賀青云，王 婷，馬忠英，任志豪

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

20世紀(jì)80年代末期，隨著第三代堆概念的提出和核電技術(shù)的不斷更新，反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)與安全殼之間的熱工水力聯(lián)系越來越受關(guān)注并開展了大量研究。Park等[1]基于UNIX系統(tǒng)的進(jìn)程控制技術(shù)開發(fā)了 RELAP5 MOD3與CONTEMPT4的耦合程序。Smith等[2]利用并行計(jì)算機(jī)PVM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了RELAP5 MOD3和CONTAIN1.12的耦合并分析了未能緊急停堆預(yù)期瞬態(tài)(ATWS)。Keco等[3]利用耦合程序RELAP5/GOTHIC分析了壓水堆在滿功率下發(fā)主蒸汽管道破裂事故過程中系統(tǒng)和安全殼內(nèi)的壓力響應(yīng)，分別對比了耦合程序與獨(dú)立程序計(jì)算的差異。Kwon[4]等利用耦合程序RELAP/CONTEMPT4和保守設(shè)計(jì)分析程序比較了Yonggwang核電廠3、4號機(jī)組大破口失水事故工況下的質(zhì)能釋放以及分析了安全殼系統(tǒng)響應(yīng)，對比結(jié)果顯示現(xiàn)實(shí)耦合分析程序計(jì)算更為合理。武小莉等[5]將一體化嚴(yán)重事故程序以子程序的方式與系統(tǒng)程序RELAP5 進(jìn)行直接耦合，并利用Marviken CFT 24試驗(yàn)對耦合程序進(jìn)行了驗(yàn)證。另外，其他研究者[6-11]也進(jìn)行了反應(yīng)堆系統(tǒng)和安全殼系統(tǒng)的耦合分析。

相比大破口事故，中小破口事故的堆芯裕量相對足夠大，通常采用保守低、抑制安全殼壓邊界條件的方式對中小破口事故一回路系統(tǒng)計(jì)算分析，獲得反應(yīng)堆破口處的質(zhì)能釋放與時(shí)間關(guān)系，然后通過獲得的質(zhì)能釋放與時(shí)間的關(guān)系計(jì)算安全殼壓力響應(yīng)和溫度變化。而對于安全殼的壓力和溫度響應(yīng)方面，相比大破口事故，反應(yīng)堆發(fā)生中小破口事故后一般不會使得安全殼壓力存在超限的風(fēng)險(xiǎn)，故邊界設(shè)置也通常采用保守輸入。

本文將采用新的計(jì)算工具，即耦合現(xiàn)有的熱工系統(tǒng)和安全殼程序，實(shí)現(xiàn)冷管段破口事故下的安全殼壓力和溫度響應(yīng)分析。耦合程序計(jì)算設(shè)定在特定時(shí)間間隔內(nèi)交換數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)程序計(jì)算的質(zhì)能釋放用作安全殼程序計(jì)算的邊界條件用于計(jì)算安全殼的壓力響應(yīng)，并以此將計(jì)算的壓力作為系統(tǒng)程序在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)的邊界條件。通過耦合程序分析不同破口尺寸下反應(yīng)堆發(fā)生中小破口事故下的破口噴放狀態(tài)和安全殼的耦合響應(yīng)，主要關(guān)注于安全殼的壓力響應(yīng)而非堆芯包殼最高溫度。

1 耦合方法

系統(tǒng)分析程序在核反應(yīng)堆事故分析中已被廣泛應(yīng)用。在一些復(fù)雜問題分析上，需要熱工水力與其他學(xué)科一起計(jì)算聯(lián)合計(jì)算，如反應(yīng)堆物理、化學(xué)、氣溶膠動力學(xué)和冶金學(xué)等支持，僅僅依靠熱工水力系統(tǒng)程序往往不能提供足夠精確的計(jì)算結(jié)果，并且需要用到其他獨(dú)立的計(jì)算模型輔助計(jì)算。當(dāng)在處理不同的求解區(qū)域時(shí)，通常采用這種獨(dú)立模型方式進(jìn)行計(jì)算(如一回路冷卻系統(tǒng)和安全殼系統(tǒng))，這涉及兩個(gè)不同的求解域、不同的物理計(jì)算模型、不同的空間幾何和時(shí)間離散。

1.1 耦合程序介紹

1.1.1 LOCUST程序

LOCUST程序是中國廣核集團(tuán)自有的執(zhí)行 LOCA 事故以及蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂(SGTR)事故的熱工水力系統(tǒng)分析程序，該程序具備多重故障事故序列(包括 SGTR 疊加SLB、LOCA 疊加ATWS等)以及相關(guān)非LOCA 類事故分析的能力。

