RELAP5模擬AP1000 ERVC自然循環(huán)過程研究

崔成鑫，陳 煉，胡 嘯

（國(guó)核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京102209）

RELAP5模擬AP1000 ERVC自然循環(huán)過程研究

崔成鑫，陳 煉，胡 嘯

（國(guó)核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京102209）

壓力容器外部自然循環(huán)冷卻（ERVC）系統(tǒng)作為AP1000的非能動(dòng)安全系統(tǒng)之一，對(duì)熔融物堆內(nèi)滯留，阻止放射性物質(zhì)大規(guī)模釋放起到關(guān)鍵的作用。本文通過RELAP5程序針對(duì)AP1000的ERVC系統(tǒng)建立模型，進(jìn)行自然循環(huán)冷卻的物理過程模擬，并對(duì)加熱功率、冷卻水過冷度、安全殼壓力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。除此之外，本文還對(duì)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并對(duì)比了兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果，證明了簡(jiǎn)化的合理性。

自然循環(huán)；壓力容器外部冷卻系統(tǒng)；流動(dòng)特性；RELAP5

通過反應(yīng)堆壓力容器外部冷卻（ERVC） 使熔融物滯留在堆內(nèi)（IVR），是AP1000設(shè)計(jì)中嚴(yán)重事故緩解方式的標(biāo)志性特征。IVR策略有效降低了壓力容器失效的可能性，防止了嚴(yán)重事故進(jìn)一步發(fā)展和惡化，對(duì)保持安全殼的完整性起到了積極的作用。通常ERVC的冷卻能力可以通過壓力容器外壁面沸騰傳熱的能力和熔融物產(chǎn)生熱載荷之間的裕度進(jìn)行衡量［1］，而循環(huán)水流動(dòng)的穩(wěn)定性對(duì)ERVC的能力影響很大。如果RPV外壁面沸騰換熱產(chǎn)生大量氣泡在保溫層流道內(nèi)堆積，阻礙了冷卻水與壁面接觸，則會(huì)導(dǎo)致傳熱惡化［2］。

Theofanous等通過ULPU系列試驗(yàn)得出了CHF和下封頭角度的關(guān)系式，并將下封頭外壁面熱流密度是否低于CHF作為判斷下封頭失效的準(zhǔn)則［1］。自然循環(huán)不穩(wěn)定的情況可能導(dǎo)致CHF提前發(fā)生［3］，而影響自然循環(huán)穩(wěn)定性或者ERVC傳熱能力的因素又是多種多樣的，因此本文以AP1000的ERVC系統(tǒng)為例，使用RELAP 5／MOD3程序模擬ERVC系統(tǒng)，研究自然循環(huán)流動(dòng)的特性，并對(duì)關(guān)鍵的熱工及幾何因素進(jìn)行敏感性分析。

1 系統(tǒng)及模型描述

本章節(jié)將對(duì)AP1000 ERVC系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，并介紹通過系統(tǒng)分析程序RELAP5建立模型模擬ERVC自然循環(huán)冷卻過程。

1.1 ERVC系統(tǒng)描述

圖1為AP1000保溫層流道的設(shè)計(jì)示意圖［4］。嚴(yán)重事故發(fā)生時(shí)，堆芯熔融物進(jìn)入下封頭，壓力容器外部冷卻通過淹沒反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路隔間實(shí)現(xiàn)，隔間由垂直進(jìn)入通道、反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱隔間（RCDT）和反應(yīng)堆堆腔三部分組成（見圖2）。IRWST中的冷卻水注入垂直通道后經(jīng)過開放的柵格進(jìn)入RCDT室，然后通過設(shè)置在堆腔室隔間與RCDT室之間的非能動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入到堆腔室中。冷卻水進(jìn)入堆腔后會(huì)通過RPV下封頭之下的保溫層流道入水口進(jìn)入保溫層系統(tǒng)，保溫層流道內(nèi)的水由于吸收熔池釋放出來的熱量溫度上升，產(chǎn)生沸騰的蒸汽，由于密度減小，汽水混合物會(huì)沿著壓力容器下封頭流動(dòng)，最終通過保溫層流道的出口進(jìn)入安全殼空間，水從上部間隙流回到垂直進(jìn)入通道隔間，水蒸氣通過安全殼冷卻冷凝至IRWST中并被重新注入到堆腔，這樣就建立了壓力容器外部長(zhǎng)期自然冷卻循環(huán)過程［5］。

