唐超力 匡 波 劉鵬飛 朱 晨 王 凡

（上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200240）

非能動(dòng)IVR-ERVC試驗(yàn)裝置的流動(dòng)特性初步研究

唐超力 匡 波 劉鵬飛 朱 晨 王 凡

（上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200240）

本文采用RELAP5/MOD3對全高度非能動(dòng)的壓力容器外部冷卻(External Reactor Vessel Cooling, ERVC)一維傳熱與流動(dòng)特性試驗(yàn)裝置REPEC-II，進(jìn)行了裝置流道流動(dòng)特性的預(yù)測計(jì)算，并結(jié)合REPEC-II的部分工況的試驗(yàn)結(jié)果，初步分析了ERVC流道的自然循環(huán)能力與循環(huán)流動(dòng)特性。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)之間一致性較好；可視化觀測與計(jì)算、實(shí)測結(jié)果之間互相印證，揭示了部分流道流動(dòng)及不穩(wěn)定性機(jī)理特征；運(yùn)用模擬與預(yù)測計(jì)算還可進(jìn)一步研究裝置的流道流動(dòng)特性，并用于后續(xù)試驗(yàn)與應(yīng)用的規(guī)劃與優(yōu)化。

IVR-ERVC，流道流動(dòng)特性，工程驗(yàn)證試驗(yàn)，RELAP5

在堆芯熔融嚴(yán)重事故晚期，熔融物重定位于反應(yīng)堆壓力容器下封頭，威脅壓力容器完整性，下封頭一旦熔穿，可能帶來后續(xù)一系列堆外事故現(xiàn)象與放射性泄漏風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)施堆腔注水，冷卻水淹沒壓力容器外壁，靠壓力容器-保溫層流道中自然循環(huán)流動(dòng)及下封頭外壁的沸騰換熱，非能動(dòng)地移出熔融物熱量，使其能滯留于壓力容器內(nèi)(In-Vessel Retention, IVR)[1]。這種非能動(dòng)的壓力容器外部冷卻(External Reactor Vessel Cooling, ERVC)方案，是當(dāng)前不少大型先進(jìn)壓水堆采用的一種重要嚴(yán)重事故緩解措施，一旦得以成功實(shí)施，可避免堆芯熔融后進(jìn)一步更復(fù)雜的堆外事故現(xiàn)象與放射性泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高反應(yīng)堆安全性能[2]；IVR-ERVC已被AP1000[3]、APR1400[4]、CAP1400[5]等廣泛采用。

針對這一工程應(yīng)用背景與IVR-ERVC措施有效性驗(yàn)證的需求，上海交通大學(xué)建設(shè)了用于工程驗(yàn)證的全高度非能動(dòng)ERVC一維傳熱與流動(dòng)特性試驗(yàn)裝置REPEC-II。本文針對REPEC-II部分工況試驗(yàn)中流道流動(dòng)參數(shù)，結(jié)合RELAP5/MOD3的相應(yīng)計(jì)算，初步分析ERVC流道自然循環(huán)能力與特性。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)內(nèi)容

為模擬某非能動(dòng)大型先進(jìn)壓水堆實(shí)施IVR-ERVC的流動(dòng)特征與傳熱行為，REPEC-II試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)高約12 m的兩相自然循環(huán)系統(tǒng)，為一個(gè)全高度的工程試驗(yàn)裝置，用于進(jìn)行大型先進(jìn)壓水堆實(shí)施IVR-ERVC時(shí)下封頭臨界熱通量及流道流動(dòng)特性的工程驗(yàn)證，其流道一維輪廓以及進(jìn)出口組件形式完全取自原型；整個(gè)上升側(cè)入口段、加熱段（弧形保溫層流道）、上升段（壓力容器筒身流道）及出口段流通截面與原型相比按固定比例選取，各區(qū)段流道之間也完全按原型過渡。REPEC-II試驗(yàn)回路系統(tǒng)回路如圖1所示。

圖1 REPEC-II試驗(yàn)主裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of REPEC-II experiment facility.

