陳福冰，董玉杰，張作義，鄭艷華，石 磊，李 富

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

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HTR-10一回路流量變化試驗(yàn)的模擬

陳福冰，董玉杰，張作義，鄭艷華，石 磊，李 富

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

10 MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆(HTR-10)是我國(guó)第一座高溫氣冷堆。一回路流量變化試驗(yàn)是HTR-10的三個(gè)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)之一，該試驗(yàn)不僅證明了反應(yīng)堆的功率自調(diào)節(jié)性能，也為系統(tǒng)分析程序的驗(yàn)證提供了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?；趯?shí)際的試驗(yàn)工況，利用THERMIX程序?qū)σ换芈妨髁孔兓囼?yàn)進(jìn)行了模擬，分析了反應(yīng)堆主要參數(shù)的變化。關(guān)于反應(yīng)堆功率，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合得很好，證明程序能夠滿意地再現(xiàn)HTR-10在該試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)特性。試驗(yàn)過(guò)程中，燃料元件中心最高溫度始終低于1230 ℃的溫度限值。

10 MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆；一回路流量變化試驗(yàn)；THERMIX；程序驗(yàn)證

10 MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆(HTR-10)是我國(guó)第一座高溫氣冷堆，由清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行。HTR-10于2000年4月進(jìn)入調(diào)試階段，并在2003年1月實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行。

在HTR-10 的初期調(diào)試和后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，主要采用三種控制手段來(lái)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)： 1) 調(diào)節(jié)控制棒棒位以改變反應(yīng)性；2) 調(diào)節(jié)主氦風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以改變一回路氦氣流量；3) 調(diào)節(jié)主給水泵轉(zhuǎn)速或給水閥開(kāi)度以改變二回路給水流量。為驗(yàn)證和確認(rèn)以上調(diào)節(jié)和控制手段的可行性和有效性，在HTR-10上完成了三個(gè)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，分別通過(guò)改變反應(yīng)性、改變一回路氦氣流量和改變二回路給水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。通過(guò)上述試驗(yàn)，記錄了HTR-10的瞬態(tài)響應(yīng)特性，證明了反應(yīng)堆的功率自調(diào)節(jié)性能。同時(shí)，試驗(yàn)也為系統(tǒng)分析程序的驗(yàn)證提供了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。利用球床式高溫氣冷堆熱工計(jì)算和事故分析程序THERMIX，對(duì)HTR-10一回路流量變化試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，分析了反應(yīng)堆主要參數(shù)的變化，從機(jī)理上加深了對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的理解。通過(guò)分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，程序?qū)TR-10一回路流量變化動(dòng)態(tài)特性的模擬能力得到了證明。對(duì)于反應(yīng)堆功率，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合得很好。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

作為一座球床模塊式高溫氣冷堆，HTR-10使用包覆顆粒燃料構(gòu)成的全陶瓷型球形燃料元件，以氦氣為冷卻劑、石墨為慢化劑[2]。HTR-10的一回路系統(tǒng)采用肩并肩的布置方式，主要包括反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、主氦風(fēng)機(jī)和熱氣導(dǎo)管，如圖1所示。

圖1 HTR-10的一回路系統(tǒng)Fig.1 Primary system of HTR-10

HTR-10的主氦風(fēng)機(jī)是一臺(tái)立式循環(huán)風(fēng)機(jī)，安裝在蒸汽發(fā)生器的上部。風(fēng)機(jī)的殼體與蒸汽發(fā)生器的殼體用法蘭連接，同時(shí)風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣管與蒸汽發(fā)生器的出氣管插接形成一體化布置。正常運(yùn)行工況下，主氦風(fēng)機(jī)的功能是驅(qū)動(dòng)一回路氦氣完成循環(huán)，將堆芯的熱量帶到蒸汽發(fā)生器。主氦風(fēng)機(jī)與其驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸，通過(guò)一個(gè)變頻器給風(fēng)機(jī)供電。功率調(diào)節(jié)時(shí)，主氦風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于變頻器的輸出頻率。變頻器頻率變化1 Hz，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化60 rpm。而一回路氦氣流量則通過(guò)主氦風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入功率等變量的測(cè)算得到，它基本正比于主氦風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[3]。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可在10%～100%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，這樣氦氣流量可以滿足反應(yīng)堆各種運(yùn)行工況的要求[4]。

一回路流量變化試驗(yàn)開(kāi)始前，HTR-10在3 MW功率水平下穩(wěn)定運(yùn)行，氦氣冷卻劑入口和出口溫度分別為196 ℃和620 ℃。試驗(yàn)方法是：首先將主氦風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加至初始轉(zhuǎn)速的105%，這樣一回路氦氣流量也按比例增為初始流量的105%；待反應(yīng)堆達(dá)到穩(wěn)定并運(yùn)行一段時(shí)間后，再將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至初始值，使得一回路氦氣流量降至初始值[1]。試驗(yàn)過(guò)程中，控制棒棒位和二回路流量均保持不變，而實(shí)際測(cè)算得到的一回路氦氣流量變化如 圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)過(guò)程中一回路流量的變化Fig.2 Primary mass flow variation during the test process

