大功率先進(jìn)壓水堆壓力容器外部冷卻能力研究

金 頔1，李 飛2，劉曉晶1，程 旭1

（1.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.國核（北京）科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029）

大功率先進(jìn)壓水堆壓力容器外部冷卻能力研究

金 頔1，李 飛2，劉曉晶1，程 旭1

（1.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.國核（北京）科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029）

目前壓力容器外部冷卻（ERVC）作為嚴(yán)重事故管理策略中壓力容器內(nèi)熔融物滯留（IVR）的一部分已得到了廣泛應(yīng)用。本文采用RELAP5系統(tǒng)安全分析程序定性研究一些流動(dòng)參數(shù)和邊界條件（如進(jìn)出口面積、冷卻水的入口溫度、下封頭處的加熱功率、下封頭處流道的間隙尺寸及注水高度等）對(duì)大功率先進(jìn)壓水堆壓力容器外部冷卻的自然循環(huán)能力產(chǎn)生的效應(yīng)，它為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)行為提供了一定的分析依據(jù)。

大功率先進(jìn)壓水堆；壓力容器外部冷卻；自然循環(huán)能力

嚴(yán)重事故期間淹沒反應(yīng)堆壓力容器的理念自從20世紀(jì)80年代中期就已被考慮，其技術(shù)可行性在芬蘭Loviisa電廠（VVER-440堆型）的應(yīng)用中首次得到闡述［1］。近年來它又被廣泛用于AP600［2］、AP1000［3］、APR1400［4］等新設(shè)計(jì)的堆型中。如今，壓力容器外部冷卻（ERVC）已作為實(shí)現(xiàn)熔融物壓力容器內(nèi)滯留（IVR）最有效的處理手段之一。但目前國際上對(duì)于將ERVC措施用于大功率（＞1 500MWe）堆的有效性研究很少。

本工作以大功率（約1 700MWe）先進(jìn)壓水堆作為研究對(duì)象，采用RELAP5系統(tǒng)安全分析程序針對(duì)影響ERVC措施的流動(dòng)參數(shù)和邊界條件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)敏感性分析，以得到各因素對(duì)系統(tǒng)流動(dòng)和傳熱能力的影響趨勢(shì)。

1 計(jì)算對(duì)象和計(jì)算模型

1.1 物理過程與計(jì)算對(duì)象

ERVC緩解措施是指當(dāng)核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，冷卻水通過保溫層底部的入口組件進(jìn)入壓力容器外壁與金屬保溫層之間的環(huán)形流道，在熔融物到達(dá)下腔室之前淹沒壓力容器，然后由淹沒的水來移除重新定位的熔融物產(chǎn)生的衰變熱，從而保持壓力容器的完整性。在此過程中，冷卻水被加熱汽化，形成的兩相混合物沿著流道向上流動(dòng)，最終蒸汽從排氣口流向安全殼，水則流回至下降通道；下降通道的冷卻水與環(huán)隙內(nèi)兩相混合物間的密度差形成驅(qū)動(dòng)力，使堆腔外的冷卻水受壓差驅(qū)動(dòng)從入口組件處補(bǔ)充進(jìn)來，形成兩相自然循環(huán)。整個(gè)過程是通過淹沒反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路隔間（包括垂直通道、冷卻劑排污腔室和反應(yīng)堆腔室）來實(shí)現(xiàn)的，具體結(jié)構(gòu)示于圖1［1，3］。

圖1 堆腔淹沒隔間示意圖Fig.1 Schematic diagram of cavity flooding compartment

大功率堆ERVC系統(tǒng)的主要幾何參數(shù)列于表1。

表1 ERVC系統(tǒng)的主要幾何參數(shù)Table 1 Main geometry parameters of ERVC system

1.2 RELAP5建模描述

根據(jù)前面對(duì)嚴(yán)重事故下ERVC物理過程的描述，此模型可分為垂直通道、反應(yīng)堆冷卻劑排污腔室和反應(yīng)堆腔室三大部分，而重點(diǎn)研究區(qū)域?yàn)榉磻?yīng)堆腔室內(nèi)，具體的節(jié)點(diǎn)劃分示于圖2。

