 PCS機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Mechanism research experimental device of PCS

實(shí)驗(yàn)段主要由冷凝罐和傳熱管組成。冷凝罐用直徑為0.416 m,高度為3.55 m的304不銹鋼制成;傳熱管豎直安裝在冷凝罐內(nèi),并沿管高度方向均勻設(shè)置了9個(gè)溫度測量截面和5個(gè)氦氣濃度測量取樣點(diǎn),每個(gè)溫度測量截面安裝3對熱電偶,其中2對用于測量傳熱管外壁溫度,1對用于測量主流氣體溫度。凝液罐連接在容器底部,用于收集和測量凝液量。實(shí)驗(yàn)時(shí),蒸汽、空氣和氦氣可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要從實(shí)驗(yàn)段上部或下部注入冷凝罐。

汽(氣)體供應(yīng)系統(tǒng)包括蒸汽供應(yīng)子系統(tǒng)、壓縮空氣供應(yīng)子系統(tǒng)與氦氣供應(yīng)子系統(tǒng)3個(gè)部分。其中,蒸汽供應(yīng)子系統(tǒng)由電功率為240 kW、最高運(yùn)行壓力為0.7 MPa的電加熱蒸汽鍋爐和相關(guān)管路、閥門組成;壓縮空氣供應(yīng)子系統(tǒng)由排氣壓力為1.0 MPa、排氣量為0.9 m3/min的空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐、減壓閥、油水分離器以及相關(guān)管路、閥門組成;為了保證安全,實(shí)驗(yàn)中采用氦氣模擬事故中產(chǎn)生的氫氣,氦氣供應(yīng)系統(tǒng)由高壓氦氣瓶、減壓閥,及相關(guān)管路和閥門組成。

冷卻水系統(tǒng)主要由冷卻水池、冷卻水泵、過濾器、穩(wěn)壓罐以及相關(guān)管路和閥門組成,可以采用強(qiáng)迫循環(huán)或自然循環(huán)方式對傳熱管進(jìn)行冷卻。

實(shí)驗(yàn)中需要測量的參數(shù)主要有溫度、壓力、流量和氦氣濃度。其中,冷卻水進(jìn)、出口溫度,冷凝罐蒸汽進(jìn)口溫度以及凝液溫度采用Ⅰ級T型熱電偶測量,實(shí)驗(yàn)管壁面溫度和冷凝罐氣體主流溫度采用Ⅰ級K型熱電偶進(jìn)行測量,冷凝罐和蒸汽壓力使用精度等級為0.1級的壓力變送器測量,蒸汽流量用精度等級為1級的渦街流量計(jì)測量,冷卻水流量用精度等級為0.5級的渦輪流量計(jì)測量,氦氣濃度用精度為0.1%的氦氣純度儀進(jìn)行測量。

2.3 研究結(jié)果

1)相比較而言,Z型換熱器的管間流量分配最不均勻,中心型換熱器換熱器流量分配最均勻,分流聯(lián)箱進(jìn)口三通附近產(chǎn)生的旋渦是造成中心型換熱器管間流量不均勻的主要因素,適當(dāng)增加中心管節(jié)距可顯著改善換熱器管間流量分配,進(jìn)而降低換熱器流動(dòng)阻力,并提高換熱器的換熱能力。

2)分流聯(lián)箱和匯流聯(lián)箱幾何尺寸對換熱器的流動(dòng)阻力和管間流量分配的均勻性有顯著影響,同時(shí)增大分配聯(lián)箱和匯流聯(lián)箱橫截面積可增強(qiáng)換熱器流量分配的均勻性。在單相流動(dòng)條件下,中心型換熱器傳熱管總流通面積與聯(lián)箱橫截面積之比低于3.6時(shí)的流量分配均勻性較好。

3)不凝性氣體的存在使蒸汽冷凝傳熱系數(shù)大幅度下降,不凝性氣體在傳熱管附近的濃縮聚集是導(dǎo)致冷凝傳熱系數(shù)顯著下降的主要原因。與純蒸汽冷凝相比,含不凝性氣體冷凝時(shí),壁面過冷度對傳熱系數(shù)的影響更顯著,并表現(xiàn)出多變特征,凝結(jié)液膜的導(dǎo)熱熱阻多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)。

