劉同先,李天涯,肖 鵬,廖鴻寬,于穎銳,周金滿
(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041)
堆芯功率分布可用徑向功率分布和軸向功率分布分別描述。徑向功率分布是燃料組件和可燃毒物裝載方式、控制棒布置以及燃料燃耗分布的函數(shù)。在燃料循環(huán)的任一時(shí)刻,堆芯平面可用無(wú)棒或有棒的平面表征。這兩種情況與燃耗效應(yīng)相結(jié)合,決定了不同功率水平下堆芯中可能存在的功率分布。功率水平、氙、釤以及慢化劑密度對(duì)徑向功率分布也存在一定的影響,但影響相當(dāng)小,而非均勻的流量分配對(duì)徑向功率分布的影響可忽略[1]。
軸向功率分布在很大程度上取決于操縱員的控制,如操縱員通過(guò)手動(dòng)操作控制棒或控制棒自動(dòng)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制。引起軸向功率分布變化的因素有慢化劑密度、共振吸收的多普勒效應(yīng)、空間氙分布、燃耗以及燃料富集度和可燃毒物的軸向分布。反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中,堆芯軸向功率分布可能會(huì)經(jīng)歷顯著變化,移動(dòng)控制棒與改變負(fù)荷會(huì)使其迅速變化,而氙分布的變化則較為緩慢地引起軸向功率分布變化。本文以堆芯功率能力分析方法為基礎(chǔ),研究包絡(luò)功率形狀的驗(yàn)證方法,按工況Ⅰ(工況Ⅰ是指那些在核電廠正常運(yùn)行、維修和操作過(guò)程中預(yù)計(jì)會(huì)頻繁地或有規(guī)律地出現(xiàn)的工況)的包絡(luò)功率形狀和參考功率形狀分別進(jìn)行介紹。
在堆芯DNB計(jì)算中,最小偏離泡核沸騰比(DNBR)的位置取決于軸向功率分布,而DNBR取決于到該點(diǎn)的焓升。功率分布對(duì)堆芯DNB具有較高的重要性,通常綜合極限的軸向功率分布和最不利的徑向功率分布,計(jì)算堆芯DNBR。核電廠在運(yùn)行過(guò)程及事故過(guò)程中可能出現(xiàn)的功率分布形狀各不相同,如何通過(guò)包絡(luò)的方式為熱工水力設(shè)計(jì)及事故分析提供盡量少的極限的功率形狀,從而有效減少后續(xù)的工作量,是堆芯核設(shè)計(jì)人員的研究?jī)?nèi)容。根據(jù)事故過(guò)程中功率分布的變化程度以及核電廠保護(hù)系統(tǒng)特性,將事故分析所需的極限功率形狀分3種情況進(jìn)行介紹。
對(duì)于事故過(guò)程中的功率分布基本不變的情況,如在失流事故[2]工況下,堆芯熱管的熱流密度分布非常類似于事故前正常運(yùn)行時(shí)的功率密度分布。因此,使用初始堆芯通量的函數(shù)計(jì)算失流事故工況下堆芯最小DNBR是可行的?;谶@一分析,對(duì)于非超功率/超溫的DNB事故,其初始條件假設(shè)是在工況Ⅰ運(yùn)行中可能出現(xiàn)的功率分布。此種情況下,可尋找工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀,它包絡(luò)所有工況Ⅰ下功率形狀,并以工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀作為此類事故分析所需的極限功率形狀。
對(duì)于事故過(guò)程中的功率分布發(fā)生明顯變化,且功率分布信息能被核電廠保護(hù)系統(tǒng)用以保護(hù)堆芯的情況,如在許多工況下,整個(gè)事故過(guò)程中熱管的軸向功率分布將因控制棒的移動(dòng)、反應(yīng)堆冷卻劑溫度和反應(yīng)堆功率水平變化而變化。通過(guò)多段堆外通量?jī)x器的信號(hào)獲得堆芯上半部功率與下半部功率之差的指示ΔI(稱為軸向功率偏差),ΔI可用于保護(hù)堆芯出現(xiàn)過(guò)大的軸向功率不平衡。此種情況下,可設(shè)定一個(gè)參考功率形狀,它在一定范圍內(nèi)是一包絡(luò)的功率形狀。在上述參考功率形狀包絡(luò)范圍之外,由保護(hù)通道中的一個(gè)隨ΔI而自動(dòng)降低整定值的功率虧損函數(shù)[3](f(Pr,ΔI))來(lái)保證參考功率形狀仍是包絡(luò)的,并以參考功率形狀作為此類事故分析使用的極限功率形狀。