圖2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)Fig.2 System nodalization

下封頭處壓力容器外壁與保溫層之間的流動(dòng)通道由管道部件（Pipe）201～208模擬，它是將環(huán)段通道沿周向等分為8個(gè)部分，對(duì)于每個(gè)部分（20 X），通過改變其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的垂直角度模擬下封頭的弧形流道；使用多接管（MJ）211～218將201～208依次橫向接通，使之能模擬周向壓差導(dǎo)致的交混流動(dòng)；閥門（VALVE）151代表壓力容器底部的入口組件；閥門811代表蒸汽排放口；時(shí)間相關(guān)部件800代表安全殼環(huán)境，提供了系統(tǒng)的壓力邊界條件；在穩(wěn)態(tài)計(jì)算過程中，為保持自然循環(huán)回路的質(zhì)量守恒，采用時(shí)間相關(guān)部件（TDV）805和時(shí)間相關(guān)接管（TDJ）815向系統(tǒng)補(bǔ)充流出的蒸汽流量；入口水溫通過540TDV支路給定；下封頭的部件201～208上接有熱構(gòu)件，為流道提供加熱源。

1.3 計(jì)算邊界條件

圖3示出熱流密度隨下封頭傾斜角度的變化，虛線表示嚴(yán)重事故程序計(jì)算得到的熔融物重新定位穩(wěn)定時(shí)的熱流密度分布，其下封頭外壁面（q／qCHF）max為0.889 2，實(shí)線表示RELAP5程序中輸入的等效熱流密度分布。并且，在計(jì)算中認(rèn)為沿徑向的熱流密度相同。圖4示出分布在熱構(gòu)件20 X（X＝1，2，…，8）上各節(jié)點(diǎn)的加熱功率，系統(tǒng)總加熱功率約為35MW。

圖3 熱流密度隨下封頭傾斜角度的變化Fig.3 Heat flux density vs.inclination angle of lower head

在計(jì)算過程中有如下假設(shè)：1）給定系統(tǒng)背壓為0.103 15MPa，并認(rèn)為其不發(fā)生變化；2）由于是穩(wěn)態(tài)計(jì)算，加熱功率恒定，不隨時(shí)間變化；3）計(jì)算時(shí)間為10 000s。

2 程序驗(yàn)證

為研究RELAP5程序及1.2、1.3節(jié)中所述的建模過程對(duì)壓力容器外部冷卻現(xiàn)象的適用性，采用上海交通大學(xué)REPEC實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步的驗(yàn)證計(jì)算。該實(shí)驗(yàn)是上海交通大學(xué)開展的壓力容器外部冷卻研究實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)段部分采用寬度D為150mm的一維切片結(jié)構(gòu)對(duì)外部流道進(jìn)行1∶1高度模擬。

圖5為REPEC實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的示意圖。建模過程與1.2、1.3節(jié)所述一致。RELAP5計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較示于圖6。

圖5 REPEC實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意圖［5］Fig.5 Schematic diagram of REPEC test facility［5］

圖6 RELAP5計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較［5］Fig.6 Comparison of RELAP5and experiment results［5］

圖6表明，在進(jìn)行不同入口溫度的4個(gè)工況模擬中，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，循環(huán)流量相對(duì)誤差最大值為3.3%，試驗(yàn)段出口溫度相對(duì)誤差最大值為2.54%。因此可知，RELAP5程序和本文所采用的建模方法可對(duì)壓力容器外部冷卻現(xiàn)象進(jìn)行研究。

