空泡對(duì)核反應(yīng)堆安全影響的初步分析

李博西

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.063

摘 要：在我國(guó)目前所廣泛采用的現(xiàn)代壓水核反應(yīng)堆中，為了提高冷卻劑的換熱效率，允許堆內(nèi)出現(xiàn)欠熱沸騰，導(dǎo)致汽泡出現(xiàn)，形成兩相流動(dòng)，為了了解兩相流動(dòng)中汽泡對(duì)核反應(yīng)堆安全的影響，該文主要從堆內(nèi)的反應(yīng)性、熱工及流動(dòng)3個(gè)方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要的定性分析，并總結(jié)得出空泡的存在同時(shí)具有利于安全和威脅安全的兩面性，適當(dāng)?shù)目刂坪士梢允估笥诒祝谔岣叻磻?yīng)堆的可控性、經(jīng)濟(jì)性及換熱特性。

關(guān)鍵詞：空泡 核安全 兩相流動(dòng) 核反應(yīng)堆

中圖分類號(hào)：TL334 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（a）-0063-02

在反應(yīng)堆內(nèi)，水被加熱產(chǎn)生沸騰，形成兩相流動(dòng)，因此，反應(yīng)堆內(nèi)的工質(zhì)不是簡(jiǎn)單的單相水，而是含有不同程度的汽泡的混合物，由于汽泡的存在，會(huì)使工質(zhì)的一些性質(zhì)發(fā)生變化，使其與單相水有明顯的不同，在核反應(yīng)堆中，空泡會(huì)對(duì)反應(yīng)堆的穩(wěn)定性、堆內(nèi)流動(dòng)和傳熱特性以及運(yùn)行的安全性產(chǎn)生很大的影響，因此對(duì)空泡的研究非常重要。

為確保反應(yīng)堆的安全，反應(yīng)堆所有的安全措施，應(yīng)在所有情況下，包括正常運(yùn)行和反應(yīng)堆停閉狀態(tài)，故障工況以及事故狀態(tài)，均可完成特定的安全功能，能有效控制反應(yīng)性，確保堆芯冷卻，包容放射性產(chǎn)物。由于熱工水力與反應(yīng)堆物理是相互影響的，如反應(yīng)堆瞬態(tài)過程中核燃料溫度、冷卻劑通道內(nèi)的流體溫度、密度、空泡等變化都會(huì)引起核功率的變化，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的熱工參數(shù)，因此，分析空泡對(duì)反應(yīng)堆安全的影響，雖然需從3個(gè)方面考慮，但其實(shí)是相互聯(lián)系的。

1 空泡對(duì)反應(yīng)性的影響

核反應(yīng)堆在運(yùn)行時(shí)，它的一些物理參數(shù)及反應(yīng)性都在不斷地發(fā)生變化，反應(yīng)堆的反應(yīng)性相對(duì)于某一個(gè)參數(shù)的變化率稱為該參數(shù)的反應(yīng)性系數(shù)，如反應(yīng)性相對(duì)于溫度的變化率稱為反應(yīng)性溫度系數(shù)，其中空泡效應(yīng)是液體作為冷卻劑的反應(yīng)堆中，由于冷卻劑沸騰產(chǎn)生汽泡，引起反應(yīng)性變化的現(xiàn)象，在冷卻劑中所包含的蒸汽泡的體積百分?jǐn)?shù)稱為空泡份額，空泡系數(shù)是指在反應(yīng)堆中，冷卻劑的空泡份額變化1%所引起的反應(yīng)性變化[1]。

當(dāng)出現(xiàn)空泡或空泡份額較大時(shí)，有如下3種效應(yīng)：（1）冷卻劑的有害中子吸收減少，這是正效應(yīng)；（2）中子泄漏增加，這是負(fù)效應(yīng)；（3）慢化能力變小，能譜變硬，這可以是正效應(yīng)也可以是負(fù)效應(yīng)，與反應(yīng)堆的類型和核特性有關(guān)。總的凈效應(yīng)是上述各因素的疊加，顯然各個(gè)效應(yīng)及相應(yīng)的凈效應(yīng)與空泡的出現(xiàn)位置有關(guān)。一般來說，當(dāng)出現(xiàn)空泡或空泡份額增大時(shí)，對(duì)輕水堆來說是負(fù)效應(yīng)，而對(duì)大型快中子堆，可能出現(xiàn)正效應(yīng)，特別是當(dāng)空泡出現(xiàn)在芯部中心區(qū)域時(shí)。

因?yàn)檎羝拿芏缺人〉枚啵钥张莸拇嬖趯?dǎo)致反應(yīng)性下降。這對(duì)于允許冷卻劑沸騰的沸水堆和可能發(fā)生水沸騰的某些事故瞬態(tài)有較大影響，因此，空泡效應(yīng)在沸水堆中最為明顯。

2 空泡對(duì)熱工的影響

反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是保證反應(yīng)堆堆芯在各種運(yùn)行工況下都能得到足夠的冷卻[2]，以保證反應(yīng)堆的安全，但除了安全性的要求外，核電站經(jīng)濟(jì)性也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)要通過反應(yīng)堆各方面的設(shè)計(jì)共同完成，其中反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)起到一個(gè)很重要的作用，如果反應(yīng)堆熱工水力設(shè)計(jì)的各參數(shù)選擇合理，則會(huì)使反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性得到提高。