4)傳熱管徑和傳熱管長對含不凝性氣體的蒸汽管外冷凝傳熱有顯著影響：當(dāng)傳熱管徑比較小時(shí),平均冷凝傳熱系數(shù)隨管徑的增加而快速下降;當(dāng)傳熱管徑達(dá)到40 mm后,再繼續(xù)增加管徑,則傳熱系數(shù)下降的幅度很小。傳熱管長度對管外冷凝傳熱的影響表現(xiàn)出多變特征,即當(dāng)傳熱管長度小于2 m,傳熱系數(shù)隨管長的增加而快速下降。當(dāng)傳熱管長大于3 m時(shí),傳熱系數(shù)又會(huì)隨管長的增加而呈上升趨勢,但上升的幅度不大。

5)在管束條件下,不同傳熱管周圍的不凝性氣體層會(huì)在部分區(qū)域發(fā)生疊加,導(dǎo)致傳熱進(jìn)一步變差,而在另一些區(qū)域又會(huì)產(chǎn)生抽吸作用,使傳熱得到顯著增強(qiáng)。因此,傳熱管排列節(jié)距和排數(shù)對含不凝性氣體管外冷凝有顯著影響,通過合理地優(yōu)化傳熱管布置,可使換熱器的整體傳熱性能顯著改善。

3 PCS綜合性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在前期方案設(shè)計(jì)和單項(xiàng)基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上,研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了用于HPR1000的工程級PCS。開展本實(shí)驗(yàn)的目的就是為了測試系統(tǒng)的實(shí)際排熱能力和運(yùn)行穩(wěn)定性,考核設(shè)備性能是否滿足系統(tǒng)需要,并校核自主開發(fā)的系統(tǒng)分析程序。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括[13-14]：

1)系統(tǒng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn);

2)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下的排熱能力和運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn);

3)系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)工況下的排熱能力和運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn);

4)換熱水箱水位下降對系統(tǒng)運(yùn)行的影響實(shí)驗(yàn);

5)設(shè)備性能考核實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了完成相關(guān)實(shí)驗(yàn),研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2012年在哈爾濱工程大學(xué)按全壓、全高度1∶1比例建造了PCS性能綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3所示)。該裝置主要由冷凝罐組件、換熱水箱組件、自然循環(huán)回路、汽-氣供應(yīng)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5個(gè)部分組成,主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)裝置主要參數(shù)Table 2 Main parameters of experimental device

圖3 PCS性能綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Comprehensive performance verification experimental device of PCS

3.3 研究結(jié)果

1)PCS能夠從長期備用狀態(tài)順利啟動(dòng),不會(huì)出現(xiàn)滯流或倒流的情況。當(dāng)反應(yīng)堆處于設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(DEC-B)時(shí),應(yīng)盡早打開PCS的隔離閥,最遲須在換熱器管外環(huán)境溫度達(dá)到換熱器管內(nèi)出口壓力下的飽和溫度之前開啟,否則有可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的“汽錘”振動(dòng)。

2)PCS具有較強(qiáng)的排熱能力,其在設(shè)計(jì)工況下,系統(tǒng)的排熱功率遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求,有充足的設(shè)計(jì)余量。當(dāng)內(nèi)部換熱器環(huán)境溫度降至120 ℃時(shí),系統(tǒng)的排熱能力仍能達(dá)到長期事故工況要求值的50%以上。

3)PCS從啟動(dòng)至穩(wěn)定運(yùn)行工況,經(jīng)歷單相自然循環(huán)、單相-兩相過渡循環(huán)和兩相自然循環(huán)3個(gè)階段。其中,在單相自然循環(huán)階段,流量較低,流動(dòng)穩(wěn)定;在過渡階段,流量隨時(shí)間的延長而快速增加,并伴隨周期性流動(dòng)波動(dòng);在兩相自然循環(huán)階段,流量遠(yuǎn)高于單相自然循環(huán)階段,流動(dòng)可以是穩(wěn)定的,也可以是不穩(wěn)定的,具體情況主要受加熱負(fù)荷的影響。當(dāng)流動(dòng)不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí),系統(tǒng)的排熱能力會(huì)有所下降,但壓力和溫度的波動(dòng)周期一般都比較長,波動(dòng)幅度也都比較小,因此不會(huì)對系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