2 分析方法

對(duì)HTR-10一回路流量變化試驗(yàn)進(jìn)行模擬的工具是THERMIX程序，該程序是一個(gè)模塊化的軟件包，用于分析球床式高溫氣冷堆在正常運(yùn)行和事故條件下的熱工安全行為[5]。程序主要包括四個(gè)模塊：堆內(nèi)固相導(dǎo)熱、堆內(nèi)氣相對(duì)流、中子動(dòng)力學(xué)和一回路系統(tǒng)。各程序模塊有明確的分析目標(biāo)及邊界，既能獨(dú)立運(yùn)用，又能相互耦合以滿足主程序的調(diào)用及協(xié)調(diào)。在反應(yīng)堆各種功率范圍下，包括停堆后余熱排出的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，程序都能對(duì)反應(yīng)堆的主要部件，諸如球床堆芯、石墨反射層、碳磚，以及一回路系統(tǒng)各部件的溫度和流場(chǎng)等熱工參數(shù)作詳細(xì)的分析計(jì)算。目前，正在利用HTR-10大量的運(yùn)行和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)THERMIX開(kāi)展深入的驗(yàn)證工作，從而對(duì)高溫氣冷堆核電站示范工程(HTR-PM)的設(shè)計(jì)和分析提供支持[6]。

結(jié)合HTR-10的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立了適用于THERMIX的計(jì)算模型，如圖3所示。計(jì)算模型在柱坐標(biāo)系下建立，取堆芯中軸線和燃料球自由堆積面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以半徑增大方向?yàn)閺较蜃鴺?biāo)的正方向，以向下方向?yàn)檩S向坐標(biāo)的正方向。模型描述了球床堆芯、冷氦氣聯(lián)箱、熱氦氣聯(lián)箱、側(cè)反射層冷氦氣孔道、控制棒孔道等堆內(nèi)冷卻劑流道。

圖3 HTR-10反應(yīng)堆計(jì)算模型Fig.3 Calculating model of HTR-10 reactor1) 球床堆芯；2) 底反射層上部流道；3) 底反射層下部流道；4) 熱氦聯(lián)箱；5) 堆芯上部空腔；6) 不流動(dòng)區(qū)； 7) 壓力殼外底部空腔；8) 堆底環(huán)形流道；9) 堆底繞流流道；10) 冷氦流道；11) 卸料管入口；12) 控制棒孔道出口；13) 控制棒孔道；14) 冷氦聯(lián)箱；15) 小聯(lián)箱； 16) 氦氣入口；17) 壓力殼內(nèi)環(huán)形流道；18) 頂反射層流道；19) 鋼件漏流區(qū)

3 模擬結(jié)果

基于前述計(jì)算模型，結(jié)合試驗(yàn)前初始參數(shù)，以試驗(yàn)過(guò)程中一回路流量的比例變化為主要輸入條件，利用THERMIX程序?qū)TR-10一回路流量變化試驗(yàn)進(jìn)行了模擬。

從圖2可以看到，試驗(yàn)開(kāi)始后的前100 s，一回路氦氣流量維持穩(wěn)定，因此這段時(shí)間內(nèi)反應(yīng)堆功率也維持不變。在100 s至200 s時(shí)間段內(nèi)，氦氣流量增加至初始流量的105%。流量的增加使得反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)排熱增加，因而堆內(nèi)燃料平均溫度開(kāi)始降低，如圖4所示；同時(shí)，計(jì)算表明石墨反射層的溫度在試驗(yàn)過(guò)程中幾乎不變。雖然燃料平均溫度的減少量很小，但是HTR-10很強(qiáng)的溫度負(fù)反饋效應(yīng)仍然向堆內(nèi)引入了大約8.6×10-5Δk/k的正反應(yīng)性，如圖5所示。在正反應(yīng)性的作用下，反應(yīng)堆功率上升很快，如圖6所示。

圖4 燃料平均溫度的計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of the fuel average temperature

圖5 堆內(nèi)總反應(yīng)性的計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of the total reactivity in the reactor

圖6 試驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)堆功率變化Fig.6 Reactor power variation during the test process

試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果均表明，試驗(yàn)開(kāi)始后230 s，堆功率增幅達(dá)到最大，為230 kW。反應(yīng)堆功率的增加會(huì)阻止燃料平均溫度的進(jìn)一步降低，因而后者在達(dá)到最小值后開(kāi)始上升；而燃料溫升和負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)的聯(lián)合作用使得堆內(nèi)的總反應(yīng)性開(kāi)始下降。這樣，反應(yīng)堆功率達(dá)到峰值之后也開(kāi)始下降，并帶動(dòng)燃料平均溫度回落。最后，堆內(nèi)的總反應(yīng)性維持在零，反應(yīng)堆功率和燃料平均溫度停留在各自的穩(wěn)定值上。在450 s至1000 s時(shí)間段內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果均表明，反應(yīng)堆功率的穩(wěn)定值約為3195 kW；同時(shí)，計(jì)算得到的燃料平均溫度只比初始值有微小的增加。