1.1.2 CATALPA程序

CATALPA程序是中國廣核集團(tuán)自有的壓水堆安全殼分析程序，主要用于計(jì)算和模擬壓水堆在發(fā)生大質(zhì)量的水和蒸汽釋放事故工況(例如LOCA、SLB事故以及安全殼誤噴淋事故等)之后安全殼內(nèi)部的熱工水力參數(shù)的變化和響應(yīng)。該程序還可用于所有驗(yàn)證安全殼設(shè)計(jì)溫度、壓力的瞬態(tài)工況的模擬，以及對保持安全殼完整性直接相關(guān)的安全系統(tǒng)的驗(yàn)證，還可用來驗(yàn)證保護(hù)定值(安全殼高壓力停主泵信號)的設(shè)計(jì)。

1.1.3 耦合程序

在電廠的安全分析過程中，不同系統(tǒng)或設(shè)備需要不同的物理模型進(jìn)行求解，而不同的物理模型則需要使用不同的空間和時(shí)間進(jìn)行數(shù)值離散，這使得專有功能計(jì)算程序相對獨(dú)立地進(jìn)行開發(fā)，以用于不同系統(tǒng)或功能分析。在核電廠的破口類事故和安全殼響應(yīng)分析中，通?；谕獠康妥鳛楹线m的邊界條件獨(dú)立使用的不同數(shù)學(xué)模型，采用兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行來分析安全殼和一/二回路系統(tǒng)的相互作用。

新的計(jì)算工具，即耦合現(xiàn)有的系統(tǒng)分析程序LOCUST和安全殼分析程序CATALPA實(shí)現(xiàn)對冷管段破口事故的分析。利用耦合程序這種方式相比傳統(tǒng)分析方法，具有以下優(yōu)勢：(1)僅需單次運(yùn)行計(jì)算，就能同時(shí)考慮反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)、破口位置和安全殼的整體響應(yīng)；(2)耦合可作為傳統(tǒng)計(jì)算方法的擴(kuò)展來運(yùn)行，在特定時(shí)間間隔內(nèi)，由系統(tǒng)程序計(jì)算的質(zhì)能釋放用作安全殼程序計(jì)算的邊界條件用于計(jì)算安全殼的壓力響應(yīng)，并將計(jì)算的壓力結(jié)果作為系統(tǒng)程序在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)的邊界條件。綜上所述，耦合計(jì)算這種計(jì)算方法與傳統(tǒng)的計(jì)算方法非常相似，唯一的區(qū)別是安全殼程序和系統(tǒng)程序之間的信息傳遞不僅僅局限于單個(gè)時(shí)刻(即瞬態(tài)計(jì)算的結(jié)束)，而且保證在一個(gè)足夠高的頻率內(nèi)相互傳遞數(shù)據(jù)，因此耦合程序計(jì)算這種方式能夠獲得更加準(zhǔn)確的瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果。

1.2 耦合原理

耦合是在兩個(gè)程序的源程序上直接添加功能，不需要使用任何其他程序工具或協(xié)議。耦合在時(shí)間上屬于顯式，耦合程序的主要邏輯控制端由LOCUST負(fù)責(zé)。舊時(shí)間步驟中的封閉條件用于LOCUST新時(shí)間步驟系統(tǒng)計(jì)算。在每個(gè)收斂的LOCUST計(jì)算時(shí)間步驟結(jié)束時(shí)，接口子程序?qū)⑦吔鐥l件數(shù)據(jù)傳送至CATALPA。CATALPA執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)時(shí)間步，然后接口子程序?yàn)橄乱粋€(gè)LOCUST時(shí)間步驟準(zhǔn)備邊界條件，傳輸原理圖如圖1所示。其中，兩個(gè)程序使用不同的集成變量，在耦合接口中必須考慮變量的轉(zhuǎn)換。破口的個(gè)數(shù)等信息可在LOCUST輸入卡中用戶定義，在破口類事故噴放期間，LOCUST液體/蒸汽的質(zhì)量流量和能量等變量以數(shù)組的形式通過耦合界面?zhèn)鬟f至CATALPA，然后CATALPA通過自動插值傳輸變量進(jìn)行計(jì)算。