圖1 保溫層流道設(shè)計(jì)示意圖Fig．1 The schematic of insulation channel

圖2 壓力容器外部冷卻供水隔間Fig．2 Compartments of ERVC system

1.2 模型描述

本文通過RELAP5／MOD3作為工具，建立ERVC模型，模擬自然循環(huán)冷卻過程，節(jié)點(diǎn)劃分見圖3。管道部件（pipe）530模擬垂直進(jìn)入通道，通過單接管連接至部件532，管道532模擬冷卻劑疏水箱和反應(yīng)堆堆腔，536模擬保溫層流道入口。201-208代表下封頭處壓力容器外壁與保溫層之間的流道，將環(huán)狀流道按照與圓心的夾角均分為8份，201-208每個(gè)控制體均有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與水平方向的夾角在0°～90°范圍內(nèi)均分，并使用多接管將201-208橫向相連，以研究其周向的流動(dòng)。流道301-308模擬的是壓力容器直筒段與保溫層流道之間的上升環(huán)段部分，其節(jié)點(diǎn)劃分方式與201-208控制體節(jié)點(diǎn)劃分相同。546和548模擬安全殼空間，循環(huán)水或蒸汽通過單接管310-380從保溫層流道進(jìn)入到546，之后通過548回流至530形成完整的自然循環(huán)過程。

圖3 ERVC模型節(jié)點(diǎn)劃分圖Fig．3 Nodalization of ERVC system

時(shí)間相關(guān)部件580和520提供了系統(tǒng)的壓力邊界，時(shí)間相關(guān)部件520和時(shí)間相關(guān)接管525向系統(tǒng)補(bǔ)水。

下封頭位置的部件201-208通過熱構(gòu)件加熱提供熱源，模擬熔融物向壓力容器傳熱，熱構(gòu)件的劃分方式與水力部件相似并一一對(duì)應(yīng)，從下至上分為8層，每層熱流密度的分布按照熱流密度分布曲線變化。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果與分析

為研究一些邊界條件及幾何參數(shù)對(duì)ERVC自然循環(huán)的影響，本文以上述ERVC模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了計(jì)算分析，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)模型的幾何參數(shù)采取AP1000設(shè)計(jì)值，邊界條件見表1。

表1 穩(wěn)態(tài)計(jì)算邊界條件Table 1 Boundary condition

圖4 熱流密度分布函數(shù)Fig．4 Distribution of the heat flux

從計(jì)算結(jié)果可以看出，AP1000 ERVC系統(tǒng)的自然循環(huán)流動(dòng)是穩(wěn)定的（如圖5所示），質(zhì)量流量大概在1 000 kg／s，該流量與根據(jù)ULPU-V試驗(yàn)測(cè)得的流量相符。保溫層入口和出口之間的壓差是由高度不同產(chǎn)生的，并且隨著流道內(nèi)氣泡的產(chǎn)生，入口處壓力波動(dòng)下降，最后穩(wěn)定在1．5個(gè)大氣壓左右。壓力容器下封頭內(nèi)熱流密度隨角度的增加而增加，因此下封頭外壁面溫度及空泡份額也隨著角度的增加而增加。壓力容器外壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿著下封頭傾斜角度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)（見圖6），傳熱系數(shù)最低點(diǎn)在30度角處，這是由于在低犄角處流道內(nèi)冷卻劑換熱模式還處于純粹的單相換熱，隨著流道的變寬，流通面積增大，流體的速度降低，因此換熱系數(shù)也隨之降低，但隨著角度的升高，開始有氣泡產(chǎn)生，壓力容器外壁面與冷卻劑之間的換熱模式由單相換熱向兩相換熱轉(zhuǎn)變，所以隨著氣泡產(chǎn)生量的增加，換熱系數(shù)也隨之增加，但還沒有達(dá)到傳熱惡化的情況。從上述分析結(jié)果可以看出AP1000的ERVC系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，在嚴(yán)重事故發(fā)生時(shí)可以建立穩(wěn)定的自然循環(huán)，將熔融物產(chǎn)生衰變熱移出而實(shí)現(xiàn)熔融物的堆內(nèi)滯留。

