核電廠安全殼外壓分析

馬秀歌+林琳+李漢辰+宋煒

【摘 要】在極寒外部環境條件下，并喪失所有交流（AC）電源事故下，鋼安全殼內部熱負荷會減少，安全殼內部的溫度和壓力也隨之減小，導致鋼安全殼承受較大外部壓力荷載。本文基于有限體積法求解多組分、多相的質量、動量和能量守恒方程，計算分析了典型核電廠極寒條件下安全殼可能受到的最大外壓。計算結果表明典型核電廠最大壓差不會超過設計值。本文計算的安全殼負壓對鋼安全殼設計至關重要。

【關鍵詞】外壓；鋼安全殼；安全殼；極寒

安全殼是用來密封反應堆冷卻劑系統，防止事故時放射性裂變產物大量釋放的最后一道屏障。在安全殼設計過程中，為了保證安全殼的完整性，需要對設計基準事故后的安全殼內壓力和溫度進行計算，確保其值滿足現行的法規標準，從而保證安全殼的完整性。

徐大堡核電廠安全殼設計為鋼制安全殼。鋼安全殼具有良好的密封性，能在假想的實際基準事故后包容釋放的懸浮放射性物質。鋼安全殼具有良好的導熱性，其外表面不僅可提供設計基準事故條件下液膜的蒸發冷卻，并且通過與外層屏蔽廠房、導流板等物項形成了冷卻通道，降低安全殼內的溫度和壓力。

因為鋼安全殼具有較好的導熱性，在極寒天氣條件下，安全殼外環境溫度低于安全殼內環境溫度，導致熱量從安全殼內導出，可使安全殼鋼殼內部壓力溫度降到很低，在鋼安全殼內外產生一個負壓差。如果在這種極寒條件下假設，并喪失所有AC電源，會導致鋼安全殼內部來自于反應堆冷卻劑系統和其它能動部件的熱負荷減少，引起安全殼內部的溫度下降，壓力也隨之減小；最終鋼安全殼承受較大外部壓力荷載，可能威脅到安全殼的完整性。為了確保在極寒天氣安全殼的完整性，本文根據徐大堡廠址參數條件，計算了極寒天氣條件下鋼制安全殼最大壓差。

1 鋼安全殼功能介紹和設計準則

徐大堡核電廠鋼安全殼是一個獨立的帶有橢圓上下封頭的圓柱形鋼制容器，外部由鋼筋混凝土構筑的屏蔽廠房包圍。鋼安全殼的直徑約為40米、高度約為66米。鋼制安全殼作為最后一道安全屏障，是阻止事故后安全殼內放射性物質向環境釋放的承壓邊界。同時鋼制安全殼也作為非能動安全殼冷卻系統的換熱界面，提供安全級的最終熱阱用于導出反應堆冷卻劑系統顯熱、堆芯衰變熱、事故源項的衰變熱。它的主要功能包括：

1）在正常運行期間為反應堆堆芯和反應堆冷卻劑系統提供屏蔽；

2）鋼安全殼也是整個非能動安全殼冷卻系統的組成部分，安全殼容器和非能動安全殼冷卻系統設計成能從安全殼排出足夠的能量，防止在假想設計基準事故后安全殼超出其設計壓力和設計溫度。

在極寒天氣條件下鋼制安全殼的最大外壓差設計值為0.0117·MPa（表壓）。

2 計算模型介紹

2.1 計算程序和模型控制體

本文程序基于有限體積法求解多組分、多相的質量、動量和能量守恒方程。程序求解的流體包括連續液體、液滴及水蒸氣-氣體混合物，在同一控制體內，這些流體可處于熱力學非平衡狀態，從而可以模擬過冷液滴在飽和蒸汽中的降落。水蒸汽-氣體流場的氣體組分可以包含多達8種非凝性氣體。此外，該程序中還包含了大量的設備部件模型，如泵和風扇、閥門和門、熱交換器、爆破閥、噴淋管嘴、冷卻器和加熱器、氫氣復合器及氫氣點火器等。

在本文計算模型中，安全殼模型包含126個控制體，控制體100表示外部大氣環境，控制體126表示屏蔽廠房外圍的大氣環境，控制體125表示屏蔽廠房空氣入口，控制體92～98和124表示空氣導流板和屏蔽廠房之間的下降通道，控制體85～91和123表示空氣導流板和鋼制安全殼之間的上升通道。在外壓分析中為了模擬真空泄壓閥，模擬了邊界條件、流道、閥門以及開關函數參數。