圖1 耦合界面圖Fig.1 Coupling interface describe

雖然LOCUST或CATALPA輸入卡沒有變化，但必須為耦合輸入準(zhǔn)備而遵循一些格式要求，如在LOCUST側(cè)。為了最小化對各獨(dú)立程序的影響，在LOCUST輸入卡中增加了一些單獨(dú)輸入?yún)?shù)定義并包含以下接口數(shù)據(jù)：LOCUST/CATALPA耦合的邊界數(shù)量、對應(yīng)的變量、耦合程序啟動時(shí)間、耦合控制時(shí)間步等參數(shù)的定義，并且可自動生成中間傳遞數(shù)據(jù)文件用于耦合程序的驗(yàn)證測試。禁用定義的耦合參數(shù)，LOCUST程序可單獨(dú)運(yùn)行計(jì)算。并且LOCUST在穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，耦合程序處于非激活狀態(tài)，LOCUST可用于生成初始穩(wěn)態(tài)或重啟文件。

1.3 耦合數(shù)據(jù)傳遞

1.3.1 數(shù)據(jù)傳遞變量

在壓水堆中發(fā)生管道破裂、閥門錯(cuò)誤打開或破口類事故時(shí)，一回路/二次側(cè)系統(tǒng)的高溫/高壓汽-液混合物噴放至安全殼。其主要的情況包括冷熱主管道的大/中/小破口、穩(wěn)壓器氣腔破口、主泵軸封破口、穩(wěn)壓器卸壓箱上失效的爆破盤和二次側(cè)主蒸汽管道。主要傳遞的變量如圖1所示，包含破口的流量、能量、空泡份額、不凝結(jié)汽體溫度、管道內(nèi)部壓力等。耦合計(jì)算還需要將反應(yīng)堆壓力管道的釋熱量及安全殼內(nèi)換料水箱(IRWST)和安全殼的地坑水考慮進(jìn)去。

破口流量和能量計(jì)算公式如下：

Qf,k=Qj,k×αf,k

(1)

Qg,k=Qj,k×αg,k

(2)

Ef,k=Uf,k+pk/ρf,k

(3)

Eg,k=Ug,k+pk/ρg,k

(4)

式中：Q——的是流量,kg/s;

E——是焓值,J/kg;

U——是內(nèi)能,J/kg;

p——破口位置控制體內(nèi)的壓力,Pa;

ρ——是接管處的密度;

下角標(biāo)f——液相;

下角標(biāo)g——汽相;

下角標(biāo)k——第k個(gè)破口;

下角標(biāo)α——空泡份額。

1.3.2 耦合技術(shù)

由于LOCUST程序和CATALPA程序都是基于C++語言開發(fā)，所以耦合技術(shù)選取的是C++本身自帶的管道通信技術(shù)[12]，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換和通信，原理圖如圖2所示。耦合程序的整體邏輯控制，包含時(shí)間步的選取，皆由LOCUST一側(cè)負(fù)責(zé)。

圖2 管道通信技術(shù)原理圖Fig.2 Figure title in English

常用的耦合方式有PVM[1]、MPI、DLL[6]和NAI[9]等，以管道通信技術(shù)[12]作為LOCUST/CATALPA耦合技術(shù)是由于系統(tǒng)分析程序LOCUST和安全殼分析程序CATALAP都采用C++語言開發(fā)，這種耦合方式無需調(diào)用第三方庫或其他工具，都可直接在LOCUST和CATALPA程序中直接實(shí)現(xiàn)，便于程序的維護(hù)。

具體通信形式如兩個(gè)進(jìn)程利用管道進(jìn)行通信，相互交替進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)雙向耦合。以LOCUST側(cè)發(fā)送信息舉例，發(fā)送信息的進(jìn)程稱為寫進(jìn)程，由LOCUST執(zhí)行，接收信息的進(jìn)程稱為讀進(jìn)程，由CATALPA執(zhí)行。通信形式類似于管道一樣將寫進(jìn)程和讀進(jìn)程連接在一起，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程之間的通信。寫進(jìn)程通過寫入端(發(fā)送端)往管道中寫入信息；讀進(jìn)程通過讀出端(接收端)從管道中讀取信息。兩個(gè)進(jìn)程協(xié)調(diào)不斷地進(jìn)行寫和讀，便會構(gòu)成雙方通過管道傳遞信息的流水線。

2 分析對象

本文分析對象為壓水堆中小破口失水事故，失水事故是指反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)管道或與之相連的第一道隔離閥之前的管線發(fā)生破口的事故。對于華龍堆型破口當(dāng)量直徑在5.0～25.0 cm范圍內(nèi)的事故定義為中等尺寸破口事故，簡稱中破口事故，小于5.0 cm當(dāng)量直徑的破口失水事故簡稱小破口事故。

