大功率先進壓水堆IVR-ERVC旁通流道冷卻強化研究

李 飛，張圣君，陳 薇，程 旭

（國核（北京）科學技術研究院有限公司，北京 100029）

大功率先進壓水堆在嚴重事故工況下，IVR-ERVC（熔融物堆內滯留-壓力容器外部冷卻）措施是保證壓力容器完整性的重要措施［1］。ERVC依靠底部加熱流體發生相變導致密度變化、上下冷熱流體間產生的密度差驅動流體，在回路內形成單相到兩相的自然循環流動［2］。IVR 措施能否成功，取決于壓力容器內熔池行為和壓力容器外的流動傳熱條件，當壓力容器下封頭處熱負荷低于其外表面對應位置的臨界熱流密度（CHF）時，可保證壓力容器得到充分冷卻［3］。隨著堆芯功率的增加，由熔融物釋熱造成的外表面熱流密度和對應位置的CHF之間的余量減小，傳統的IVR-ERVC實施方案對大型壓水堆的可行性受到質疑。國際上普遍認為，在嚴重事故條件下，由于金屬層的熱聚焦效應，壓力容器失效位置通常發生在金屬層［4］。

壓力容器外壁臨界熱流密度強化措施的研究主要集中在提高自然循環流量、改善壓力容器表面條件及水化學特性上。表面條件影響加熱表面的氣泡動力學特性，從而能夠顯著影響CHF。Theofanous和Augelini等［5-6］發現對加熱表面進行噴砂處理后，CHF 顯著增加。這是因為經過噴砂處理后，加熱表面粗糙度增加，不僅增加了汽化核心，同時有利于氣泡脫離。Yang等［7］在SBLB 實驗裝置上研究了壓力容器外表面涂層對CHF的影響，結果表明有涂層時，CHF 顯著提高。安全殼噴淋溶液中含有硼酸和磷酸三鈉溶液，水化學特性可改變換熱表面的潤濕性及表面分子狀況，進而影響到CHF。

本文針對IVR-ERVC 系統加旁通流道冷卻強化利用系統程序RELAP5進行建模，在假定事故工況下對該系統流動參數和邊界條件進行敏感性分析。

1 模型及研究方法

1.1 系統概述

嚴重事故條件下，自堆芯出口溫度超溫觸發信號至堆芯熔融物未掉落至下封頭，安全殼內置換料水箱（IRWST）中的冷卻水淹沒反應堆冷卻劑系統環路隔間、冷卻劑輸排水箱隔間和堆腔室，并進入由保溫層與壓力容器外壁形成的流道中。在此過程中，冷卻水被加熱汽化，受浮升力驅動向上流動，最終從排氣口流出；堆腔外的冷卻水受壓差驅動從進水孔和旁通流道補充進來，形成兩相自然循環。ERVC 加旁通流道冷卻強化的系統結構如圖1所示，在周向平均布置8根旁通管道。

圖1 旁通流道示意圖Fig.1 Schematic of bypass flow

表1列出ERVC系統的主要幾何參數，根據集總參數程序和抽樣結果，發生嚴重事故時壓力容器失效的區域集中在60°～70°范圍，也就是金屬層所在位置，本文選擇65°為計算基準工況。

表1 ERVC系統的主要幾何參數Table 1 Main geometry parameter of ERVC system

1.2 RELAP5建模

根據以上物理過程建立系統節點圖，如圖2所示。

1.3 計算邊界條件

根據嚴重事故分析程序計算選定的典型事故（即與IVR 有關的大LOCA 合并安注失效始發的堆芯損毀），熔融物重定位至下封頭的主要概率時間區間為4～5h，不大可能與很不可能時間區間為5～6h、6～7h［8］。在本文中模擬計算以4.5h 為熔池形成穩定熔池起點時間，熔池內熱源功率隨時間的變化如圖3所示。壓力容器外壁的熱流分布是隨下封頭角度變化的函數，熱流分布隨下封頭角度的變化計算采用mini-ACOPO 關系式，得到下封頭加熱面熱流分布如圖4所示。在計算的過程中，其他的條件為：1）忽略背壓變化保持為253 312Pa（2.5個大氣壓）；2）堆腔冷卻水初始溫度為50 ℃；3）計算時間為20 000s；4）計算中所用的旁流入口位置角度及射流角度如圖5所示，后面提到的射流角度0°是指旁通流道水平進入主流道。