圖5 ERVC系統(tǒng)自然循環(huán)質(zhì)量流量Fig．5 Natural circulation mass flow of ERVC system

圖6 壓力容器下封頭外壁面溫度，傳熱系數(shù)及流道內(nèi)空泡份額隨角度變化Fig．6 Changes of temperature and heat transfer coefficient in the outside wall of lower head and void fraction in flow channel with angle

2.2 關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析

為研究ERVC系統(tǒng)的穩(wěn)定性及運(yùn)行的邊界條件對(duì)它的影響，本文主要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。

1）功率

在冷卻水入口過冷度為50 K，系統(tǒng)壓力一個(gè)大氣壓的條件下，選取加熱功率為參考功率的50%，70%，100%，130%，150%五種工況，進(jìn)行了敏感性分析。

從圖7至圖10中可以看出，隨著功率的增加，下封頭對(duì)應(yīng)的各角度處對(duì)應(yīng)的空泡份額也增加，流道入口和出口處的密度差增加，因此自然循環(huán)流量也增大了，空泡份額的增加也提高了換熱能力，所以傳熱系數(shù)也有一定的提高。由于功率的增加，下封頭各犄角處熱流密度也隨之增大，因此外壁面溫度也有一定的提高。從功率對(duì)ERVC系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析可以看出，AP1000 ERVC的設(shè)計(jì)有很大的裕量，并且功率對(duì)自然循環(huán)過程影響也比較明顯。

圖7 加熱功率對(duì)自然循環(huán)流量的影響Fig．7 Effect of heating power on mass flow rate of natural circulation

圖8 加熱功率對(duì)空泡份額的影響Fig．8 Effect of heating power on void fraction in flow channel

圖9 加熱功率對(duì)下封頭壁面溫度的影響Fig．9 Effect of heating power on temperature in outside wall of lower head

圖10 加熱功率對(duì)下封頭傳熱系數(shù)的影響Fig．10 Effect of heating power on heat transfer coefficient in outside wall of lower head

2）安全殼壓力

選取0．1 MPa、0．2 MPa、0．3 MPa、0．4 MPa四個(gè)壓力值為研究對(duì)象，過冷度為50 K，加熱功率為20 MW為邊界條件進(jìn)行敏感性分析。

從圖11中可以看出，自然循環(huán)的流量隨著安全殼壓力的增加而增大，并且在較低過冷度時(shí)安全殼壓力對(duì)流量的影響更加明顯。安全殼壓力對(duì)傳熱系數(shù)及空泡份額的影響較小（見圖12），這主要是由于在高過冷度的情況下，回路內(nèi)的流體基本保持單相自然循環(huán)，所以壓力的影響并不明顯，并且隨著壓力的升高，傳熱系數(shù)也逐漸升高。

圖11 安全殼壓力對(duì)自然循環(huán)流量的影響Fig．11 Effect of containment pressure on mass flow rate of natural circulation

圖12 安全殼壓力對(duì)傳熱系數(shù)的影響Fig．12 Effect of containment pressure on heat transfer coefficient in outside wall of lower head

