蘇 夏，崔滿滿，程會方

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233）

核電站的乏燃料貯存在乏燃料池中，池水的容積用于確保乏燃料組件的貯存安全，包括衰變熱導(dǎo)出和輻射屏蔽。核電站乏燃料池設(shè)有池水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，用來降低池水溫度，同時導(dǎo)出乏燃料的衰變熱。為了達(dá)到充分、均勻的冷卻效果，冷卻系統(tǒng)的吸水管和回水管盡量布置在乏燃料池的對角位置，同時回水管線盡量深入乏燃料池內(nèi)部。如果回水管線池外部在較低位置發(fā)生了破口，池水容積就會由于虹吸效應(yīng)而持續(xù)流失，威脅乏燃料組件的貯存安全。工程上通常在回水管線適當(dāng)位置開一個破虹吸孔，當(dāng)液位下降到破虹吸孔高度時，大氣通過開孔與管內(nèi)流動混合形成兩相流，破壞虹吸流負(fù)壓，阻斷管內(nèi)水流，以達(dá)到虹吸破壞效果。破虹吸孔的尺寸是成功斷流的關(guān)鍵因素。

J. Howard Arthur［1］等對小尺寸管道的虹吸破壞進(jìn)行了實驗研究和分析計算，但國內(nèi)各核電廠乏燃料池回水管線的管徑通常在DN80～DN250之間，小尺寸管內(nèi)兩相流動的相關(guān)經(jīng)驗關(guān)系式并不能很好地預(yù)測實際工程。鄭伊蕓［2］等通過實驗的方式對低壓系統(tǒng)中非能動虹吸破壞進(jìn)行了機理研究，區(qū)分了豎直下降兩相流的4種流型。在數(shù)值模擬方面，岳芷廷［3］等針對49-2池式反應(yīng)堆的265 mm主管道雙端斷裂事故，使用RELAP5建模分析了破虹吸孔的虹吸破壞過程。馮健［4］等使用RELAP5對某電廠乏燃料池的虹吸破壞管的安全性進(jìn)行了驗證分析，表明現(xiàn)有的虹吸管設(shè)計能保證乏燃料池的安全。綜上所述，工程上大尺寸虹吸管道內(nèi)氣液兩相流動問題較為復(fù)雜，目前還沒有足夠精確的計算模型或?qū)嶒灲Y(jié)果可以直接用于指導(dǎo)工程的設(shè)計。而核電領(lǐng)域中有關(guān)虹吸破壞的研究多采用數(shù)值模擬的方法分析具體問題，缺乏工程尺度上的實驗研究。

本文采用1∶1的實驗臺架，在核電廠乏燃料池常用管徑范圍內(nèi)，對破虹吸孔的作用效果開展實驗研究，并進(jìn)一步研究高差、管徑、阻力等影響因素對虹吸破壞效果的影響，給出推薦的臨界孔徑及相關(guān)因素的影響關(guān)系，用于指導(dǎo)核電站乏燃料池或類似大水池的虹吸破壞設(shè)計。

1 實驗描述

1.1 電廠設(shè)計

國內(nèi)各核電廠乏燃料池回水管線的管徑通常在DN80～DN250之間，管線的布置一般包含上升段、水平段、下降段、各類彎管/彎頭以及必要的閥門。圖1給出了某核電站典型乏池回水管線的立體圖?；厮芫€在乏燃料池外的布置一般連續(xù)向下，管道破口則假定位于管線布置的最低點。根據(jù)工程經(jīng)驗，核電站乏燃料池破虹吸孔徑一般取25 mm，而孔的標(biāo)高位置則無明確規(guī)定，破虹吸孔與管道破口之間的高差ΔH最多可達(dá)到15 m，在工程條件下，該高差下的虹吸流量預(yù)計會達(dá)到約1200 m3/hr。

圖1 某核電站乏燃料水池管線示意圖Fig.1 Layout of spent fuel pool return line

1.2 實驗裝置

虹吸破壞實驗裝置如圖2所示。實驗裝置由模擬乏池的水箱、1∶1管徑的回水管線、阻力孔板、出口閥門、給水泵以及相關(guān)的流量、液位和壓力儀表組成。乏燃料池回水管線的管路布置較為復(fù)雜，實驗中不便1∶1模擬，因此使用孔板來模擬管線阻力，某電廠回水管線的阻力件主要包括：1個DN150蝶閥、1個200×150大小頭、11個DN200彎管/彎頭以及直管?？装逶O(shè)置于實驗管道出口處，可更換。實驗還設(shè)計了多個孔板模擬不同管線阻力，以拓展研究管線阻力大小對虹吸破壞效果的影響，例如表3中的孔板2，模擬了某電廠的實際管線阻力，其余孔板用于拓展研究。出水口由閥門進(jìn)行開關(guān)控制，模擬管道破口工況。實驗時監(jiān)測模擬水箱的液位、回水管的流量、下降直管段的壓降和孔板處的局部壓降。