圖2 系統節點圖Fig.2 System nodalization

圖3 下封頭熔池內熱源功率隨時間的變化Fig.3 Heat power of molten pool vs.time

1.4 程序驗證

RELAP5計算程序是美國Idaho國家工程實驗室（INEL）為核管會（NRC）開發的輕水堆 瞬 態 熱 工 水 力 分 析 程 序［9］。RELAP5 對ERVC特殊條件下計算兩相自然循環的適用性問題已在REPEC實驗裝置中得到驗證［10］。該實驗回路流道采用切片結構，高度按照1∶1比例設計，全尺寸（～7m）模擬壓力容器外部冷卻循環回路。文獻［10］建立了相對應于實驗回路的RELAP5 模型，對比結果顯示誤差控制在理想范圍內。因此，RELAP5 程序可用來分析嚴重事故下ERVC 系統的兩相自然循環特性。

圖4 熱流密度隨下封頭角度的分布Fig.4 Heat flux vs.inclination angleof lower head

圖5 旁通流道示意圖Fig.5 Schematic of bypass channel

2 結果與分析

為研究流動參數和邊界條件對大功率先進壓水堆IVR-ERVC 旁通流道冷卻強化自然循環流動和換熱能力的影響，結合旁通流道冷卻強化的特點，選取了旁通流道直徑、入口位置、射流角度等參數對ERVC 系統的流動和傳熱進行敏感性分析。

2.1 旁通流道直徑

在旁流入口位置為65°、射流角度為75°保持不變的前提下，分別選取旁通流道直徑為20、40、50cm 以及無旁通流道時對ERVC系統的流動與傳熱過程進行計算分析。

圖6示出旁通流道直徑對系統循環流量的影響。由圖6可知，有旁通流道與無旁通流道時ERVC系統自然循環總流量基本相同，總的循環流量在1 400kg／s左右。這是由于ERVC系統的自然循環總驅動壓頭是一致的，旁通流道設置雖然減小總流阻，但是總流量增大不大。隨旁通流道直徑的增大，旁流回路質量流量增大。

圖6 旁通流道直徑對系統循環流量的影響Fig.6 Effect of bypass channel diameter on system circulation flow rate

圖7示出旁通流道直徑對下封頭流道空泡份額的影響。由圖7可見，隨下封頭角度的增加，流道空泡份額逐漸增大。無旁通流道與有旁通流道相比，在旁通流道入口位置65°以下時，空泡份額偏小；在65°以上時，空泡份額偏大。這是由于65°以下時，無旁通流道質量流量偏大，對流換熱增強；在65°以上，旁流進入流道，對流動產生一定擾動，對流換熱增強。這樣造成有旁通流道比無旁通流道時在下封頭流道出口處空泡份額偏小，相差0.06左右。圖7還顯示，隨旁通流道直徑的增加，上部流道內空泡份額降低，當旁通流道直徑增大到50cm 時其影響變小。

圖7 旁通流道直徑對下封頭流道空泡份額的影響Fig.7 Effect of bypass channel diameter on void fraction at lower head

圖8示出旁通流道直徑對壓力容器外壁面溫度的影響。由圖8可看出，無旁通流道時壓力容器外壁面溫度偏低，由于旁流的增加，在下封頭上部有旁通流道時壁面溫度略微降低。

圖8 旁通流道直徑對壓力容器外壁面溫度的影響Fig.8 Effect of bypass channel diameter on RPV outer wall temperature

2.2 旁通流道入口位置

在旁通流道直徑為40cm、射流角度為75°保持不變的前提下，分別選取旁通流道入口位置為45°、65°、85°以及無旁通流道時對ERVC系統的流動與傳熱過程進行計算分析。

圖9 流道入口位置對系統循環流量的影響Fig.9 Effect of inlet position on system circulation flow rate

圖9示出旁通流道入口位置對系統循環流量的影響。由圖9可知：有旁通流道與無旁通流道時ERVC系統自然循環總流量變化不大；不同的旁通流道入口位置對旁流循環流量的影響不大。

