楊寒

【摘 要】準(zhǔn)確計(jì)算再淹沒(méi)過(guò)程燃料元件溫度分布是評(píng)價(jià)應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)的有效性和估算反應(yīng)堆安全裕度的關(guān)鍵。結(jié)合再淹沒(méi)裝置，利用系統(tǒng)分析程序RELAP5/MOD3.4分別對(duì)低流量下和高流量下的再淹沒(méi)試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：（1）對(duì)于低流量的再淹沒(méi)，計(jì)算的加熱棒峰值表面溫度略低于實(shí)驗(yàn)值，但是驟冷時(shí)間相差不多；計(jì)算的系統(tǒng)總質(zhì)量比實(shí)驗(yàn)值偏低。（2）對(duì)于高流量的再淹沒(méi)，再淹沒(méi)初期計(jì)算的加熱棒峰值表面溫度，驟冷時(shí)間與試驗(yàn)符合較好；計(jì)算的系統(tǒng)總質(zhì)量比試驗(yàn)值偏低。RELAP5程序基本能預(yù)測(cè)再淹沒(méi)過(guò)程中的熱工水力現(xiàn)象，但是在再淹沒(méi)傳熱計(jì)算模型方面還有待改進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】堆芯冷卻；再淹沒(méi)；RELAP5

0 引言

應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)主要關(guān)心的是發(fā)生失水事故或者長(zhǎng)期衰變熱排出過(guò)程中，堆芯是否有足夠的傳熱能力。技術(shù)上關(guān)注的領(lǐng)域包括：再淹沒(méi)（大破口失水事故）、堆芯裸露（小破口失水事故）和自然循環(huán)（長(zhǎng)期冷卻）。在大破口事故下反應(yīng)堆冷卻劑喪失，堆芯元件可能全部或部分裸露，元件溫度最高值正是出現(xiàn)在這個(gè)階段。

RELAP5是通用的輕水堆瞬態(tài)分析計(jì)算程序，適用于輕水堆系統(tǒng)所有瞬態(tài)和假想事故（包括小破口失水事故、大破口失水事故和所有瞬態(tài)事故）的模擬計(jì)算[1]。它由愛(ài)達(dá)荷國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室（INEL）為美國(guó)核管會(huì)（USNRC）研制開發(fā)，可用于規(guī)程制定、安全審評(píng)計(jì)算、事故緩解評(píng)價(jià)、操縱員規(guī)程評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃分析等各個(gè)方面。當(dāng)前，由于對(duì)再淹沒(méi)過(guò)程中兩相流動(dòng)傳熱行為的認(rèn)識(shí)并不充分，現(xiàn)有安全分析程序模型存在較大的計(jì)算不確定性，評(píng)價(jià)反應(yīng)堆安全系統(tǒng)的有效性是以犧牲安全裕度為代價(jià)的。

為分析再淹沒(méi)的物理過(guò)程及后果，確保反應(yīng)堆安全，必須建立合適的模型進(jìn)行瞬態(tài)特性分析及計(jì)算，并用一系列試驗(yàn)來(lái)校核計(jì)算結(jié)果[2-4]。FLECHT-SEASET（全尺度應(yīng)急堆芯冷卻換熱—分離效應(yīng)試驗(yàn)和系統(tǒng)效應(yīng)試驗(yàn)）是研究再淹沒(méi)，堆芯裸露和自然循環(huán)相關(guān)熱工水力特性的試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)得到的再淹沒(méi)換熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)可幫助人們進(jìn)一步理解再淹沒(méi)傳熱機(jī)制，發(fā)展新的傳熱模型。本文用RELAP5/MOD3.4程序?qū)LECHT-SEASET中的低流量再淹沒(méi)試驗(yàn)和高流量再淹沒(méi)試驗(yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算分析，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)REALP5程序中相應(yīng)模型的適用性。

1 FLECHT-SEASET裝置

1.1 裝置描述

FLECHT-SEASET試驗(yàn)裝置由美國(guó)核管會(huì)（NRC），美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)（EPRI）和西屋公司共同建造，旨在獲得在假想事故下（再淹沒(méi)，堆芯沸騰和自然循環(huán)）壓水堆的換熱和兩相流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]。