3 結(jié)果與分析

為研究流動(dòng)參數(shù)和邊界條件對(duì)大功率堆ERVC自然循環(huán)流動(dòng)和換熱能力的影響，本文結(jié)合大功率堆的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，選取了入口面積、出口面積、加熱熱流密度、下封頭處流道間隙尺寸以及注水高度作為研究參數(shù)對(duì)ERVC的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行敏感性分析。

3.1 入口面積的影響

在注入的冷卻水溫度為50℃、加熱熱流密度為參考值（圖3中RELAP5輸入）、出口面積保持為1.6m2不變的前提下，本文選取入口面積為入口面積參考值的50%、70%、85%、100%、125%、150%、175%和200%8種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7示出入口面積對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量的影響。由圖7可見，隨入口面積的增大，系統(tǒng)循環(huán)流量呈增加的趨勢(shì)；但當(dāng)入口面積大到某一值（本文算例中為0.84m2）時(shí)其對(duì)循環(huán)流量的影響變小。

圖7 入口面積對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量的影響Fig.7 Effect of inlet area on system circulation flowrate

圖8示出入口面積對(duì)壓力容器外壁面溫度和傳熱系數(shù)的影響。壓力容器外壁面溫度隨傾斜角的增大而上升，這主要是由熱流密度分布決定的。傾斜角θ＝20°時(shí)傳熱系數(shù)的趨勢(shì)發(fā)生變化，這是由傳熱機(jī)理決定的。在保溫層底部冷卻水保持為單相狀態(tài)，此時(shí)處于單相流體湍流狀態(tài)下的強(qiáng)制對(duì)流傳熱，RELAP5程序采用Dittus-Boelter公式［6］；而在θ＝20°的位置，壁面處于過熱狀態(tài)，壁面與冷水之間的傳熱變?yōu)檫^冷核態(tài)沸騰，此時(shí)采用Chen關(guān)系式［6］。

圖8 入口面積對(duì)壓力容器外壁面溫度和傳熱系數(shù)的影響Fig.8 Effect of inlet area on RPV outer wall temperature and heat transfer coefficient

3.2 出口面積的影響

本文選取出口面積為出口面積參考值的50%、70%、100%、150%和200%5種工況進(jìn)行研究，入口面積為0.56m2不變，其余初始條件與3.1節(jié)中的相同，結(jié)果與3.1節(jié)進(jìn)行比較，如圖9所示。由圖9可知，出口面積對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的影響與入口面積對(duì)系統(tǒng)的影響相似，但出口面積的改變對(duì)系統(tǒng)的影響較入口面積的影響要小。在面積比由50%增至200%的過程中，出口面積的改變僅使循環(huán)流量增加了19.8%，出口溫度降低了3.5℃左右；而入口面積的改變使循環(huán)流量增加了144%，出口溫度降低了19℃左右。

圖9 出口面積對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量和出口水溫的影響Fig.9 Effect of outlet area on system circulation flowrate and outlet temperature

3.3 加熱功率的影響

在保證下封頭加熱功率隨角度分布（圖4）不變的前提下，成比例地降低和升高加熱功率，進(jìn)而研究其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。本文選取加熱功率為參考功率的30%、50%、70%、100%、150%和160%6個(gè)工況進(jìn)行敏感性分析。入口水溫給定為50℃，入口和出口面積均為參考值。

圖10示出加熱功率對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量的影響。由圖10可知，系統(tǒng)循環(huán)流量隨加熱功率的升高而增大。這是由于在入口水溫均為50℃的情況下，加熱功率的升高使冷卻水吸收更多的熱量，則出口水溫更高，加熱段內(nèi)兩相混合物的密度會(huì)更小，從而產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力提高自然循環(huán)的流動(dòng)。

圖10 加熱功率對(duì)循環(huán)流量的影響Fig.10 Effect of heating power on circulation flowrate