4)換熱水箱水位對PCS的排熱能力和自然循環(huán)有顯著影響,本文通過合理設(shè)計(jì)有效克服了水箱水位對系統(tǒng)自然循環(huán)的不利影響,尤其在低負(fù)荷條件下,隨著水箱水位的下降,系統(tǒng)的自然循環(huán)流量和排熱功率會(huì)大幅度上升,增幅一般能達(dá)到40%以上,這一特性對系統(tǒng)的后期運(yùn)行非常有利。

5)所研制的內(nèi)部換熱器流動(dòng)阻力小,換熱能力強(qiáng),流量分配均勻,非常適合在自然循環(huán)流動(dòng)條件下使用;所設(shè)計(jì)的汽水分離器能夠?qū)CS出口的汽-水兩相進(jìn)行有效分離,能有效防止“汽錘”振動(dòng)的發(fā)生,保證系統(tǒng)在各種工況下都能順利建立自然循環(huán)。

6)利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對自主開發(fā)的PCS分析程序進(jìn)行了核驗(yàn)和修正,修正后的程序?qū)Ψ€(wěn)態(tài)工況預(yù)測的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值間的相對偏差在±10%以內(nèi),并能對流動(dòng)不穩(wěn)定性起始點(diǎn)和波動(dòng)特性做出較好的預(yù)測,為后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有力工具。

4 安全殼熱工水力特性模化實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在安全殼內(nèi)配置 PCS,會(huì)對殼內(nèi)氣體的流動(dòng)與分層等熱工水力行為產(chǎn)生影響;同時(shí),安全殼內(nèi)的熱工水力行為又會(huì)反過來影響 PCS的排熱能力和運(yùn)行特性。本實(shí)驗(yàn)的目的就是通過模化實(shí)驗(yàn)?zāi)M典型的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(DEC-B),檢驗(yàn)PCS的有效性,確認(rèn)安全殼是否存在超溫、超壓風(fēng)險(xiǎn),了解殼內(nèi)的流動(dòng)與分層特性,分析主要影響因素,為進(jìn)一步改進(jìn)PCS和安全殼設(shè)計(jì)提供依據(jù)。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括[15]：

1)典型事故模擬實(shí)驗(yàn);

2)安全殼內(nèi)熱工參數(shù)不均勻性模擬實(shí)驗(yàn);

3)內(nèi)部換熱器布置高度影響實(shí)驗(yàn);

4)內(nèi)部換熱器周向非均勻布置影響實(shí)驗(yàn);

5)凝水收集裝置影響及收集率實(shí)驗(yàn);

6)內(nèi)部換熱器防護(hù)裝置影響實(shí)驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了完成本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在中國核電工程有限公司廊坊先進(jìn)核電研究中心建造了安全殼熱工水力綜合實(shí)驗(yàn)裝置(platform for integral behaviour of containment,PANGU),如圖4所示。其主要系統(tǒng)包括安全殼模擬體、汽-氣供應(yīng)系統(tǒng)、 PCS、控制系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以及其他附屬設(shè)施。實(shí)驗(yàn)裝置模擬比例如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)裝置模擬比例Table 3 Simulation scale of experimental device

圖4 安全殼熱工水力綜合實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Thermal hydraulic experimental device for containment

4.3 研究結(jié)果

1)在事故工況下,所設(shè)計(jì)的PCS 有較強(qiáng)的排熱能力,能夠使反應(yīng)堆事故后安全殼內(nèi)的壓力上升趨勢得到有效抑制,壓力峰值低于0.52 MPa。即使有30%的PCS失效,剩余的PCS仍可保證安全殼不超壓,PCS設(shè)計(jì)有充足的裕量儲(chǔ)備。

2)在事故工況下,PCS內(nèi)部換熱器的冷凝作用會(huì)強(qiáng)化安全殼內(nèi)的氣體流動(dòng),即使在反應(yīng)堆事故后的長期冷卻階段,實(shí)驗(yàn)中仍在內(nèi)部換熱器管束區(qū)測量到0.35 m/s左右的縱向流速,在靠近安全殼壁面附近的流速也達(dá)到0.2 m/s左右,這些流動(dòng)一方面可以改善換熱器管外側(cè)的冷凝傳熱,另一方面對抑制空間溫度分層和氫氣聚集也有很大幫助。

3)在事故工況下,在殼內(nèi)隔間和操作平臺(tái)以上空間(包括穹頂區(qū)域)均沒有明顯的氦氣聚集,各處氦氣濃度分布比較均勻;發(fā)現(xiàn)在長期冷卻工況下,換熱器管束區(qū)附近會(huì)出現(xiàn)一定程度的氦氣濃縮,但由于管束區(qū)的氣體流速比較高,氦氣的濃縮程度很低,在工程中,一般不會(huì)帶來額外的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。