圖10示出旁通流道入口位置對壓力容器外壁面溫度的影響。與前面分析相似，在旁流入口位置之下，由于循環流量減小造成有旁通流道時壓力容器外壁面溫度偏高約2℃。在入口位置之上，總循環流量與無旁通流道時總流量變化較小，壓力容器外壁面溫度逐漸一致。在圖10中，可以看到3個不同位置造成的外壁面溫度的變化。

圖10 旁通流道入口位置對壓力容器外壁面溫度的影響Fig.10 Effect of inlet position on RPV outer wall temperature

2.3 旁通流道射流角度

在旁通流道直徑為40cm、入口位置為65°保持不變的前提下，分別選取旁通流道射流角度為45°、65°、75°以及無旁通流道時對ERVC系統的流動與傳熱過程進行計算分析。

圖11 旁通流道射流角度對系統循環流量的影響Fig.11 Effect of jet angle on system circulation flow rate

圖11示出有無旁通流道及流道射流角度對系統循環流量的影響。由圖11可知：有旁通流道與無旁通流道時ERVC 系統自然循環總流量變化較小；不同的旁流射流角度對旁流循環流量的影響不大。

圖12示出旁通流道射流角度對下封頭流道內空泡份額的影響。由圖12可見，無旁通流道與有旁通流道相比，下封頭流道空泡份額偏大。有旁通流道時，在入口位置之上射流角度越大，造成下封頭流道空泡份額越小，有利于其對流換熱。

圖12 射流角度對下封頭流道內空泡份額的影響Fig.12 Effect of jet angle on void fraction at lower head

3 結論

本文采用RELAP5對大功率先進壓水堆IVR-ERVC旁通流道冷卻強化措施的自然循環能力及瞬態行為進行了分析，得出以下結論。

1）IVR-ERVC系統有旁通流道的存在對系統總循環流量的增加影響較小，對下封頭流道內局部的流道和換熱產生影響，造成旁流入口位置之上區域換熱增強，流道空泡份額偏低，冷卻水溫度偏低。

2）旁通流道直徑的增加有利于系統流道內局部換熱，直徑越大，上部空泡份額越低，但增大到一定水平，其影響不大。旁通流道入口位置的不同對系統流道內局部換熱有影響。旁通流道射流角度的增加也有利于系統流道內局部換熱。

［1］ KYMALAINEN O，TUOMISTO A H，THEOFANOUS T G.In-vessel retention of corium at the Loviisa plant［J］.Nuclear Engineering and Design，1997，169：109-130.

［2］ ANGELINI S，TU J P，BUYEVICH Y A，et al.The mechanism and prediction of critical heat flux in inverted geometries［J］.Nuclear Engineering and Design，2000，200：83-94.

［3］ PARK R J，HA K S，KIM S B，et al.Twophase natural circulation flow of air and water in a reactor cavity model under an external vessel cooling during a severe accident［J］.Nuclear Engineering and Design，2006，236：2 424-2 430.

［4］ THEOFANOUS T G，OH S J.In-vessel retention technology development and use for advanced PWR designs in the USA and Korea［R］.United States：International Nuclear Energy Research Initiative，2004.

［5］ THEOFANOUS T G，SYRI S.The coolability limits of a reactor pressure vessel lower head［J］.Nuclear Engineering and Design，1997，169：59-76.

［6］ ANGELINI S，TU J P，BUYEVICH A，et al.The mechanism and prediction of critical heat flux in inverted geometries［J］.Nuclear Engineering and Design，2000，200：83-94.

［7］ YANG J，DIZON M B，CHEUNG F B，et al.CHF enhancement by vessel coating for external reactor vessel cooling［J］.Nuclear Engineering and Design，2006，236：1 089-1 098.

［8］ THEOFANOUS T G，LIU C，ADDITON S，et al.In-vessel coolability and retention of a core melt［J］.Nuclear Engineering and Design，1997，169：1-48.

［9］ 李飛，李永春，程旭.針對REPEC 加熱實驗的RELAP5程序模擬與分析［J］.原子能科學技術，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（in Chinese）.

［10］The RELAP5 Code Development Team.RELAP5 code manual［M］.America：Idaho National Engineering Laboratory，1995.