試驗(yàn)裝置主要包括安注箱、試驗(yàn)段，蒸汽分離器，夾帶箱。試驗(yàn)裝置的主要部件是一個(gè)帶有上、下腔室的低質(zhì)量的圓柱形外罩（內(nèi)徑0.19m，長(zhǎng)3.89m）。試驗(yàn)段包括161根燃料棒、16根套管、8根填料，加熱棒的長(zhǎng)度為3.66m，流道截面積為0.015478m2。加熱棒束全尺寸模擬壓水堆典型的17×17的結(jié)構(gòu)。加熱棒的初始溫度為1140K，初始平均線功率為2.3kW/m，徑向功率均勻分布，軸向功率按余弦規(guī)律分布。加壓的水從體積為1.51m3的安注箱流出，經(jīng)過(guò)流量再分配裙座進(jìn)入試驗(yàn)段外罩。冷卻水初始溫度為325K，被試驗(yàn)段加熱后從上腔室流出，壓力為0.28MPa。試驗(yàn)段壓力通過(guò)電蒸汽鍋爐建立，液體流出試驗(yàn)段后經(jīng)蒸汽分離器進(jìn)行分離，蒸汽排出，液體由夾帶罐收集。當(dāng)有兩個(gè)熱電偶溫度升至1144K（時(shí)間為80s左右）時(shí)，開始再淹沒(méi)注入，加熱功率開始隨時(shí)間衰減。

表1 試驗(yàn)段主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)

1.2 FLECHT-SEASET實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

目前，已在FLECHT-SEASET裝置上進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，研究不同試驗(yàn)參數(shù)，比如，再淹沒(méi)速率、系統(tǒng)壓力、初始加熱棒溫度、過(guò)冷度、峰值功率等對(duì)再淹沒(méi)流動(dòng)和換熱特性的影響，獲得了燃料棒峰值包殼溫度、驟冷時(shí)間、傳熱系數(shù)、入口淹沒(méi)速度、總質(zhì)量、試驗(yàn)段壓降、空泡份額、套管壁面和蒸汽溫度、乏汽和液體攜帶率等數(shù)據(jù)。

FLECHT-SEASET裝置上進(jìn)行的試驗(yàn)分為強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)再淹沒(méi)與重力驅(qū)動(dòng)再淹沒(méi)。本文將針對(duì)強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)再淹沒(méi)試驗(yàn)中的31504試驗(yàn)（低流量的再淹沒(méi)試驗(yàn)）和31701試驗(yàn)（高流量的再淹沒(méi)試驗(yàn)），來(lái)進(jìn)行相關(guān)模型的驗(yàn)證。

2 RELAP建模建立

針對(duì)試驗(yàn)裝置，用RELAP5/MOD3.4程序進(jìn)行建模計(jì)算?？刂企w節(jié)點(diǎn)劃分示于圖1。管部件PIPE代表試驗(yàn)段，共劃分為20個(gè)控制體；分別用上、下兩個(gè)時(shí)間相關(guān)控制體TMDPVOL定義上腔室和下腔室的邊界條件流體狀態(tài)；時(shí)間相關(guān)接管TMDPJUN定義連接下腔室和外罩流體接管的流動(dòng)狀態(tài)。試驗(yàn)段加熱棒的加熱功率隨時(shí)間衰減，用來(lái)作為熱構(gòu)件的輸入。對(duì)試驗(yàn)段控制體劃分敏感性分析，分別劃分為10，

20，30個(gè)控制體。敏感性分析結(jié)果表明，對(duì)于本裝置而言，不同數(shù)目的控制體劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，因此取節(jié)點(diǎn)數(shù)為20。

3 結(jié)果分析

3.1 31504試驗(yàn)——低流量的再淹沒(méi)試驗(yàn)

31504試驗(yàn)的邊界條件：

入口邊界：Pin=2.76MPa，Tin=326K；再淹沒(méi)的注入速率u=0.0246m/s；

出口邊界：Pout=0.28MPa；

不同高度加熱棒的表面溫度計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值：在軸向高度H=1.83m（加熱棒的中心），計(jì)算的表面溫度趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值是一致的，驟冷時(shí)間與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，但是包殼峰值溫度比實(shí)驗(yàn)值低。在H=1.23m，計(jì)算的包殼峰值溫度比試驗(yàn)值高，驟冷時(shí)間比實(shí)驗(yàn)值有所延遲。在H=3.08m，也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律：計(jì)算的包殼峰值溫度比實(shí)驗(yàn)值高，驟冷時(shí)間延后，且偏差較大?？赡艿脑蚴窃傺蜎](méi)的初期的傳熱是（下轉(zhuǎn)第270頁(yè)）（上接第271頁(yè)）臨界后的傳熱關(guān)系式，但是由于國(guó)際上對(duì)臨界后傳熱的機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠深入，并沒(méi)有建立比較好傳熱模型，而RELAP5對(duì)這一區(qū)域的傳熱計(jì)算也是相當(dāng)粗糙的，因此，需要對(duì)臨界后傳熱模型進(jìn)行改進(jìn)。