利用REPEC-II試驗(yàn)裝置主要進(jìn)行ERVC流動(dòng)與傳熱相關(guān)的兩類試驗(yàn)，即臨界熱通量(Critical Heat Flux, CHF)試驗(yàn)與流道流動(dòng)試驗(yàn)。在臨界熱通量試驗(yàn)中，針對試驗(yàn)本體上各臨界熱通量測點(diǎn)，整個(gè)本體上沿方位角θ=0°-90°加熱功率分布形狀按特定的功率整形原則給出。針對部分測點(diǎn)(θ =15°、30°、45°、60°、75°、90°)的臨界熱通量試驗(yàn)中，圖2給出了本體加熱功率沿θ方位角的6種歸一化功率形狀分布（分別記為PS-15、PS-30、PS-45、PS-60、PS-75和PS-90）。按整形功率形狀分布，逐步提升加熱功率，直至測點(diǎn)附近監(jiān)測到本體壁溫飛升，即確定該處ERVC限值（臨界熱通量）。

圖2 試驗(yàn)中歸一化的熱流形狀因子Fig.2 Heating flux shape factor.

流道流動(dòng)特性試驗(yàn)則以本體未發(fā)生溫度飛升的臨界熱通量前(pre-CHF)各功率水平下系統(tǒng)自然循環(huán)流動(dòng)特性試驗(yàn)為主，試驗(yàn)研究ERVC不同加熱功率水平與不同功率分布條件下，裝置回路中各區(qū)段阻力、自然循環(huán)能力、流動(dòng)穩(wěn)定性等行為特征。這也是本文研究關(guān)注的重點(diǎn)。

2 RELAP5對流動(dòng)試驗(yàn)工況的模擬計(jì)算

在試驗(yàn)的同時(shí)，為對REPEC-II在工程驗(yàn)證試驗(yàn)中的流道流動(dòng)及阻力特性進(jìn)行預(yù)測評估，本文還利用RELAP5/MOD3對各流道流動(dòng)試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與模擬。針對REPEC-II裝置及試驗(yàn)過程，建立節(jié)點(diǎn)模型，相關(guān)節(jié)點(diǎn)圖如圖3所示。

圖3 REPEC-II試驗(yàn)裝置的RELAP模型節(jié)點(diǎn)圖Fig.3 RELAP5 input model for REPEC-II experimental loop.

在所建立的RELAP模型中，各相關(guān)熱力參數(shù)與幾何參數(shù)取值與REPEC-II裝置及有關(guān)試驗(yàn)工況完全相同。其中：控制體140為試驗(yàn)段入口空間（進(jìn)口組件后空間）；201為壓力容器-保溫層流道，共分為30個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)與水平方向夾角分別為1.5°、4.5°、7.5°、……、84.5°和87.5°；每一節(jié)點(diǎn)左側(cè)（圖3中陰影部分）對應(yīng)相應(yīng)的熱構(gòu)件；控制體202、301、302、110均共分10個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別模擬下水箱（對應(yīng)堆腔）、上升段1（對應(yīng)壓力容器筒身-保溫層間流道）、上升段2（對應(yīng)保溫層-堆腔內(nèi)壁之間的空間）、下降段（堆腔入口流道）；控制體820、821、822、823則分別模擬上水箱（出口組件空間、主管道環(huán)廊及冷卻水所在空間），TDV800模擬（安全殼）大氣。

3 REPEC-II流道流動(dòng)特性及有關(guān)的影響因素

REPEC-II驗(yàn)證試驗(yàn)裝置在試驗(yàn)中的兩相自然循環(huán)運(yùn)行特性，反映了其原型的流動(dòng)特征。通過對REPEC-II裝置相關(guān)自然循環(huán)流動(dòng)能力與阻力特性的分析研究，可初步預(yù)測大型先進(jìn)壓水堆實(shí)施IVR-ERVC時(shí)可能的循環(huán)流動(dòng)行為，及其對ERVC冷卻能力限值的影響。因此，本文結(jié)合REPEC-II部分工況試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)及對應(yīng)的RELAP計(jì)算結(jié)果，分析其流道流動(dòng)特性與相關(guān)因素的影響。