對(duì)于事故過(guò)程中的功率分布發(fā)生明顯變化,且功率分布信息不能被核電廠保護(hù)系統(tǒng)用以保護(hù)堆芯的情況,如彈棒事故、主蒸汽管道斷裂事故。將在正常運(yùn)行可能出現(xiàn)的最壞的或極限功率分布作為事故分析的初始條件,進(jìn)一步根據(jù)事故的變化過(guò)程,構(gòu)造事故發(fā)生后最壞的或極限功率分布,并作為事故分析設(shè)計(jì)人員的輸入。此種情況下,每個(gè)事故使用的極限功率形狀均需根據(jù)具體的事故分別進(jìn)行構(gòu)造,不存在單一的包絡(luò)功率形狀。
上述3種情況下功率分布的計(jì)算方式和核電廠的硬件系統(tǒng)密切相關(guān),具體如下:對(duì)于僅設(shè)置了超功率ΔT/超溫ΔT保護(hù)系統(tǒng)的核電廠,如M310核電廠[4-5],堆芯核設(shè)計(jì)人員需提供上述3種情況的極限功率形狀;對(duì)于設(shè)置了功率分布在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和超功率ΔT/超溫ΔT保護(hù)系統(tǒng)的核電廠,例如AP1000核電廠[6-9],堆芯核設(shè)計(jì)人員需提供上述第2種和第3種情況的極限功率形狀;對(duì)于設(shè)置了功率分布在線保護(hù)系統(tǒng)的核電廠,例如VVER核電廠[10],堆芯核設(shè)計(jì)人員僅需提供上述第3種情況的極限功率形狀。
華龍一號(hào)核電廠雖設(shè)置了功率分布在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(RII)和超功率ΔT/超溫ΔT保護(hù)系統(tǒng),鑒于RII尚屬首次工程應(yīng)用,核設(shè)計(jì)沒(méi)有置信RII,仍按傳統(tǒng)的運(yùn)行圖方式設(shè)計(jì)核電廠ΔI變化范圍,堆芯核設(shè)計(jì)人員需提供上述3種情況下的極限功率形狀。由于第3種情況下的極限功率形狀不存在單一的包絡(luò)功率形狀,因此本文僅研究第1種和第2種情況下的包絡(luò)功率形狀。
正常運(yùn)行的涵義是反應(yīng)堆操縱員正確而又及時(shí)地進(jìn)行操作,即為維持適當(dāng)?shù)墓β史植?,操縱員應(yīng)遵循所推薦的運(yùn)行規(guī)程,并根據(jù)核電廠儀表報(bào)警信號(hào),采取必要的糾正措施。堆芯的功率分布受很多因素的影響,為研究最接近軸向功率分布極限的那些點(diǎn),可用核電廠易于觀察到的參數(shù)來(lái)確定。具體地說(shuō),下述核設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)軸向功率分布的分析有重要作用:堆芯功率水平;堆芯活性區(qū)高度;冷卻劑溫度與流量;冷卻劑溫度與反應(yīng)堆功率的關(guān)系;循環(huán)長(zhǎng)度;棒組價(jià)值;棒組重疊步。