進(jìn)一步分析加熱棒中心面上蒸汽溫度分布，總的系統(tǒng)質(zhì)量裝量，以及含氣率隨時(shí)間的變化。由于RELAP5程序過(guò)低計(jì)算了加熱棒表面溫度，使得計(jì)算的蒸汽溫度比實(shí)驗(yàn)值偏低。程序計(jì)算系統(tǒng)總質(zhì)量比實(shí)驗(yàn)值偏低，說(shuō)明更多的液體流出了系統(tǒng)。程序計(jì)算的加熱棒中心面上含氣率的變化情況與實(shí)驗(yàn)值趨勢(shì)是一致的，在t<250s時(shí)，計(jì)算值偏低，而t>250s之后，計(jì)算值基本偏高。

3.2 31701試驗(yàn)——高流量的再淹沒(méi)試驗(yàn)

31701試驗(yàn)的邊界條件：

入口邊界：Pin=2.76MPa，Tin=326K；再淹沒(méi)的注入速率u=0.155m/s；

出口邊界：Pout=0.28MPa；

計(jì)算得到的加熱棒表面溫度和系統(tǒng)總質(zhì)量的變化情況分布。加熱棒中心面的溫度分布與試驗(yàn)符合較好，比實(shí)驗(yàn)值略高，驟冷時(shí)間相差不多。計(jì)算的總質(zhì)量裝量比試驗(yàn)值偏低，從而使冷卻能力弱化，元件表面溫度略微偏高。15s之前，程序計(jì)算的流體質(zhì)量比試驗(yàn)值偏高，導(dǎo)致棒溫比試驗(yàn)值低。65s之后，與試驗(yàn)值較吻合。

4 結(jié)論

本文采用系統(tǒng)分析程序RELAP5/MOD3.4，結(jié)合再淹沒(méi)裝置FLECHT-SEASET進(jìn)行了研究，分別計(jì)算了低流量再淹沒(méi)試驗(yàn)和高流量再淹沒(méi)試驗(yàn)工況，得出以下結(jié)論：

（1）程序能夠預(yù)測(cè)出再淹沒(méi)過(guò)程中主要的熱工水力現(xiàn)象，比如開始加熱棒幾乎絕熱被加熱，表面溫度直線上升；隨冷卻水的注入，加熱棒升溫速度減慢，出現(xiàn)峰值，直至最后被驟冷前沿淹沒(méi)，表面溫度快速下降。

（2）對(duì)于低流量的再淹沒(méi)，加熱棒中心面的表面溫度峰值低于實(shí)驗(yàn)值，但是驟冷時(shí)間相差不多；加熱棒中心面以上及以下的表面溫度峰值高于實(shí)驗(yàn)值，驟冷時(shí)間有所推遲，計(jì)算的系統(tǒng)總質(zhì)量比實(shí)驗(yàn)值偏低。

（3）對(duì)于高流量的再淹沒(méi)，再淹沒(méi)初期計(jì)算的加熱棒中心面的表面溫度與試驗(yàn)符合較好，比實(shí)驗(yàn)值略高，驟冷時(shí)間相差不多。計(jì)算的總質(zhì)量裝量比試驗(yàn)值偏低。

【參考文獻(xiàn)】

[1]USNRC，2001.RELAP/MOD3.3CodeManual.NUREG/CR-5535/Rev1[Z].

[2]PRI. PWR FLECHT SEASET Unblocked Bundle， Forced and Gravity Reflood Task Data Evaluation and Analysis Report[R].1982.

[3]yun-Sik Park. A separate effect test on the cooling behavior in a pressurized water reactor core under a low reflooding rate condition by using ATLAS and RELAP5/MOD3.3 code assessment[J].Annals of Nuclear Energy 38， 2011.

[4]C. Rod Bundle Heat Transfer Test Facility Test Plan and Design[R].NUREG/CR-6975，2010.

[責(zé)任編輯：王楠]