對于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)的中破口事故會引起一回路冷卻劑的喪失和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力下降。對于這一類破口事故，堆芯水位不能一直保持在名義水平，存在著堆芯裸露的風(fēng)險(xiǎn)。中破口事故相比小破口事故噴放流量更大，噴放速率更快，使得安全殼內(nèi)的壓力響應(yīng)相比后者更加明顯。安注信號觸發(fā)安全殼一階段隔離，將破口泄露的放射性流體包含在的安全殼內(nèi)足夠大的安全殼自由體積容積，可以防止安全殼超壓。

分析對象是華龍一號堆型IB/SB-LOCA事故，模擬確定破口位于回路冷管段位置，進(jìn)行當(dāng)量直徑為2.5 cm、10.0 cm和25 cm破口三種不同工況下的中小破口事故分析。在發(fā)生破口事故后，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)出現(xiàn)噴放過程，經(jīng)過破口釋放的質(zhì)量和能量使得安全殼壓力和溫度升高。穩(wěn)壓器水位不能保持，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力下降。當(dāng)穩(wěn)壓器壓力下降到停堆整定值時(shí)，引起反應(yīng)堆的停堆。當(dāng)穩(wěn)壓器壓力持續(xù)下降到安注整定值時(shí)，安注系統(tǒng)投入運(yùn)行，補(bǔ)充反應(yīng)堆冷卻劑的泄露。以10.0 cm尺寸中破口的事故為例，如表1所示。

表1 尺寸10 cm破口事故序列表

由于很難找到足夠典型的實(shí)驗(yàn)和簡單設(shè)施用于反映一回路冷卻系統(tǒng)和安全殼系統(tǒng)之間緊密相互作用事故期間經(jīng)歷的狀態(tài)，所以耦合程序的對比測試采用兩種不同的運(yùn)行策略，首先僅僅使用LOCUST程序?qū)Ψ磻?yīng)堆中小破口算例進(jìn)行計(jì)算，第二種測試中LOCUST與安全殼相關(guān)的部件替代為安全殼程序，采用耦合方法進(jìn)行計(jì)算。

第一種方案單獨(dú)使用LOCUST程序計(jì)算中采用單一節(jié)點(diǎn)的控制體模擬安全殼，控制體的初始條件設(shè)置為的一個(gè)大氣壓。對應(yīng)的耦合計(jì)算程序LOCUST/CATALAP計(jì)算過程，熱工系統(tǒng)程序采用一個(gè)時(shí)間相關(guān)控制體，安全殼采用是流量邊界控制體，通過控制耦合邊界在耦合時(shí)間步長內(nèi)數(shù)據(jù)交換來實(shí)現(xiàn)耦合程序的實(shí)時(shí)計(jì)算。

3 結(jié)果對比

3.1 耦合計(jì)算測試

在進(jìn)行事故分析計(jì)算之前，需要對耦合程序的計(jì)算方法是否正確以及結(jié)果合理性進(jìn)行評估。測試的方式的將耦合程序LOCUST/CATALPA計(jì)算的安全殼壓力結(jié)果與兩步計(jì)算方法CATALPA計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比。其中兩步法計(jì)算方法第一步中，系統(tǒng)程序計(jì)算破口處的壓力邊界條件采用的是耦合程序計(jì)算的壓力作為邊界條件，將計(jì)算得到反應(yīng)堆破口處噴放的質(zhì)能參數(shù)作為CATALPA程序的輸入，計(jì)算安全殼壓力響應(yīng)。

對比測試算例采用的是破口當(dāng)量直徑為10.0 cm的中破口事故，將單獨(dú)采用CATALPA計(jì)算的壓力值與LOCUST/CATALPA耦合計(jì)算的安全殼壓力值，結(jié)果如圖3所示，可以明顯地發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)符合一致，說明耦合程序的計(jì)算是合理的，系統(tǒng)程序與安全殼程序的耦合是成功的，為下一步進(jìn)行安全殼和一回路冷卻系統(tǒng)的整體分析確認(rèn)了基礎(chǔ)。

圖3 耦合程序與分步計(jì)算安全殼壓力響應(yīng)對比Fig.3 Comparison pressure of containment by using coupling method and serperate method

3.2 穩(wěn)態(tài)分析

穩(wěn)態(tài)測試是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性的重要步驟，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果的正確與否是評價(jià)事故分析是否正確的重要指標(biāo)之一。