3）冷卻水過冷度

在核電站正常運(yùn)行的情況下，IRWST中水的溫度與安全殼內(nèi)環(huán)境溫度基本保持一致，過冷度大概為70 K，在事故情況下，隨著ERVC系統(tǒng)的運(yùn)行，冷卻水的溫度也逐漸升高，所以在研究冷卻水過冷度的影響時(shí)選擇40 K、50 K、60 K、70 K四種情況進(jìn)行敏感性分析。

圖13 冷卻水過冷度對(duì)自然循環(huán)流量影響Fig．13 Effect of subcooling on mass flow rate of natural circulation

圖14 冷卻水過冷度對(duì)下封頭傳熱系數(shù)的影響Fig．14 Effect of subcooling on heat transfer coefficient in outside wall of lower head

從圖13和圖14中可以看出，冷卻劑過冷度越高，流道內(nèi)產(chǎn)生的氣泡就越少，空泡份額越低，因此流道出入口的密度差也就越小，自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力主要由密度差決定，所以自然循環(huán)流量也會(huì)隨著入口溫度的降低而降低，由于衰變功率一定，所以壓力容器外壁面溫度并沒有特別明顯的變化。

4）流道出入口面積

為促進(jìn)ERVC兩相自然循環(huán)流動(dòng)，AP1000根據(jù)ULPU等試驗(yàn)對(duì)保溫層流道出入口面積進(jìn)行了優(yōu)化，本文采取AP1000的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值，研究出入口面積為設(shè)計(jì)值的70%，100%和130%三種情況對(duì)ERVC自然循環(huán)的影響。

圖15 出入口面積對(duì)自然循環(huán)流量影響Fig．15 Effect of outlet and inlet area of flow channel on mass flow rate of natural circulation

通過分析得出，出入口面積的變化對(duì)下封頭各角度處得傳熱系數(shù)，表面溫度及空泡份額等影響不大，從圖15中可以看出自然循環(huán)流量隨著出入口面積的增大而增大，流道出口處的溫度隨著出入口面積的增大而減小。因?yàn)楦淖兂鋈肟诿娣e的實(shí)質(zhì)為改變回路內(nèi)阻力，面積增大阻力減小，所以自然循環(huán)流量上升，并且出入口面積對(duì)自然循環(huán)流動(dòng)和傳熱的影響趨勢(shì)是相似的，但從圖16中也可以發(fā)現(xiàn)，入口面積的變化對(duì)自然循環(huán)的影響更大。

圖16 流道出入口面積對(duì)出口水溫影響Fig．16 Effect of outlet and inlet area of flow channel on water temperature in outlet

3 模型簡(jiǎn)化及分析結(jié)果對(duì)比

為了適應(yīng)大規(guī)模計(jì)算的需求，需要提高程序的計(jì)算速度，因此本文對(duì)模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，以滿足計(jì)算需求。

在原模型中，計(jì)算最耗時(shí)的部分即為壓力容器外壁面和保溫層之間的流道部分，因此在簡(jiǎn)化的模型中，將下封頭及直筒段外部保溫層流道環(huán)向由八份改為一份，其他部分的劃分方式保持不變，簡(jiǎn)化模型的節(jié)點(diǎn)劃分圖見圖17。

圖17 ERVC簡(jiǎn)化模型節(jié)點(diǎn)劃分圖Fig．17 Simplified nodalization of ERVC system

為驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型的正確性，本文使用簡(jiǎn)化模型對(duì)熔融物衰變功率，安全殼內(nèi)壓力等參數(shù)進(jìn)行了分析，并與原模型在相同工況下的計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，從圖18和圖19中可以看出簡(jiǎn)化后的模型模擬不同功率以及不同安全殼壓力的條件下系統(tǒng)自然循環(huán)流量與原模型的分析結(jié)果基本一致，簡(jiǎn)化模型同樣也能夠真實(shí)的模擬ERVC過程，因此認(rèn)為這種對(duì)模型簡(jiǎn)化的方式是合理的，得到的簡(jiǎn)化模型也能夠反映出壓力容器外部自然循環(huán)冷卻的物理過程，并且模型簡(jiǎn)化后其計(jì)算時(shí)間縮短為原計(jì)算時(shí)間的1／6，在保證計(jì)算結(jié)果可接受性的同時(shí)大大提高了計(jì)算效率，這可以為大量計(jì)算分析工作提供支持。