3.1 REPEC-II中的兩相自然循環(huán)流動(dòng)與阻力特性

非能動(dòng)的IVR-ERVC措施基于兩相自然循環(huán)排出熱量，壓力容器下封頭外壁在自然循環(huán)流動(dòng)條件下的冷卻能力限值（以臨界熱通量CHF反映），要顯著大于下封頭浸沒于冷卻水中的自然對流條件下的外部冷卻能力。相應(yīng)地，在REPEC-II裝置回路上升側(cè)，由堆腔模擬體——下水箱進(jìn)入的冷卻水由入口空間流過進(jìn)口組件（稱“加熱段入口”），進(jìn)入模擬壓力容器-保溫層間隙的弧形流道（稱“加熱段”）；模擬壓力容器下封頭外壁的試驗(yàn)本體按照一定功率形狀分布，對弧形流道中冷卻水加熱，直至發(fā)生局部沸騰，被加熱的冷卻水離開弧形流道經(jīng)上升管（稱“上升段”），出口組件及前后空間（稱“上升段出口”），進(jìn)入上水箱后向下回流至下水箱，由此形成非能動(dòng)ERVC的兩相自然循環(huán)，循環(huán)完全由上升下降通道間流體密度差驅(qū)動(dòng)。

非能動(dòng)ERVC自然循環(huán)能力取決于浮升力與阻力之間競爭與平衡?；芈分懈×Ω蟪潭热Q于熱源（熔融物衰變熱源）大小、分布、位置，以及本體表面沸騰換熱與相分布情況；考慮到實(shí)際實(shí)施IVR-ERVC時(shí)熱源及下封頭巨大的熱慣性，熱源方面因素幾乎可視為不變；沸騰換熱及相分布情況則取決于本體局域幾何與表面條件，以及回路系統(tǒng)的流道。而循環(huán)阻力特性則主要與流道幾何形狀及其流體的相分布情況有關(guān)。

通過試驗(yàn)水位為8 m，保溫層流道進(jìn)、出口面積比為0.6:1，入口水溫為100 °C（自由液面處飽和溫度）的一組基準(zhǔn)試驗(yàn)工況，考察REPEC-II裝置兩相自然循環(huán)回路中典型的相分布情況。就該組試驗(yàn)工況而言，與某典型循環(huán)流量(10 kg·s-1)相應(yīng)的加熱流道入口過冷度估算為：

在相應(yīng)工況條件下，ERVC流道各處達(dá)到臨界熱通量時(shí)所對應(yīng)的加熱功率最高約達(dá)350 kW，但完全不足以將入口過冷度補(bǔ)償至出口飽和態(tài)。顯然，在ERVC弧形加熱流道各截面，從加熱段入口直至其出口都有較大過冷度，故沸騰加熱段內(nèi)蒸汽產(chǎn)生與冷凝非平衡共存。因此，在REPEC-II試驗(yàn)中，上升側(cè)的“加熱段”兩相區(qū)伴有強(qiáng)烈汽相冷凝，除按加熱功率分布峰值處有稍高汽相外，其他各處產(chǎn)生的汽相都不高；而“上升段”很大一部分流道幾乎非常接近于單相流動(dòng)；而上升管出口至上水箱底部區(qū)段（即“上升段出口”），因向上流動(dòng)靜壓降低，以及流速減慢，發(fā)生顯著的閃蒸現(xiàn)象，劇烈生成大量汽泡并浮升；結(jié)合相應(yīng)可視化圖像可明確看到這一點(diǎn)：圖4是試驗(yàn)水位為8 m，保溫層流道進(jìn)、出口面積比為0.6:1，入口水溫為100 °C，采用PS-90功率分布形狀，總功率為250 kW時(shí)的試驗(yàn)過程中加熱段、上升段及上升段出口典型位置視窗中獲得的相應(yīng)可視化圖像。至于回路下降側(cè)直至“加熱段入口”，則幾乎均為單相流動(dòng)。

圖4 加熱功率為250 kW時(shí)，加熱段(a)、上升段中部(b)及上升段出口(c)視窗中獲得的相應(yīng)可視化圖像Fig.4 Visual observation at flow channel (a), middle of riser1 (b) and exit of riser1 (c) with total heating power of 250 kW.