2.2 真空泄壓閥

對于鋼制安全殼，為了防止極寒條件下安全殼最大負壓差，在安全殼空氣過濾系統通風管道上增加了真空泄壓閥，可以在可能出現極大負壓差時開啟真空泄壓閥，使得空氣進入安全殼，避免負壓差過大。為了模擬真空泄壓閥，增加了邊界、流道、閥門以及開關函數參數，真空泄壓開啟壓力為0.093·MPa（絕壓），延遲時間為20秒，流通面積0.01864m2。

2.3 擴散和傳質：IRWST水蒸發

由于安全殼外壓瞬態過程中安全殼的壓力和溫度降低，內置換料水箱（IRWST）中的一些水會通過質能擴散而蒸發。在分析中，通過接管的質能擴散不包括在質量能量守恒中。由于IRWST（控制體8·s，分成一個子控制體，使用接管與其他控制體相連）在模型等效于一個集總參數模型，所以計算中未考慮IRWST的水蒸發，這將減小安全殼的壓力從而使計算模型更保守。

2.4 安全殼內部熱阱

由于在外壓分析瞬態過程中大氣的溫度降低，內部熱構件便成為了熱源。湍流的換熱系數很小，并且在模型中已經考慮了許多保守的假設。因此，所有的安全殼內部熱阱使用新的換熱系數，包括非ITAAC（檢查、試驗、分析和驗收準則）結構、地板和死隔間。

在輸入文件中，采用一側的面積和全部厚度對大多數的熱阱進行描述。對于這些熱阱，認為其兩側均與安全殼大氣環境進行換熱。結果，傳熱系數類型1、4和5更改為湍流自然對流。增加傳熱系數類型7取代4，僅用于混凝土熱阱的一側和兩外部金屬熱構件（熱阱4和214）。另外，控制參數中的自然對流換熱系數設置為0.4。

3 初始假設條件

3.1 安全殼內主要假設條件

為了得到壓差最大的瞬態條件，使得外壓分析計算結果相對保守，在分析中安全殼內環境主要假設條件如下：

1）失去交流電源，正常運行狀態下進入安全殼的熱量減少；

2）無空氣向殼內泄漏；

3）非能動安全殼冷卻系統（PCS）水膜冷卻不動作；

4）安全殼初始壓差為0.0014·MPa（表壓）；

5）安全殼內熱結構初始溫度為48.9℃；

6）安全殼內初始相對濕度為70%；

7）安全殼內大氣初始溫度在48.9℃；

8）安全殼內部熱結構初始溫度為30.6℃；

3.2 安全殼外環境的主要假設條件

（1）假設外部環境相對濕度0%；

（2）安全殼外風速；

徐大堡廠址50年一遇最大風速33.9·m/s。采用關系式（1）折算成環形上升空間的風速。

Va = V*（C_P/Kloss）0.5 （1）

其中V：表示測量大氣風速；

Va：環腔上升段速度；

C_P：風速系數；

Kloss：阻力系數。

折合成環形上升空間風速為9.6m/s。

安全殼環形通道空氣流速修改邊界條件PCS出口的壓力使空氣流速接近33.9·m/s。通過降低此邊界條件的壓力產生了使空氣在環形通道內向上流動的壓差。經過計算當壓力降低至0.101·MPa（絕壓）時，環形通道風速為9.6·m/s。

（3）安全殼外溫度

對于徐大堡廠址氣象數據，百年極端最低溫度為-30.9℃。假設徐大堡安全殼外初始外部環境溫度-3.9℃，并以16.7℃/h的速度降溫，保守考慮減低到-31.7℃。

4 計算結果及結論

通過計算徐大堡廠址安全殼計算的最大壓差為0.0108MPa（表壓），不超過設計值0.0117MPa（表壓）。計算結果表明，徐大堡核電廠可以保證在極冷條件下安全殼內外壓差不超過設計值，滿足設計準則。

【參考文獻】

[1]“Nuclear Services Policies & Procedures”， “Design Analysis”， Effective 10/01/01[Z].

[2]NSE-92-0114， NSE/WMD0040， Input Data for Pressure Transient Work[Z].

[責任編輯：張濤]