圖11示出加熱功率對(duì)壓力容器外壁面溫度、傳熱系數(shù)及下封頭處空泡份額的影響。從圖11可知，在以圖4所示功率分布對(duì)下封頭進(jìn)行加熱時(shí)，下封頭頂部（θ≈90°）最先出現(xiàn)沸騰危機(jī)，傳熱進(jìn)入過冷膜態(tài)沸騰區(qū)域，此時(shí)壓力容器外壁面的溫度急劇上升，傳熱系數(shù)迅速減小。這主要與事故工況下壓力容器下封頭的熱流密度分布有關(guān)。在本文計(jì)算中，當(dāng)加熱功率比（輸入功率／參考功率）達(dá)到1.6時(shí)會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象，壓力容器外壁面溫度可高達(dá)2 200℃。此時(shí)，下封頭頂部的熱流密度達(dá)2.8MW／m2；而當(dāng)下封頭頂部的加熱熱流密度為2.7MW／m2（對(duì)應(yīng)加熱功率比為1.5）時(shí)，下封頭頂部區(qū)域仍處于核態(tài)沸騰換熱狀態(tài)。

圖11 加熱功率對(duì)壓力容器外壁面溫度、傳熱系數(shù)及下封頭處空泡份額的影響Fig.11 Effect of heating power on RPV outer wall temperature，heat transfer coefficient and void fraction at lower head

3.4 間隙尺寸的影響

本文選取環(huán)隙尺寸為0.088 9、0.12和0.158 8m3種計(jì)算工況。這里的間隙尺寸僅指下封頭的流道間隙寬度，且在建模過程中認(rèn)為下封頭頂部和壓力容器豎直部分之間采用平滑過渡聯(lián)接。給定入口水溫為50℃，入口面積和出口面積分別為0.56m2和1.6m2，100%參考加熱功率。

間隙尺寸對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量和下封頭處冷卻水溫度的影響示于圖12。由圖12可知，間隙尺寸對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量和流道內(nèi)水溫的影響并不明顯。這主要是由于流道間隙尺寸本身就較小，因此它的小范圍改變對(duì)系統(tǒng)整體特性的影響不大。但間隙尺寸的改變對(duì)局部換熱的影響顯著。

圖12 間隙尺寸對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量和下封頭處冷卻水溫度的影響Fig.12 Effect of gap size on circulation flowrate and coolant temperature at lower head

圖13示出間隙尺寸對(duì)壓力容器外壁面溫度和傳熱系數(shù)的影響。由圖13可知，在下封頭底部，間隙尺寸越小則傳熱系數(shù)越大，從而可帶走的熱量更多，使壓力容器外壁面的溫度越小；而在下封頭中上部，大一些的間隙尺寸更有利于壁面與流道間的傳熱，但0.12m和0.158 8m間隙尺寸對(duì)系統(tǒng)換熱的影響幾乎相同。這是由于0.088 9m的間隙尺寸工況下?lián)Q熱在θ＝30°才開始由單相換熱進(jìn)入過冷核態(tài)沸騰，而0.12m和0.158 8m的工況在θ＝20°就開始進(jìn)入過冷核態(tài)沸騰，可見，在只有間隙尺寸不同，而其他初始和邊界條件相同的情況下，流道內(nèi)進(jìn)入過冷核態(tài)沸騰的位置對(duì)系統(tǒng)換熱情況的影響很大。

圖13 間隙尺寸對(duì)壓力容器外壁面溫度和傳熱系數(shù)的影響Fig.13 Effect of gap size on RPV outer wall temperature and heat transfer coefficient

3.5 注水高度的影響

以垂直通道內(nèi)的注水高度高于排氣口0.5m為參考工況，另外取注水高度低于參考工況1m（即低于排氣口0.5m）和高于參考工況1m條件研究下降通道內(nèi)注水高度對(duì)自然循環(huán)能力的影響。入口溫度為50℃，其余初始條件均為參考值。