3.2 REPEC-II的自然循環(huán)能力及阻力特性

除了下封頭外壁流道各處局部因素，如：下封頭外壁熱流分布、加熱面局部幾何條件、當(dāng)?shù)胤序v汽相行為與兩相對流特性，以及換熱條件等以外，包括ERVC兩相自然循環(huán)能力（循環(huán)流量G）、各區(qū)段（特別是上升側(cè)）壓降等在內(nèi)的回路系統(tǒng)流動(dòng)與阻力特性，對壓力容器外部冷卻能力也有影響。不同加熱功率條件下自然循環(huán)流量變化的規(guī)律，反映ERVC流動(dòng)和傳熱狀況，同時(shí)也反映非能動(dòng)ERVC系統(tǒng)自然循環(huán)能力。

取試驗(yàn)水位為8 m，保溫層流道進(jìn)、出口面積比為0.6:1、入口水溫為100 °C的一組基準(zhǔn)工況試驗(yàn)結(jié)果了解REPEC-II的自然循環(huán)能力及其阻力特性。圖5為裝置分別采用圖2中PS-15、PS-30、PS-45、 PS-60、PS-75、PS-90功率分布形狀加熱時(shí)，循環(huán)流量隨加熱功率變化規(guī)律的部分實(shí)測結(jié)果?？梢钥吹剑M管各試驗(yàn)工況功率分布形狀有所不同，但循環(huán)流量隨加熱功率變化規(guī)律比較接近。圖5還給出了以PS-90功率分布形狀進(jìn)行加熱的工況中，裝置流量隨加熱功率變化的試驗(yàn)測量值與相應(yīng)RELAP5模擬計(jì)算結(jié)果之對比?？梢?，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。試驗(yàn)與計(jì)算所反映的裝置自然循環(huán)特性表明，在流道任何位置達(dá)到臨界熱通量前，回路自然循環(huán)能力隨加熱功率而增加，加熱表面換熱能力與系統(tǒng)輸熱能力也隨流量而增強(qiáng)。由圖5還可看到，流量先隨加熱功率快速增長，然后增速趨緩。這表明隨著加熱功率增加，有可能出現(xiàn)自然循環(huán)能力的“飽和”，這“飽和”現(xiàn)象對ERVC不利，有可能進(jìn)一步導(dǎo)致傳熱惡化，出現(xiàn)沸騰危機(jī)。這也是影響ERVC臨界熱通量系統(tǒng)方面的一個(gè)因素。

在非能動(dòng)ERVC系統(tǒng)中，阻力特性是影響自然循環(huán)能力的重要因素。圖6給出了某試驗(yàn)工況（本體采用PS-90功率形狀因子加熱，水位8 m，進(jìn)出口面積比0.6:1，入口水溫100 °C）時(shí)，REPEC-II加熱入口段、加熱段、上升段、上升段出口等處壓降在CHF前的各功率水平上隨循環(huán)流量的變化趨勢的實(shí)測值。

圖5 加熱功率對循環(huán)流量影響的實(shí)測與RELAP模擬計(jì)算結(jié)果之對比Fig.5 Circulation flow rate for different input powers by experiment and calculation.

圖6 壓降隨流量的變化趨勢(a) 加熱段入口處，(b) 加熱段，(c) 上升段，(d) 上升段出口處Fig.6 Pressure drop over flow rate. (a) The Inlet of heating section, (b) Heating section, (c) The riser1, (d) The outlet of the riser1

由圖6(a)、(c)可見，在加熱入口段（入口組件兩側(cè)），以及上升段（不含上升段出口附近區(qū)段），其中以單相流動(dòng)為主，加速與摩阻壓降所占份額又不大，故實(shí)測壓降以液相重位壓降為主，隨流量變化不大，且阻力特性非常確定。