由于流體產(chǎn)生欠熱沸騰時(shí)的傳熱系數(shù)比單相對(duì)流傳熱系數(shù)有大幅度提高，在壓水反應(yīng)堆中，為了提高堆芯出口溫度和傳熱效率，一般情況下都允許冷卻劑在堆芯較熱通道內(nèi)產(chǎn)生欠熱沸騰。欠熱沸騰產(chǎn)生的汽泡使堆芯慢化劑的慢化能力下降，使反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的自然循環(huán)能力提高，對(duì)反應(yīng)堆的運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。

在沸騰換熱過程中，伴隨有汽泡的生成、脫離加熱壁面等現(xiàn)象，這對(duì)沸騰換熱都有較大的影響，當(dāng)沸騰傳熱由泡核沸騰轉(zhuǎn)化為膜態(tài)沸騰時(shí)，加熱表面上的汽泡很多，以致很多汽泡連成一片，覆蓋了部分加熱面，由于汽泡的傳熱系數(shù)低，加熱面的系數(shù)會(huì)很快升高，而使加熱面燒毀，若不能及時(shí)冷卻，易發(fā)生堆芯融化事故，對(duì)反應(yīng)堆的安全有很大的威脅，所以在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制冷卻劑的溫度及表面熱流密度，使其不能達(dá)到沸騰臨界點(diǎn)，并應(yīng)控制截面含汽率，使其在對(duì)流換熱系數(shù)增大的同時(shí)，不影響加熱面的傳熱效果。

3 空泡對(duì)流動(dòng)的影響

在反應(yīng)堆內(nèi)，水被加熱產(chǎn)生沸騰，形成兩相流動(dòng)，這一過程中的許多兩相流動(dòng)特征，如流動(dòng)不穩(wěn)定性、空泡的分布特性、阻力特性等，對(duì)水冷反應(yīng)堆的工作過程都有重要影響，其汽體和液體都是流體，當(dāng)它們單獨(dú)流動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)規(guī)律基本相同，但是，它們共同流動(dòng)時(shí)，與單獨(dú)流動(dòng)有許多不同之處。

可根據(jù)含汽率的不同，將兩相流分為多種流型，各種流型的流動(dòng)特性均有一定得差別，汽泡與液體之間的脈動(dòng)、擴(kuò)散以及傳熱傳質(zhì)都因流型不同而有一定的區(qū)別。汽泡在液相中的擴(kuò)散及傳熱傳質(zhì)都是使兩相流不穩(wěn)定的主要因素，而對(duì)于流動(dòng)的不穩(wěn)定性，主要受擴(kuò)散及傳質(zhì)的影響，使其液相的湍流與單相水時(shí)的湍流不同。

經(jīng)過去的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)Re≤5 500時(shí)，汽泡增強(qiáng)液體湍流脈動(dòng)，且后者隨含汽率的增大而增大，而當(dāng)Re≥8 500時(shí)，則汽泡削弱液體湍流脈動(dòng)，且后者隨含汽率的增大而下降[3]，換句話說，低含汽率時(shí)汽泡增強(qiáng)液體湍流，高含汽率時(shí)汽泡削弱液體湍流。在相同含汽率下，Re數(shù)較大時(shí)汽泡削弱液體湍流，Re數(shù)較小時(shí)汽泡增強(qiáng)液體湍流，Re數(shù)較小時(shí)含汽率增大提高液體湍流度；Re數(shù)較大時(shí)含汽率對(duì)液體湍流度影響不大。顯然，不同含汽率情況下兩相湍流間的關(guān)系不同。

空泡的產(chǎn)生和潰滅會(huì)導(dǎo)致極高的壓力變化以及高溫、噪音、發(fā)光、放電和化學(xué)反應(yīng)，這會(huì)造成噪音、侵蝕等極大的危害，并且湍流的產(chǎn)生，會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，對(duì)管路的安全性及可靠性有很大的干擾，還會(huì)減少裝置壽命，降低經(jīng)濟(jì)性，因此控制含汽率對(duì)控制流體的流動(dòng)有一定的作用。同時(shí)，由于汽泡在液相中存在擴(kuò)散作用，所以，當(dāng)水中產(chǎn)生大量汽泡時(shí)，汽泡會(huì)溢出，使壓力容器內(nèi)壓力升高，威脅壓力容器及承壓邊界的完整性，因此，含汽率一定不可以超過限制。

但由于汽泡的產(chǎn)生，使得冷卻劑的密度下降，若冷管段為單相水，經(jīng)加熱后，達(dá)到欠熱沸騰，使得冷卻劑密度變化明顯，利于形成自然循環(huán)，減少人為控制，形成非能動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)反應(yīng)堆的控制及安全有很大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

空泡的存在同時(shí)具有利于安全和威脅安全的兩面性，但適當(dāng)?shù)乜刂坪剩梢允估笥诒祝浞掷闷鋵?duì)自然循環(huán)及對(duì)流換熱系數(shù)的優(yōu)勢(shì)，大大提高了經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于核電站來說，是非常必要的，同時(shí)，由于空泡效應(yīng)一般可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的反應(yīng)性系數(shù)，對(duì)于堆芯反應(yīng)性的控制，也是十分有利的，因此，目前的反應(yīng)堆都允許欠熱沸騰的存在，即允許反應(yīng)堆的冷卻劑中含有一定的空泡。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐璇.快譜超臨界水冷反應(yīng)堆反應(yīng)性控制初步研究[D].南華大學(xué)，2015.

[2] 馬騰躍.ADS堆芯熱工水利計(jì)算方法研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[3] 吳巍.管內(nèi)汽液兩相流動(dòng)模型分析[D].重慶大學(xué)，2014.