圖2 虹吸破壞實驗裝置示意圖Fig.2 Experiment facility for siphon breaking research

1.3 實驗工況

實驗的目的是在改變管徑、阻力和高差的條件下，研究有效破壞虹吸流動所需的臨界孔徑（最小孔徑）。出于工程實施考慮，孔徑以Φ25 mm為起始，5 mm為一個階梯遞增，直至可以成功實現(xiàn)虹吸破壞。通常虹吸破壞后的穩(wěn)定液位低于破虹吸孔的標(biāo)高，兩者之間的高差稱為安全液位高差Δh，認(rèn)為安全液位高Δh差小于1 m是判定虹吸破壞成功的準(zhǔn)則，同時也滿足工程實際的要求。表1中列出了實驗工況范圍，由于各電廠乏燃料池回水管線的管線布置、閥門類型、儀表數(shù)量等設(shè)計差異較大，實驗中為每種管徑的回水管線設(shè)計了一組孔板，用來模擬不同阻力系數(shù)ξ。

表1 實驗工況范圍Table 1 Experimentcondition

2 實驗結(jié)果分析

2.1 虹吸破壞的過程

圖3給出了虹吸破壞過程的流量和液面高度隨時間的變化曲線。出口閥門開啟后，模擬水箱中的水從下降管流出，流量快速上升到約1180 m3/h，并維持了大約15 s的穩(wěn)定階段，此時管內(nèi)是單相流動，隨著水箱液位降低，流量略有下降。當(dāng)36 s左右液位下降到破虹吸孔位置時，空氣從破口進(jìn)入管道，并被下降流夾帶形成兩相流，流量曲線突然下降，此時對應(yīng)的兩相流態(tài)可能是泡狀流［5］。至50 s左右，流量下降趨勢明顯減緩，這是因為隨著液位高度逐漸下降和含氣率不斷升高，下降流的夾帶作用減弱［5］，隨后虹吸流量進(jìn)一步下降，當(dāng)水箱液位下降至足夠低時，驅(qū)動壓頭不能繼續(xù)維持虹吸流動，流量快速降為零，虹吸破壞成功。

圖3 虹吸破壞曲線圖DN250，孔徑35 mm，孔板2，ΔH=15 mFig.3 Flow rate and water level：DN250，hole diameter 35 mm，orifice 2，ΔH=15 m

圖4給出了下降直管段的壓降曲線。出口閥門開啟后，隨著下降流量快速上升，直管段壓降快速增加，然后下降到一個穩(wěn)定階段，這是由于下降段中的殘余氣體被排出，流動回到了穩(wěn)定的單相流狀態(tài)。在36 s左右，液位降低到虹吸孔露出水面，空氣被動進(jìn)入管道，開始形成氣液兩相流，沿程阻力增加，阻力曲線上升。至120 s左右，虹吸破壞成功，流動停止，直管段壓降最終保持為引壓管內(nèi)的重力壓降。

圖4 虹吸破壞曲線圖——4 m直管段壓降曲線DN250，孔徑35 mm，孔板2，ΔH=15 mFig.4 Pressure drop of verticalpipe DN250，hole diameter 35 mm，orifice 2，ΔH=15 m

2.2 臨界虹吸孔徑

表2給出了不同阻力特性條件下實驗得到的臨界破虹吸孔徑。實驗結(jié)果表明，在15 m高差范圍內(nèi)，對于DN80和DN150的回水管線，工程常用的25 mm破虹吸孔即可在最不利的管線阻力特性（無阻力孔板）下有效阻斷虹吸流動，并且安全液位高差Δh符合≤1 m的要求。其中DN80管線的最終破虹Δh為0.12 m，DN80管線的最終虹吸破壞Δh為0.66 m。