對本體加熱段來說，因沸騰產(chǎn)生大量汽相，該區(qū)段的凈蒸汽是整個(gè)循環(huán)中主要浮升驅(qū)動(dòng)力，循環(huán)流量隨加熱功率而增大。同時(shí)，因加熱段內(nèi)主流過冷度較大，產(chǎn)生的蒸汽又迅速冷凝，因此，在自然循環(huán)流量不高（加熱功率也不高）的情況下，除了在近加熱壁熱流峰值處空泡份額較高，甚至有較大塊狀汽泡外，其他較遠(yuǎn)的區(qū)域幾乎都是呈現(xiàn)很小的汽泡在加熱面上滑移流動(dòng)的過冷沸騰狀況，流道內(nèi)（平均）空泡份額較低；加熱段向上升段的出口處空泡份額也因冷凝殆盡而非常低，幾乎無明顯汽泡流出。這樣，流道壓降特性以單相重位壓降為主，循環(huán)流量稍增壓降也幾乎無變化；隨著加熱功率進(jìn)一步增加，自然循環(huán)流量也有所增加，相應(yīng)地，空泡份額也有所增加，然而仍然是由于加熱段內(nèi)過冷度較大，較強(qiáng)的冷凝致使加熱段內(nèi)空泡份額平均起來也不高，且在自然循環(huán)較低流量下，加速與摩阻壓降份額很低，實(shí)測到的仍以液相重位壓降為主，只是由于凈蒸汽量（空泡份額）隨著循環(huán)流量（加熱功率）而有一定程度增加，故壓降隨自然循環(huán)流量增加而略有降低，此阻力特性參見圖6(b)。

至上升管出口段，可視化觀測表明，顯著的閃蒸是該段重要特征，該段流道內(nèi)含有大量閃蒸汽泡，體積含汽率較高，是REPEC-II回路自然循環(huán)的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力源；同時(shí)該處流道設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，務(wù)求盡可能減小形阻。然該區(qū)段較短，因閃蒸所致流動(dòng)加速未及發(fā)展，反而因閃蒸隨加熱功率增加而致此處體積含汽率陡增，重位壓降急劇下降，且該趨勢超過摩阻隨流量而增加的趨勢，形成該段實(shí)測壓降隨自然循環(huán)流量增加而明顯降低的阻力特性，參見圖6(d)。

由圖6還可以看到，上升側(cè)各段壓降隨流量的實(shí)測數(shù)據(jù)與以RELAP5進(jìn)行相應(yīng)模擬的結(jié)果基本符合，反映了計(jì)算可靠性，也為進(jìn)一步深入分析REPEC-II裝置流動(dòng)特性奠定了基礎(chǔ)。

3.3 若干參數(shù)對自然循環(huán)能力的影響

3.3.1 加熱段幾何形狀的影響

ERVC加熱流道（REPEC-II中的加熱段）主要由壓力容器下封頭外壁和保溫層構(gòu)成，流道幾何形狀與尺寸對ERVC自然循環(huán)能力、阻力特性以及ERVC冷卻能力限值（臨界熱通量）都會帶來影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)中有必要優(yōu)化流道；此外，實(shí)際實(shí)施IVR-ERVC時(shí)，壓力容器處于熱態(tài)，下封頭有可能由于高溫及熔融物重量等原因而拉長變形以致“下沉”，所以實(shí)際條件也會使加熱流道有一定程度改變，對ERVC過程有一定影響。為考察加熱段幾何形狀對ERVC自然循環(huán)之影響，在試驗(yàn)過程中，保持加熱段出口流通面積B3不變，通過調(diào)節(jié)改變REPEC-II裝置加熱段的幾何形狀與尺寸，從而進(jìn)行流道敏感性研究。共采用了如圖7所示的3種流道，各進(jìn)出口截面比分別為：A1: A2: A3= 0.45 : 0.6 : 1，且A3= B3。

圖7 不同加熱流道截面形狀示意圖Fig.7 Schematic diagram at different flow channel sections.