反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行至1000 s時(shí)，堆內(nèi)熱工參數(shù)已經(jīng)重新達(dá)到平衡。在1000 s至1100 s時(shí)間段內(nèi)，調(diào)節(jié)主氦風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使得氦氣流量從105%初始值重新回到100%初始值。從圖4、圖5和圖6可以看到，氦氣流量降低引發(fā)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和前面流量增加的動(dòng)態(tài)過(guò)程正好相反。試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果均表明，試驗(yàn)開(kāi)始后1140 s，堆功率降幅達(dá)到最大，為240 kW。通過(guò)氦氣流量、燃料平均溫度和反應(yīng)堆功率三者的相互作用，堆內(nèi)總反應(yīng)性最后維持在零，而功率和燃料平均溫度也基本回到初始值。

從試驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)堆功率的變化來(lái)看，功率峰值、谷值相對(duì)于流量變化具有大約30～40 s的時(shí)間滯后。THERMIX 程序的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果符合得非常好，能夠很好地再現(xiàn)HTR-10在該試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)特性。計(jì)算結(jié)果表明，燃料元件中心最高溫度在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不超過(guò)834 ℃，因而始終低于1230 ℃的溫度限值，如圖7所示。

圖7 燃料元件中心最高溫度的計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of the maximum fuel center temperature

4 結(jié)論

一回路流量變化試驗(yàn)是HTR-10的三個(gè)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)之一，該試驗(yàn)不僅研究了反應(yīng)堆的瞬態(tài)響應(yīng)特性，也為系統(tǒng)分析程序的驗(yàn)證提供了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

利用THERMIX程序?qū)TR-10一回路流量變化試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，通過(guò)分析可知，氦氣流量的變化對(duì)反應(yīng)堆功率的影響比較顯著。由于這種影響是通過(guò)燃料和慢化劑的溫度負(fù)反饋效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此功率峰值、谷值相對(duì)于流量變化具有大約30～40 s的時(shí)間滯后。氦氣流量增加和降低引發(fā)的動(dòng)態(tài)過(guò)程正好相反，HTR-10很強(qiáng)的自調(diào)節(jié)性能使得反應(yīng)堆功率最后維持在初始值。反應(yīng)堆功率變化的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的相互對(duì)比表明，THERMIX 程序能夠很好地模擬HTR-10 在該試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)特性。試驗(yàn)過(guò)程中，燃料元件中心最高溫度為834 ℃，距離1230 ℃的限值還有很大的裕量。

[1] HU S, LIANG X, WEI L. Commissioning and operation experience and safety experiments on HTR-10 [C]// Proceedings of 3rd International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR2006). Oct. 1-4, 2006, Johannesburg, South Africa.

[2] WU Z, LIN D, ZHONG D. The design features of the HTR-10 [J]. Nuclear Engineering and Design, 2002, 218(1-3): 25-32.

[3] 查美生，仲朔平，李勝?gòu)?qiáng)，等. HTR-10一回路氦氣流量的軟測(cè)量方法 [J]. 自動(dòng)化儀表，2004，25(10): 29-30.

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Simulation of the HTR-10Primary Mass Flow Variation Test

CHEN Fu-bing, DONG Yu-jie, ZHANG Zuo-yi, ZHENG Yan-hua, SHI Lei, LI Fu

(Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University,Collaborative Innovation Center of Advanced Nuclear Energy Technology, the Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety,Ministry of Education, Beijing 100084, China)

The 10 MW high temperature gas-cooled reactor (HTR-10) is the first of its kind in China. The primary mass flow variation test is one of the three dynamic characteristic tests conducted on HTR-10. This test not only verifies the HTR-10 reactor power self-adjustment capability, but also provides measured data for the validation of system analysis codes. Based on actual test conditions, the primary mass flow variation test is simulated using the THERMIX code. Furthermore, main reactor parameters of interest are analyzed. The calculated reactor power agrees well with the test one, demonstrating that the HTR-10 dynamic characteristics can be reproduced satisfactorily by THERMIX. During the test process, the maximum fuel center temperature is always below its limit value of 1 230 ℃.

10 MW high temperature gas-cooled reactor; Primary mass flow variation test; THERMIX; Code validation

2015-12-11

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(ZX069)

陳福冰(1982—)，男，浙江長(zhǎng)興人，助理研究員，博士，現(xiàn)主要從事高溫氣冷堆熱工水力設(shè)計(jì)工作

TL333

A

0258-0918(2017)02-0210-05