圖18 簡(jiǎn)化模型與原模型計(jì)算不同功率下自然循環(huán)流量對(duì)比Fig．18 Comparison of effect of heating power on mass flow rate of natural circulation in two model

圖19 簡(jiǎn)化模型與原模型計(jì)算不同安全殼壓力下自然循環(huán)流量對(duì)比Fig．19 Comparison of effect of containment pressure on mass flow rate of natural circulation in two model

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)ERVC自然循環(huán)物理過程的分析，本文選取了加熱功率，冷卻劑入口過冷度，安全殼壓力，出入口面積等參數(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到了以下結(jié)論：

1）AP1000的ERVC設(shè)計(jì)有很大的裕量，可以通過自然循環(huán)的方式將下封頭內(nèi)熔融物產(chǎn)生的衰變熱導(dǎo)出，保證壓力容器的完整性。

2）熔融物衰變功率及冷卻劑過冷度對(duì)自然循環(huán)影響比較明顯，并且隨著功率的升高和過冷度的減小，自然循環(huán)的流量增大，相比而言，安全殼內(nèi)壓力對(duì)自然循環(huán)的影響較小。

3）保溫層流道的入口面積和出口面積對(duì)自然循環(huán)過程的影響趨勢(shì)基本一致，但通過結(jié)果的變化可以看出，入口面積的影響更大一些。

4）經(jīng)過簡(jiǎn)化后的模型與原模型計(jì)算分析結(jié)果吻合度很高，所以可以替代復(fù)雜的模型進(jìn)行ERVC過程的分析，提高計(jì)算效率。

［1］ Theofanous T．G，Liu C，Additon S，Angelini S，Kymalainen O，Slamassi T．In-vessel coolability and retention of a core melt［R］．DOE／ID-10460．vol．1，U．S．Department of Energy，1996．

［2］ Kyoung-Ho Kang，Rae-Joon Park．Flow analyses using RELAP5／MOD3 code for OPR1000 under the external reactor vessel cooling［J］．Annals of Nuclear Energy，2006，33：966-974．

［3］ SONG J H，KIM S B，KIM H D． On some salient unresolved issues in severe accidents for advanced light water reactors［J］．Nuclear Engineering and Design，2005，235（2）：2055-2065．

［4］ AP1000 Probabilistic Risk Assessment． APP-GWGL-022，May 2004．

［5］ 林誠(chéng)格，郁祖盛．非能動(dòng)安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)［M］．北京：原子能出版社，2010．

Study on the process ofnatural circulation of AP1000 ERVC system based on RELAP5

CUI Cheng-xin，CHEN Lian，HU Xiao
（State Nuclear Power Technology R＆D Center，Beijing 102209，China）

External reactor vessel cooling（ERVC）system，as one of the passive systems of AP1000 reactor，plays a key role for the melt in-vessel retention and prevention largescale release of radioactive materials．In this paper the AP1000 ERVC system was modeled by RELAP5 code，simulated the physical processes of natural circulation cooling and investigated the effects of various thermal-hydraulic parameters such as decay power，subcooling，containment pressure．In addition，in this paper the simulation model of ERVC system was simplified，and proved the reasonableness of simplification by the compare of the results to the before calculations．

Natural circulation；ERVC；Flow characteristic；RELAP5

TL364

A

0258-0918（2016）02-0165-07

2014-12-19

國(guó)家重大科技專項(xiàng)嚴(yán)重事故機(jī)理及現(xiàn)象學(xué)研究課題

崔成鑫（1987—），男，吉林，助理工程師，碩士，反應(yīng)堆安全分析