運(yùn)行圖中所有運(yùn)行點(diǎn)是正常運(yùn)行工況下堆芯可能出現(xiàn)的狀態(tài)點(diǎn)。對(duì)于華龍一號(hào)反應(yīng)堆,上述參數(shù)中的堆芯活性區(qū)高度、冷卻劑溫度和流量、冷卻劑溫度和反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系為固定值(在后續(xù)計(jì)算分析中采用相同的輸入值),因而對(duì)反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況(包括負(fù)荷跟蹤)進(jìn)行模擬計(jì)算,在分析中通過(guò)改變下列參數(shù)可產(chǎn)生大量的堆芯功率分布:堆芯燃耗、氙濃度和分布、堆芯功率水平和控制棒組棒位。在模擬堆芯正常運(yùn)行的功率分布時(shí),采用特定的策略使這些參數(shù)在嚴(yán)格遵守技術(shù)規(guī)格書的限制下各自獨(dú)立的變化,從而產(chǎn)生大量的覆蓋工況Ⅰ運(yùn)行圖的狀態(tài)點(diǎn)。功率分布模擬采用3步策略[4]。第1步:選擇典型的初始功率水平,此時(shí)堆芯處于氙平衡狀態(tài);第2步:低功率氙演變階段,堆芯功率水平從初始狀態(tài)瞬時(shí)降至低功率水平,從而堆芯開始數(shù)小時(shí)的氙演變階段;第3步:瞬時(shí)返回功率階段,在氙演變的各時(shí)期,進(jìn)行瞬時(shí)返回高功率計(jì)算,此時(shí)由于氙瞬態(tài)和功率瞬變共同作用使堆芯軸向功率分布達(dá)到正常運(yùn)行的極限。
圖1為正常運(yùn)行功率分布模擬策略。圖1中的1、2和3分別代表上述3步分析過(guò)程。該策略考慮了典型的功率水平和控制棒組動(dòng)作,對(duì)于初始狀態(tài)到低功率氙演變的棒位變化,可根據(jù)反應(yīng)堆實(shí)際運(yùn)行模式、技術(shù)規(guī)格書和運(yùn)行圖,進(jìn)行詳盡地考慮。
圖1 正常運(yùn)行功率分布模擬策略Fig.1 Simulation strategy of normal operation power distribution
三維分析方法[11]使用FLICAIII-F子通道熱工水力程序進(jìn)行DNBR的計(jì)算,臨界熱流密度計(jì)算采用FC關(guān)系式。DNBR計(jì)算選用了包絡(luò)參考徑向設(shè)計(jì)功率分布,使用的堆芯平均軸向功率分布取實(shí)際狀態(tài)點(diǎn)的功率分布。目前華龍一號(hào)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電廠[12]反應(yīng)堆熱功率輸出為3 180 MW,反應(yīng)堆運(yùn)行壓力為15.5 MPa,反應(yīng)堆堆芯由177組AFA3G燃料組件構(gòu)成,堆芯活性段高度(冷態(tài))為365.76 cm,反應(yīng)堆運(yùn)行模式為Mode-G[13]。各循環(huán)模擬的滿足運(yùn)行圖的工況Ⅰ狀態(tài)點(diǎn)均進(jìn)行了DNBR計(jì)算,在其他計(jì)算條件一致的情況下,DNBR越小,相應(yīng)的功率形狀就越惡劣,根據(jù)最小的DNBR計(jì)算值即可找到工況Ⅰ包絡(luò)的功率形狀。最小的DNBR計(jì)算值為1.938,并將相應(yīng)的堆芯平均軸向功率分布作為工況Ⅰ的包絡(luò)功率形狀,如圖2所示。
圖2 工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀Fig.2 Limiting power shape of category Ⅰ
進(jìn)一步將各狀態(tài)點(diǎn)均以DNBR裕量的形式表示:
(1)
式中:DNBRlimit為1.938;DNBR為狀態(tài)點(diǎn)下的DNBR計(jì)算值。
為證明上述工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀的包絡(luò)性,圖3示出第1循環(huán)和平衡循環(huán)工況Ⅰ狀態(tài)點(diǎn)的DNBR裕量分布圖。從圖3可看出,Ⅰ類工況包絡(luò)功率形狀下計(jì)算的DNBR最小,因而Ⅰ類工況包絡(luò)功率形狀包絡(luò)了所有工況Ⅰ下的功率形狀。