首先需要進(jìn)行對輸入文件中參數(shù)的測試：輸入文件行的審查、穩(wěn)定序列的初步測試和使用標(biāo)準(zhǔn)序列對參數(shù)文件進(jìn)行總體性能的驗(yàn)證。經(jīng)過一系列調(diào)試過程之后，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行主要檢查參數(shù)結(jié)果與建模設(shè)計(jì)參數(shù)對比如表2所示。穩(wěn)態(tài)結(jié)果表明，所調(diào)試的狀態(tài)各運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢很小，與設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值吻合程度較好。在此穩(wěn)態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行事故的瞬態(tài)分析計(jì)算。

表2 建模穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參考數(shù)值

3.3 事故分析

圖4描述的是小破口冷管段發(fā)生2.5 cm小破口時(shí)，單獨(dú)采用LOCUST模擬和LOCUST/CATALPA耦合計(jì)算的破口質(zhì)量流量對比。從圖中可以看出，對比的噴放流量曲線一致，這是由于小破口一回路系統(tǒng)壓力還處于較高值，使得破口一直處于臨界流噴放狀態(tài)。臨界流速與下游出口的壓力無關(guān)，它由破口的幾何形狀和上游的入口條件決定，所以兩者破口流量噴放基本相同。

圖4 2.5 cm尺寸小破口事故下破口質(zhì)量流量對比Fig.4 Comparison of mass flow in 2.5 cm break size of SB-LOCA

圖5描述的是2.5 cm尺寸小破口安全殼壓力響應(yīng)LOCUST單獨(dú)計(jì)算和LOCUST/CATALPA耦合計(jì)算對比結(jié)果，可以明顯地看出后者計(jì)算的安全殼壓力低于前者，這是由于單獨(dú)采用LOCUST計(jì)算中的安全殼模型采用的是點(diǎn)控制體，使用的是絕熱無熱構(gòu)件和壓力抑制系統(tǒng)，耦合程序中采用的是更加真實(shí)的安全殼模型。結(jié)合圖4描述的質(zhì)量流量分布，破口流量在約750 s時(shí)流量下降區(qū)域穩(wěn)定，耦合計(jì)算的安全殼壓力也趨于平穩(wěn)，其計(jì)算值遠(yuǎn)低于安全壓力限值0.52 MPa。

圖6描述的是2.5 cm小破口發(fā)生后安全殼內(nèi)的溫度響應(yīng)對比?？梢钥闯?，在500 s前，LOCUST計(jì)算與耦合程序LOCUST/CATALPA計(jì)算的溫度保持一致，而后耦合計(jì)算安全殼溫度會逐漸下降，因?yàn)榘踩珰び凶銐蚨嗟臒針?gòu)件吸收噴放出來的熱量，在事故發(fā)生后能夠?qū)⒎派湫晕镔|(zhì)控制在一定空間內(nèi)。

圖5 2.5 cm尺寸小破口事故下安全殼壓力對比Fig.5 Comparison pressure of containment in 2.5 cm break size of SB-LOCA

圖6 2.5 cm尺寸小破口事故下安全殼溫度對比Fig.6 Comparison temperature of containment in 2.5 cm break size of SB-LOCA

增大破口的尺寸進(jìn)行敏感性分析，圖7描述的是在當(dāng)量直徑10.0 cm破口位置的質(zhì)量流量噴放單獨(dú)采用LOCUST計(jì)算和LOCUST/CATALPA耦合程序計(jì)算對比，可以發(fā)現(xiàn)在噴放初期，耦合程序計(jì)算更加的穩(wěn)定，不會出現(xiàn)明顯的振蕩。

圖8描述的是10.0 cm中破口點(diǎn)控制體模型和耦合程序計(jì)算的安全殼壓力響應(yīng)對比。在噴放初期，兩者壓力響應(yīng)基本一致，而后耦合計(jì)算的安全殼壓力明顯小于點(diǎn)控制體模型計(jì)算，與小破口計(jì)算類似。

圖7 10.0 cm尺寸中破口事故下破口質(zhì)量流量對比Fig.7 Comparison of mass flow in 10.0 cm break size of IB-LOCA

圖8 10.0 cm尺寸破口事故下安全殼壓力對比Fig.8 Comparison pressure of containment in 10.0 cm break size of IB-LOCA