表2 臨界破虹吸孔徑實驗結(jié)果（ΔH=15 m）Table 2 Critical diameter of siphon break hole

從表3中可以看出，回水管線管徑越大，虹吸破壞所需的臨界孔徑越大，而管線阻力的作用則相反。這是因為流速降低時，對空氣的夾帶作用也相應(yīng)減弱，由破虹吸孔進(jìn)入流體的空氣更容易聚合，中斷了連續(xù)的虹吸流動。對于DN250的大尺寸管道，即使在最大管線阻力下，也需要設(shè)置至少35 mm的破虹吸孔。

表3 臨界破虹吸孔徑實驗結(jié)果Table 3 Critical diameter of siphon break hole

以DN200、孔板2工況的實驗結(jié)果分析高差ΔH對臨界破虹吸孔徑的影響（表4），管道最低點破口與虹吸孔之間的高差越大，重力勢能差產(chǎn)生的虹吸驅(qū)動力越強，虹吸破壞所需的臨界孔徑就越大。在相同的管徑和阻力條件下，ΔH為15 m所需的臨界破虹吸孔徑比12 m大一檔（大5 mm）。

表4 不同ΔH下的臨界虹吸孔徑實驗結(jié)果Table 4 Critical diameter of siphon break hole under different ΔH

2.3 影響因素分析

綜上所述，本文認(rèn)為安全液位高差Δh小于1 m即可滿足核電站乏燃料池的設(shè)計要求，但工程實際中部分核電廠乏燃料池的Δh裕量可能小于1 m，需要更快的虹吸破壞進(jìn)程。上文實驗結(jié)果表明：在其他條件相同時，破虹吸孔孔徑越大，虹吸破壞過程越迅速，Δh就越小。本節(jié)以DN200，ΔH=15 m/12 m工況為例，分析Δh與破虹吸孔徑Φ之間的關(guān)系，以及Δh與管線阻力之間的關(guān)系。

圖5給出了DN200，ΔH=15 m工況的實驗結(jié)果：相同阻力孔板的條件下，破虹吸孔徑越大，安全液位高差Δh就越小，兩者之間呈典型的冪指數(shù)遞減關(guān)系，且在不同阻力條件下的遞減趨勢一致。

圖5 虹吸孔徑與安全液位高差的關(guān)系：DN200，ΔH=15 mFig.5 Effect of Critical diameter on the undershooting height：DN200，ΔH=15 m

圖6給出了不同高差下，安全液位高差Δh與破虹吸孔徑之間的關(guān)系。從圖中可以看出，12 m高差和15 m高差情況下，兩者之間的趨勢具有很好的一致性，均呈冪指數(shù)遞減關(guān)系。

圖6 虹吸孔徑與安全液位高差的關(guān)系：DN200，孔板2Fig.6 Effect of Critical diameter on the undershooting height：DN200，orifice 2

工程中安全液位高差裕量不足時，可通過調(diào)整破虹吸孔徑，確保虹吸破壞成功時的最終液位滿足乏燃料池的安全要求。

圖7給出了不同破虹吸孔尺寸條件下，安全液位高差Δh與管線阻力系數(shù)的關(guān)系。管徑和高差ΔH不變時，回水管線上的阻力件（如閥門、彎頭等）越多，阻力越大，管內(nèi)虹吸流越容易被破壞。因為流動會在阻力的作用下放緩，使空氣的夾帶作用減弱［6］，兩相流中的氣泡更容易聚合，連續(xù)的虹吸流動更容易被打斷。安全液位高差Δh與管線阻力之間呈對數(shù)遞減關(guān)系。

圖7 管線阻力與安全液位高差的關(guān)系：DN200，ΔH=15 mFig.7 Effect of line resistance on the undershooting height：DN200，ΔH=15 m

3 結(jié)論

本文對核電站乏燃料池回水管線上破虹吸孔的虹吸破壞效應(yīng)進(jìn)行了實驗研究，并對虹吸破壞效果的影響因素進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）在破虹吸孔與管道破口之間的高差≤15 m時，對于DN80和DN150的回水管線，工程常用的25 mm的破虹吸孔即可在最小的管線阻力下（無阻力孔板）有效阻斷虹吸流動，且安全液位高差Δh符合≤1 m的要求。

（2）破虹吸孔與管道破口之間的高差是驅(qū)動虹吸流的驅(qū)動力，高差越大，臨界孔徑就越大。

（3）安全液位高差Δh受管線阻力和破虹吸孔徑大小的影響。Δh與虹吸孔徑之間呈典型的冪指數(shù)遞減關(guān)系，與管線阻力系數(shù)之間呈對數(shù)遞減關(guān)系。