圖3 第1循環(huán)和平衡循環(huán)工況Ⅰ狀態(tài)點(diǎn)的DNBR裕量Fig.3 DNBR margin of category Ⅰ in initial cycle and equilibrium cycle
在許多工況下,整個(gè)事故過(guò)程中熱管的軸向功率分布將因控制棒的移動(dòng)、反應(yīng)堆冷卻劑溫度和反應(yīng)堆功率水平變化而變化,所造成的軸向功率分布是偏離正常運(yùn)行條件的功率分布,為保障堆芯安全,通過(guò)設(shè)置超溫ΔT停堆保護(hù)堆芯不發(fā)生低的DNBR。超溫ΔT停堆需對(duì)這種情況下所有可能出現(xiàn)的功率形狀提供保護(hù),通過(guò)窮舉法進(jìn)行保護(hù)通道設(shè)計(jì)所需的工作量是龐大的,而通過(guò)包絡(luò)方法進(jìn)行保護(hù)通道設(shè)計(jì)是一種有效的簡(jiǎn)化工作方法。設(shè)定一個(gè)參考功率形狀和f(Pr,ΔI)函數(shù)(功率和ΔI的函數(shù),隨ΔI絕對(duì)值的增大而自動(dòng)降低停堆整定值的功率,功率分布越惡劣就越早停堆)來(lái)保證參考功率形狀在這種情況下仍是包絡(luò)的。
建立超溫ΔT保護(hù)系統(tǒng)整定值(DNB限值線)[14-15]時(shí)僅使用了一個(gè)參考功率形狀,反應(yīng)堆可在給定的ΔI范圍內(nèi)運(yùn)行,在這個(gè)ΔI范圍外,功率水平須降低或停堆,為此由超溫ΔT保護(hù)系統(tǒng)中的f(Pr,ΔI)函數(shù)來(lái)保護(hù)堆芯安全。在這種情況下,為驗(yàn)證在f(Pr,ΔI) 函數(shù)作用下參考功率形狀的包絡(luò)性,就需要其他峰值功率向堆芯頂部或底部偏移的軸向功率形狀來(lái)檢驗(yàn)f(Pr,ΔI) 函數(shù)能否保證事故工況下滿足DNBR準(zhǔn)則。
在設(shè)計(jì)中將操縱員不正確的操作或失誤假定為中等頻率事件(工況Ⅱ)。如在控制棒改變功率水平導(dǎo)致的氙瞬態(tài)過(guò)程中,由于操縱員未采取正確的操作即可能造成這樣的Ⅱ類事故。為確定f(Pr,ΔI)函數(shù),考慮了3種事件,即控制棒設(shè)備故障、操縱員誤操作和操縱員疏忽性錯(cuò)誤。
第1種事件包括控制棒失控提升(按正常順序提升),還包括控制棒組在其插入限以下移動(dòng),如失控硼稀釋或一回路冷卻劑降溫均會(huì)出現(xiàn)這種情況。第2種事件假定操縱員錯(cuò)誤地將控制棒組插在超出插入限的位置,使反應(yīng)堆在短期內(nèi)處于不正常的運(yùn)行狀態(tài)下。第3種事件假定操縱員未采取措施糾正超出規(guī)定范圍的功率分布。
在確定功率分布時(shí)還假定,總功率水平由于反應(yīng)堆緊急停堆而被限制在118%FP以下,并假設(shè)事件發(fā)生極短時(shí)間內(nèi)就采取糾正措施,即不考慮由于誤動(dòng)作引起的瞬態(tài)氙效應(yīng);氙分布假定是在包括正常氙瞬態(tài)在內(nèi)的典型的正常運(yùn)行狀態(tài)下氙分布。工況Ⅱ狀態(tài)點(diǎn)是通過(guò)對(duì)選定的一系列工況Ⅰ狀態(tài)點(diǎn)作為初始點(diǎn)進(jìn)行不同的事故模擬產(chǎn)生的。選擇工況Ⅰ初始狀態(tài)點(diǎn)的方法如下:控制棒處于極端位置;堆芯氙分布最惡劣;導(dǎo)致最小線功率密度裕量和DNBR裕量的狀態(tài)點(diǎn)。
對(duì)于每個(gè)選定的工況Ⅰ初始狀態(tài)點(diǎn),均要進(jìn)行上述3種事件的模擬,對(duì)于上述每類事件,在整個(gè)事件的全過(guò)程中執(zhí)行功率分布的計(jì)算。通過(guò)以上事故的模擬可產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的足以代表工況Ⅱ的狀態(tài)點(diǎn)。