圖8 給出了在加熱段不同的幾何條件下，采用PS-90功率形狀因子，水位為8 m，入口水溫為100°C時(shí)，3種加熱段流道對ERVC自然循環(huán)流量影響的試驗(yàn)結(jié)果，以及RELAP計(jì)算模擬結(jié)果?？梢钥吹剑煌瑤缀涡螤畛叽绲模u擴(kuò)或等截面）加熱段流道，進(jìn)出口截面比越大，循環(huán)流量隨加熱功率增加越顯著；而在不同加熱功率條件下，循環(huán)流量隨加熱段流道進(jìn)出口截面比變化的趨勢有所不同，循環(huán)流量隨流道進(jìn)出口截面比變化有一個(gè)最大值，當(dāng)加熱功率達(dá)到一定值時(shí)，等截面流道的自然循環(huán)能力最大。因此，考慮到自然循環(huán)流量對臨界熱通量的正相關(guān)影響，當(dāng)考慮加熱段流道宜采用等截面或較高進(jìn)出口截面比的形式。

圖8 加熱流道尺寸對自然循環(huán)流量的影響Fig.8 Circulation flow rate at different flow channel sections.

3.3.2 堆腔淹沒水位對ERVC循環(huán)流動(dòng)的影響

在發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，IVR-ERVC策略是迅速向堆腔進(jìn)行注入冷卻水。冷卻水水位高低對ERVC自然循環(huán)能力有一定的影響。在試驗(yàn)過程中，我們分別選取了7.5 m、8.0 m、8.5 m、9.0 m進(jìn)行水位敏感性試驗(yàn)。

圖9給出了在采用PS-90功率形狀因子，進(jìn)出口面積比為0.6:1，入口水溫為100 °C時(shí)，堆腔注水水位對ERVC自然循環(huán)之影響的試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果?？梢钥吹?，水位越高，對于REPEC-II裝置而言，其自然循環(huán)流量就越小，且水位提升使自然循環(huán)流量減小的影響隨實(shí)際水位的增加而趨緩。在較低功率和較高功率水平下，REPEC-II裝置系統(tǒng)均呈現(xiàn)這一規(guī)律。當(dāng)然，堆腔注水水位也不可過低，過低則甚至無法形成有效的自然循環(huán)，則ERVC流道中的沸騰過程則更近于池沸騰，其中是自然對流而非自然循環(huán)，也有可能使臨界熱通量過低。所以各個(gè)堆型應(yīng)根據(jù)ERVC系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，選取合適的堆腔注水水位，使堆腔淹沒即可較好促進(jìn)自然循環(huán)，也不能因水位過低造成自然循環(huán)中斷。

圖9 水位對自然循環(huán)流量的影響Fig.9 Circulation flow rate at different flooding water levels.

3.3.3 冷卻水溫對ERVC循環(huán)流動(dòng)的影響

就ERVC能力而言，當(dāng)加熱流道入口水溫越低（入口欠熱度越大），則流道內(nèi)沸騰換熱離臨界熱通量就越遠(yuǎn)，顯然，冷卻水具有一定欠熱度對提高ERVC熱負(fù)荷有效性裕量是有利的。僅就ERVC加熱流道入口冷卻水溫而言，當(dāng)其約100 °C（即堆腔注水的自由液面溫度）時(shí)，此時(shí)對ERVC能力的評估是最保守的。然而，實(shí)際情況則是：入口水溫往往低于100 °C，即具有更大的入口欠熱度。與此同時(shí)，入口冷卻水溫對ERVC循環(huán)流動(dòng)也有一定的影響，從而間接影響ERVC沸騰換熱。

圖10 加熱流道入口處冷卻水溫對自然循環(huán)流量的影響Fig.10 Circulation flow rate at different inlet water temperatures.

圖10 給出了在較低入口欠熱度范圍內(nèi)，在采用PS-90功率形狀因子，水位為8 m，進(jìn)出口面積比為0.6:1時(shí)，ERVC加熱流道入口處冷卻水溫對自然循環(huán)流動(dòng)的影響。可以看到在功率較低時(shí)，上升管中產(chǎn)生的氣相均較少，自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力主要來自于試驗(yàn)段處過冷沸騰產(chǎn)生的氣相而產(chǎn)生的密度差，故在較低功率水平時(shí)，隨欠熱度的減小，流量的增幅并不大。在功率較高時(shí)，上升管中閃蒸而產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力占較大的份額，而欠熱度的增大對閃蒸是極為不利的，故在較高功率水平時(shí)，隨欠熱度的減小，流量的增幅較大。