4)在事故工況下,當(dāng)安全殼內(nèi)壓力處于上升階段時(shí),空間溫度分布會(huì)比較均勻,一般不會(huì)發(fā)生明顯分層;當(dāng)殼內(nèi)壓力由上升轉(zhuǎn)為下降并持續(xù)較長時(shí)間時(shí),氣體溫度會(huì)發(fā)生分層并逐漸加重,且壓力下降的速度越快,則溫度分層也會(huì)越嚴(yán)重。不過,如果持續(xù)的時(shí)間足夠長,且壓力下降比較緩慢或基本不變,則溫度分層將不明顯,且分層的程度會(huì)隨著時(shí)間逐漸減小,直至基本消失。最重要、明顯的溫度分層發(fā)生在操作平臺(tái)與穹頂之間區(qū)域,測量到的最大溫差約為16 ℃。

5)事故破口的位置和方向、內(nèi)部換熱器的安裝位置,以及換熱器周圍設(shè)施的布置情況,對PCS的排熱能力沒有明顯影響,工程中可根據(jù)實(shí)際情況比較靈活地選擇換熱器的安裝位置。凝水收集裝置對PCS凝水的收集率在90%以上。

5 結(jié)束語

2011年啟動(dòng)PCS研究工作以來,中國核電工程有限公司與哈爾濱工程大學(xué)組成聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì),緊密合作,進(jìn)行了一系列方案篩選和基礎(chǔ)研究探索。通過大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析,完成了系統(tǒng)和設(shè)備的研制,設(shè)計(jì)出了可供工程使用的PCS,并通過1∶1大型實(shí)驗(yàn)裝置對所研制系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠順利啟動(dòng),平穩(wěn)運(yùn)行,系統(tǒng)的排熱能力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在完成上述工作的基礎(chǔ)上,研發(fā)團(tuán)隊(duì)還利用綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置,協(xié)助生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心(代表核安全監(jiān)管當(dāng)局)和福建福清核電有限公司(代表HPR1000首堆業(yè)主),完成了PCS的第三方獨(dú)立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,即使在實(shí)際極不可能發(fā)生的事故模擬工況下,系統(tǒng)仍能順利啟動(dòng)并保持正常運(yùn)行,系統(tǒng)的優(yōu)越性能得到第三方的充分肯定。

雖然實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明所研制的PCS有很強(qiáng)的排熱能力,但HPR1000設(shè)計(jì)配備的PCS數(shù)量是否夠,配備有PCS的安全殼是否真的能夠應(yīng)對設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(DEC-B),在安全殼內(nèi)配備PCS是否會(huì)帶來不可接受的負(fù)面影響,這些仍是許多人心中的疑慮,更是核安全監(jiān)管當(dāng)局的關(guān)注焦點(diǎn)。為了打消這些疑慮,研發(fā)團(tuán)隊(duì)在中國核電工程有限公司廊坊先進(jìn)核電研究中心建造了自由容積達(dá)到1 000 m3的安全殼熱工水力綜合實(shí)驗(yàn)裝置,對PCS-安全殼的耦合響應(yīng)特性進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,即使失去30%的排熱能力,PCS仍在假想的最嚴(yán)重事故下確保安全殼的完整性,PCS的設(shè)計(jì)和配備數(shù)量是合理的,有充足的工程余量,且不會(huì)帶來有害的負(fù)面作用。

目前,所研制的PCS已在福清5、6號機(jī)組、漳州1、2號機(jī)組和巴基斯坦卡拉奇核電站的2、3號機(jī)組獲得應(yīng)用,并確定在華龍系列機(jī)型建設(shè)中繼續(xù)使用。與此同時(shí),進(jìn)一步的研究工作也沒有停止,追求更高、更好是研究團(tuán)隊(duì)不變的信念,努力爭取在不久的將來能夠研制出新一代的PCS,將系統(tǒng)的排熱能力大幅提高至足以應(yīng)對基準(zhǔn)事故的水平。

致謝：

感謝國家能源局、科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委、中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司給予的資金支持,感謝中國核電工程有限公司和哈爾濱工程大學(xué)的信任與支持,感謝研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員的不懈努力和辛勤付出,感謝所有提供支持和幫助的人們。