DNB限值線為各參考?jí)毫ο碌亩研救肟跍囟?功率水平的關(guān)系曲線,華龍一號(hào)DNB限值線采用軸向功率峰值因子(Fz)為1.55的截?cái)嘤嘞曳植即_定,限值線上DNBR為1.20。將工況Ⅱ下產(chǎn)生的功率形狀和參考功率形狀在DNB限值線上對(duì)應(yīng)的堆芯狀態(tài)參數(shù)下進(jìn)行比較,即在其他計(jì)算輸入均一致的情況下,僅將參考功率形狀替換為工況Ⅱ下產(chǎn)生的功率形狀,然后執(zhí)行DNB計(jì)算。在這種條件下,如果功率形狀較參考功率形狀有利,則DNBR的計(jì)算值就大于1.20,在“蠅跡”圖上,該點(diǎn)即為正裕量點(diǎn);相反,如果功率形狀較參考功率形狀不利,則DNBR的計(jì)算值就小于1.20,在“蠅跡”圖上,該點(diǎn)即為負(fù)裕量點(diǎn)。
圖4示出了平衡循環(huán)、典型燃耗步、事故起點(diǎn)為滿功率下DNBR裕量的驗(yàn)證結(jié)果,DNBR裕量計(jì)算方法同2.2節(jié)中所采用的方法。圖4中存在大量DNBR裕量為負(fù)值的點(diǎn),不能支持參考功率形狀滿足包絡(luò)性要求,因而需設(shè)置f(Pr,ΔI)函數(shù)來(lái)保證參考功率形狀仍是包絡(luò)的。根據(jù)f(Pr,ΔI)函數(shù)的定義,通過(guò)“蠅跡”圖的下邊即能確定f(Pr,ΔI)函數(shù),即惡劣功率分布所需提前停堆的功率差值。重復(fù)上述DNBR計(jì)算,在計(jì)算中輸入設(shè)定的f(Pr,ΔI)函數(shù),所輸入的功率虧損函數(shù)會(huì)自動(dòng)降低停堆整定值。若所有的DNBR計(jì)算值均大于1.20,即可支持參考功率形狀滿足包絡(luò)性要求,進(jìn)而證明超溫ΔT停堆系統(tǒng)能對(duì)所有的功率分布提供保護(hù)。
圖4 典型的DNBR裕量隨ΔI的變化Fig.4 Typical DNBR margin vs. ΔI
圖5示出了考慮f(Pr,ΔI)函數(shù)后的計(jì)算結(jié)果。從驗(yàn)證結(jié)果可得出,所有的DNBR計(jì)算值均大于1.20,在Ⅱ類事故工況下超溫ΔT保護(hù)通道中參考軸向功率形狀和f(Pr,ΔI)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。
圖5 超溫ΔT停堆整定值驗(yàn)證Fig.5 Verification of overtemperature ΔT setpoint determination
根據(jù)3.2節(jié)的分析可看出,1個(gè)參考功率形狀,它在一定范圍內(nèi)是1個(gè)包絡(luò)的功率形狀;在上述參考功率形狀包絡(luò)范圍外,由f(Pr,ΔI)函數(shù)來(lái)保證參考功率形狀仍是包絡(luò)的。參考功率形狀可采用截?cái)嘤嘞曳植?、工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀,也可采用其他功率形狀。根據(jù)不同的參考功率形狀建立的堆芯DNB限值線及相應(yīng)的f(Pr,ΔI)函數(shù)存在差異,更惡劣的參考功率形狀會(huì)導(dǎo)致DNB限值線上同一功率水平下允許的最大入口水溫更低,但相應(yīng)的f(Pr,ΔI)函數(shù)給出的整定值降低量更小。無(wú)論如何,對(duì)事故過(guò)程中的同一個(gè)功率分布,超溫ΔT保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果是一致的。