3.4 試驗(yàn)中典型的閃蒸噴發(fā)現(xiàn)象及其誘發(fā)的流動(dòng)不穩(wěn)定性

在自然循環(huán)流動(dòng)過程中，兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性不僅會對ERVC局部傳熱特性產(chǎn)生影響，也有可能使流道部件遭受強(qiáng)迫振動(dòng)，對保溫層結(jié)構(gòu)帶來一定的水動(dòng)力載荷。除了在很低加熱功率條件下，ERVC回路偶爾能觀測到振動(dòng)較大的噴泉不穩(wěn)定性外[6]，在REPEC-II試驗(yàn)較廣的加熱功率范圍內(nèi)，更容易發(fā)現(xiàn)一種典型的閃蒸噴發(fā)不穩(wěn)定性現(xiàn)象[7]，在試驗(yàn)與計(jì)算模擬中均可發(fā)現(xiàn)這一周期振蕩的流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象。

在REPEC-II試驗(yàn)裝置中采用PS-90功率形狀因子，水位為8 m，進(jìn)出口面積比為0.6:1時(shí)，控制ERVC流道入口水位約為100 °C，功率水平為140 kW，由于位置水頭原因，整個(gè)REPEC-II的ERVC上升側(cè)流道（圓弧加熱流道+上升段+上水箱）下部加熱區(qū)處于過冷狀態(tài)，經(jīng)處于低位的流道加熱后，局域沸騰產(chǎn)生汽泡又發(fā)生凝結(jié)；然而，當(dāng)加熱段出來的熱水浮升流至上升段近出口處時(shí)，因上部壓力降低，突然發(fā)生閃蒸(Flash)，從而導(dǎo)致上升段出口處會再次出現(xiàn)大量汽相向上噴發(fā)。由于該閃蒸噴發(fā)現(xiàn)象的存在，可能造成系統(tǒng)流量的振蕩，而流量振蕩又影響流體在上升段達(dá)到飽和溫度發(fā)生閃蒸的高度，進(jìn)而影響到上升段出口處的空泡份額。上升段閃蒸汽泡較多時(shí)，自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力較大，也產(chǎn)生較大的反饋流量。較大反饋流量流經(jīng)加熱段，故使加熱段出口流體溫度下降，這又使上升段中發(fā)生閃蒸起始點(diǎn)上升，造成閃蒸汽化區(qū)域減小，又造成驅(qū)動(dòng)力減小，使得反饋流量減小，小流量流過加熱段，又使加熱段出口溫度上升，閃蒸汽泡增多，又引起大流量的反饋?？梢娨坏╅W蒸速率與自然循環(huán)系統(tǒng)流量振蕩耦合“諧振”起來，則可能誘發(fā)自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性。

采用RELAP5數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)的測量結(jié)果均驗(yàn)證了REPEC-II試驗(yàn)過程中的閃蒸噴發(fā)現(xiàn)象，及其誘發(fā)的自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性的存在。

圖11展示了某次試驗(yàn)中在上升段出口附近用高速攝影拍攝的閃蒸所形成的空泡份額振蕩、相應(yīng)的循環(huán)流量、上升段出口處（出口組件兩側(cè)）壓降以及三者之間對應(yīng)關(guān)系。可以看到，該工況中的流動(dòng)不穩(wěn)定性振蕩的頻率極低，約為0.03 Hz。由此也初步驗(yàn)證了系統(tǒng)循環(huán)流量與壓降脈動(dòng)中極低頻成分正是來自于上升管出口閃蒸振蕩影響；裝置系統(tǒng)中正經(jīng)歷閃蒸誘發(fā)的自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性。

圖11 上升段出口處發(fā)生閃蒸噴發(fā)不穩(wěn)定性時(shí)的可視化觀測與熱工水力參數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢圖Fig.11 Visual observation and thermal-hydraulic parameters variation of time under flashing eruption instability condition at the outlet of ascent section.