圖9為10.0 cm中破口點(diǎn)控制體模型和耦合程序計(jì)算的安全殼溫度響應(yīng)對比。溫度對比噴放初期一致，而后在一段時(shí)間內(nèi)耦合計(jì)算的安全殼溫度高于LOCUST點(diǎn)控制體模型計(jì)算，而后會趨于平緩低于單獨(dú)采用LOCUST計(jì)算的結(jié)果。

隨著破口尺寸的越來越大，發(fā)生破口初始時(shí)刻的破口噴放流量也越大，噴放流量下降速率也越快，這是由于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的泄壓更快導(dǎo)致的。

通過圖10可以看出，在當(dāng)量直徑25.0 cm中破口事故發(fā)生后，對比單獨(dú)使用LOCUST模擬和耦合程序LOCUST/CATALPA計(jì)算的質(zhì)量流量隨時(shí)間變化曲線基本重疊，但是LOCUST/CATALPA耦合計(jì)算在噴放初期計(jì)算會更加的穩(wěn)定。單獨(dú)采用LOCUST計(jì)算時(shí)會在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯振蕩。

圖9 10.0 cm尺寸中破口事故下安全殼溫度對比Fig.9 Comparison temperature of containment in 10.0 cm break size of IB-LOCA

圖10 25.0 cm尺寸中破口事故下破口質(zhì)量流量對比Fig.10 Comparison of mass flow in 25.0 cm break size of IB-LOCA

圖11為安全殼的壓力相應(yīng)對比，可以看出，耦合計(jì)算在計(jì)算初期的壓力上升速率較快，這明顯不同于中小破口2.5 cm和10.0 cm破口安全殼的壓力響應(yīng)對比，這是由于單獨(dú)的LOCUST計(jì)算采用的是單個(gè)控制體模擬，熱工系統(tǒng)程序使用的是平均場，兩相之間的換熱面積比CATALPA計(jì)算安全殼模型的壁面冷凝和兩相換熱大。安全殼壓力在達(dá)到第一個(gè)峰值后安全殼的壓力會明顯地緩慢下降，并且會低于單獨(dú)采用LOCUST計(jì)算的安全殼壓力，與圖10中的噴放流量對應(yīng)，在約400 s時(shí)噴放流量變得相對很小，使得耦合計(jì)算的壓力不會繼續(xù)迅速上升。

圖11 25.0 cm尺寸破口事故下安全殼壓力對比Fig.11 Comparison pressure of containment in 25.0 cm break size of IB-LOCA

圖12為采用傳統(tǒng)的兩步求解法和LOCUST/CATALPA耦合程序計(jì)算方法求解的安全殼壓力對比,由于破口都處在臨界流，安全殼壓力不影響破口處冷卻劑的噴放，所以傳遞給安全殼的質(zhì)能釋放也基本一致，從而使得傳統(tǒng)的兩步法和耦合計(jì)算的安全壓力基本沒有差別，但是在時(shí)間800 s后耦合的安全殼比傳統(tǒng)的低，體現(xiàn)出耦合計(jì)算的優(yōu)勢。

圖12 傳統(tǒng)兩步法和耦合程序計(jì)算的安全殼壓力對比Fig.12 Comparison pressure of containment between two steps method and LOCUST/CATALPA in 25.0 cm break size of IB-LOCA

4 結(jié)論

采用系統(tǒng)和安全殼耦合程序LOCUST/CATALPA對壓水堆核電廠進(jìn)行冷管段不同尺寸事故工況進(jìn)行計(jì)算，通過對破口事故進(jìn)程中的破口處和安全殼系統(tǒng)的一些重要的熱工水力參數(shù)隨時(shí)間的變化情況的分析，得到以下結(jié)論。

(1)耦合分析程序LOCUST/CATALPA能夠合理地同時(shí)模擬破口事故中的反應(yīng)堆系統(tǒng)和安全殼響應(yīng)。

(2)單獨(dú)的系統(tǒng)程序模擬和耦合計(jì)算模擬結(jié)果在的安全殼的壓力和溫度響應(yīng)方面有著較大的差異，這是由于單獨(dú)使用系統(tǒng)程序的計(jì)算中采用了單一絕熱無熱構(gòu)件和壓力抑制系統(tǒng)，耦合分析安全殼設(shè)置更加真實(shí)。在主回路系統(tǒng)中小破口位置熱工狀態(tài)差異較小，但耦合計(jì)算更加穩(wěn)定。

在后續(xù)工作中，將關(guān)注與大破口事故和蒸汽管道破裂事故，此類事故更能體現(xiàn)耦合程序計(jì)算帶來的優(yōu)勢。