為更直觀說(shuō)明參考功率形狀和f(Pr,ΔI)函數(shù)的關(guān)系。圖6示出了功率運(yùn)行時(shí)控制棒組失控抽出事故過(guò)程中的1個(gè)典型軸向功率形狀,相應(yīng)的堆芯相對(duì)功率水平為1.124。在其他條件一致的情況下,參考功率形狀分別采用Fz為1.55的截?cái)嘤嘞曳植己凸rⅠ包絡(luò)功率形狀建立堆芯DNB限值線;當(dāng)堆芯相對(duì)功率水平為1.124時(shí),DNB限值線的堆芯入口溫度分別為307.03 ℃(參考功率形狀為截?cái)嘤嘞曳植?和299.73 ℃(參考功率形狀為工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀)。
圖6 事故過(guò)程中典型的軸向功率形狀Fig.6 Typical axial power shape in accident
表1列出了不同功率形狀在不同堆芯入口水溫下的DNBR計(jì)算值。從表1可看出,堆芯入口溫度為307.03 ℃時(shí),典型事故功率形狀下DNBR計(jì)算值為0.873;堆芯入口溫度為299.73 ℃時(shí),典型事故功率形狀下DNBR計(jì)算值為1.070。兩者均小于1.200,均不能支持各自的參考功率形狀滿足包絡(luò)性要求,因而需設(shè)置f(Pr,ΔI)函數(shù)來(lái)降低典型事故功率形狀下的停堆整定值,以使典型事故功率形狀下的DNBR不小于1.2,來(lái)保證參考功率形狀仍是包絡(luò)的。
表1 不同功率形狀下的DNBRTable 1 DNBR of various power shapes
當(dāng)參考功率形狀為截?cái)嘤嘞曳植紩r(shí),相應(yīng)的f(Pr,ΔI)函數(shù)需至少降低整定值11.78 ℃;當(dāng)參考功率形狀為工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀時(shí),相應(yīng)的f(Pr,ΔI)函數(shù)需至少降低整定值4.48 ℃;雖然工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀較截?cái)嘤嘞曳植紣毫?在其他計(jì)算條件相同時(shí),工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀下計(jì)算的DNBR更小),考慮各自的整定值降低量后,典型事故功率形狀下的停堆整定值均為295.25 ℃,保護(hù)效果是一致的。從而進(jìn)一步說(shuō)明參考功率形狀和相應(yīng)的f(Pr,ΔI)函數(shù)是配套使用的,即在特定的f(Pr,ΔI)函數(shù)下,相應(yīng)的參考功率形狀才是包絡(luò)的,該參考功率形狀作為此類事故分析使用的極限功率形狀。如采用功率運(yùn)行時(shí)控制棒組失控抽出事故在論證超溫ΔT保護(hù)系統(tǒng)如何保護(hù)DNB堆芯設(shè)計(jì)限值時(shí),可僅使用參考功率形狀。
本文以堆芯功率能力分析方法為基礎(chǔ),整理了華龍一號(hào)包絡(luò)功率形狀的驗(yàn)證方法,結(jié)論如下。
1) 對(duì)于事故過(guò)程中的功率分布基本不變的情況,以工況Ⅰ包絡(luò)功率形狀作為此類事故分析所需的極限功率形狀。通過(guò)工況Ⅰ的功率分布模擬和DNBR計(jì)算表明,給出Ⅰ類工況包絡(luò)功率形狀可行。
2) 對(duì)于事故過(guò)程中的功率分布發(fā)生明顯變化,且功率分布信息能被核電廠保護(hù)系統(tǒng)用以保護(hù)堆芯的情況,以參考功率形狀作為此類事故分析使用的極限功率形狀。通過(guò)工況Ⅱ的功率分布模擬和DNBR計(jì)算表明,給出參考功率形狀和f(Pr,ΔI)函數(shù)是可行的;參考功率形狀和相應(yīng)的f(Pr,ΔI)函數(shù)配套使用,即在特定的f(Pr,ΔI)函數(shù)下,相應(yīng)的參考功率形狀才是包絡(luò)的。