下降通道內(nèi)注水高度對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量和排氣口壓力的影響示于圖14。由圖14可知，當(dāng)注水高度高于排氣口時(shí)系統(tǒng)流動(dòng)穩(wěn)定，而當(dāng)注水高度低于排氣口時(shí)系統(tǒng)發(fā)生震蕩，這是因當(dāng)注水高度低于排氣口時(shí)系統(tǒng)屬于開式循環(huán)流動(dòng)，在高過冷度下處于流動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)域，因此為避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，應(yīng)保證注水高度高于排氣口。

圖14 下降通道內(nèi)注水高度對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量和排氣口壓力的影響Fig.14 Effect of water level in vertical tunnel on circulation flowrate and pressure at steam venting

4 結(jié)論

本文采用RELAP5系統(tǒng)安全分析程序?qū)毫θ萜魍獠坷鋮s措施的自然循環(huán)能力進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)分析，可得出以下結(jié)論。

1）入口面積的增加會(huì)促進(jìn)系統(tǒng)的自然循環(huán)流動(dòng)，當(dāng)入口面積增加到一定值時(shí)這種影響會(huì)減弱；而入口面積的增加會(huì)使壓力容器壁面的傳熱系數(shù)減小，壁面溫度升高，從換熱角度出發(fā)，入口面積小更好，不過，由于考慮實(shí)際情況中流道內(nèi)可能存在一些碎片，為不使其堵住流道，影響冷卻水的進(jìn)入，入口面積不宜過小；而出口面積對(duì)系統(tǒng)流動(dòng)和傳熱特性的影響趨勢(shì)與入口面積的影響相似。

2）加熱功率的提高有利于系統(tǒng)的自然循環(huán)流動(dòng)，但同時(shí)壓力容器外壁面的溫度也會(huì)升高；而加熱功率增大到一定值時(shí)，下封頭頂部會(huì)最先出現(xiàn)沸騰危機(jī)。

3）下封頭的間隙尺寸對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)流動(dòng)影響很小，但其對(duì)環(huán)隙內(nèi)的換熱存在一定的影響；在下封頭底部，小的間隙尺寸有利于壁面與流道內(nèi)冷卻水之間的換熱，而在下封頭的中上部，稍大的間隙尺寸則對(duì)換熱更為有利。因此下封頭的間隙尺寸采用由下向上逐漸增加的設(shè)計(jì)更為合理。

4）要保證注水高度高于排氣口。

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［2］ THEOFANOUS T G，SYRI S.The cool ability limits of a reactor pressure vessel lower head［J］.Nuclear Engineering and Design，1997，169（1-3）：59-76.

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［4］ 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（23）：2 424-2 430.

［5］ 李飛，李永春，程旭.針對(duì)REPEC加熱實(shí)驗(yàn)的RELAP5程序模擬與分析［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46（7）：815-820.

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［6］ The RELAP5Code Development Team.RELAP5code manual［M］.America：Idaho National Engineering Laboratory，1995.

Study on External Reactor Vessel Cooling Capacity for Advanced Large Size PWR

JIN Di1，LI Fei2，LIU Xiao-jing1，CHENG Xu1
（1.School of Nuclear Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.State Nuclear Power Research Institute，Beijing100029，China）

External reactor vessel cooling（ERVC）is widely adopted as a part of invessel retention（IVR）in severe accident management strategies.In this paper，some flow parameters and boundary conditions，eg.，inlet and outlet area，water inlet temperature，heating power of the lower head，the annular gap size at the position of the lower head and flooding water level，were considered to qualitatively study the effect of them on natural circulation capacity of the external reactor vessel cooling for an advanced large size PWR by using RELAP5code.And the calculation results provide some basis of analysis for the structure design and the following transient response behavior of the system.

advanced large size PWR；external reactor vessel cooling；natural circulation capacity

TL333

A

1000-6931（2014）02-0277-08

10.7538／yzk.2014.48.02.0277

2012-11-29；

2013-01-27

金 頔（1987—），女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，核能科學(xué)與工程專業(yè)