4 結(jié)語

本文對大型先進(jìn)壓水堆IVR-ERVC工程試驗(yàn)裝置REPEC-II的流動(dòng)特性，特別是自然循環(huán)能力進(jìn)行了初步研究。通過RELAP程序的數(shù)值模擬計(jì)算，并且與REPEC-II試驗(yàn)中相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)和可視化觀測結(jié)果進(jìn)行對比印證，初步表明了相關(guān)的RELAP建模及自然循環(huán)流動(dòng)模擬計(jì)算的可靠性，也說明基于模擬預(yù)測計(jì)算，可為進(jìn)一步深入分析裝置的流動(dòng)特性，并進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)規(guī)劃提供依據(jù)。同時(shí)，還得到以下初步規(guī)律與結(jié)論：

(1) 在壓力容器外部冷卻中，自然循環(huán)流量隨加熱功率增加而先快速增長，而后增速趨緩甚至達(dá)到“飽和”，表明在較大加熱功率下，有可能出現(xiàn)自然循環(huán)能力不足，導(dǎo)致傳熱惡化，甚至使局域達(dá)到沸騰臨界；

(2) 在保持弧形ERVC加熱流道出口截面不變情況下，隨著入口流道尺寸減小，自然循環(huán)能力也逐漸減弱，但并不明顯；對傳熱及臨界熱通量影響則應(yīng)試驗(yàn)考察；

(3) 在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的自然循環(huán)后，水位越高，循環(huán)流量越小，在低欠熱度范圍內(nèi)，隨著冷卻水溫增大，系統(tǒng)自然循環(huán)流量增大；

(4) 進(jìn)一步地，在REPEC-II的系統(tǒng)數(shù)值模擬計(jì)算與試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了典型的閃蒸噴發(fā)現(xiàn)象，并通過實(shí)測數(shù)據(jù)、可視化觀測以及計(jì)算模擬對特定工況條件下閃蒸誘發(fā)的自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性進(jìn)行了初步確認(rèn)。

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2 Zhao G Z, Cao X R, Shi X W. Study theoretically on two-phase circulation flow characteristics under ERVC condition in advance PWR[J]. Progress in Nuclear Energy, 2013, 67: 104-113

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6 李飛, 李永春, 程旭. 針對REPEC加熱實(shí)驗(yàn)的RELAP5程序模擬與分析[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2012, 46(7): 815-820 LI Fei, LI Yongchun, CHENG Xu. Simulation and analysis on REPEC heating experimental mechanism[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46(7): 815-820

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CLCTL364

Preliminary analysis of channel flow characteristics in the passive IVR-ERVC experimental facility

TANG Chaoli KUANG Bo LIU Pengfei ZHU Chen WANG Fan
(School of Nuclear Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Background: Through External Reactor Vessel Cooling (ERVC) to achieve the aim of In-Vessel Retention (IVR) is an important severe accident mitigation measure. After the Fukushima nuclear power plant severe accident, IVR-ERVC gains more and more attention. A full-scale IVR-ERVC engineering verification facility REPEC-II was constructed by Shanghai Jiao Tong University. Purpose: To study in-vessel retention by external reactor vessel cooling in large-scale advanced pressurized water reactor under severe accident conditions and meet the demand of verifying the validity of severe accident mitigation. Methods: The flow characteristics of the passages in some parts of the experiment conditions were calculated by RELAP5/MOD3. The natural circulation flow capabilities and features and the typical flashing eruption phenomenon in the experiment on the REPEC-II were preliminarily analyzed. Results and Conclusion: Comparative analysis showed that the calculated results were consistent well with the measured data and visual observation, and basically reflected the reliability of the calculations. Preliminary indication of the flow characteristics of the facility can be further analyzed in-depth, and applied to plan of follow-up experiments.

IVR-ERVC, Channel flow characteristics, Engineering verification experiment, RELAP5

TL364

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120604

No.51076091)、重大專項(xiàng)ERVC全尺寸下封頭外壁臨界熱通量和流道流動(dòng)試驗(yàn)(No.2010ZX06002-004)資助

唐超力，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于華北電力大學(xué)，研究領(lǐng)域?yàn)楹斯こ膛c核技術(shù)

匡波，E-mail: bkuang@sjtu.edu.cn

2014-09-04，

2014-10-12