非能動專設安全設施應急余熱排出試驗研究

許世杰++劉遜++聶常華++卓文彬

【摘 要】根據海水淡化堆的原型，本文建立了海水淡化堆非能動專設安全設施綜合模擬試驗裝置，并開展了應急余熱排出試驗研究，分析了蓄壓水池的初始水位對應急余熱排出模擬試驗自然循環的建立和余熱的導出的影響。本文建立了海水淡化堆非能動專設安全設施綜合模擬試驗裝置，并開展了應急余熱排出試驗研究，分析了蓄壓水池的初始水位對應急余熱排出模擬試驗自然循環的建立和余熱的導出的影響。

【關鍵詞】海水淡化 自然循環 應急余熱排出

1 引言

海水淡化是解決未來人類淡水危機的一個可靠途徑。目前世界上在運行的海水淡化裝置以燃燒化石燃料為主，為了保護環境，繼續建造燃燒化石燃料的大型海水淡化裝置是不可行的，未來的海水淡化必須使用核能或者其他可再生能源。核反應堆能夠提供海水淡化需要的熱能和電能，同時，核能海水淡化已經積累了超過150堆年的運行經驗，其中，日本有八座配有海水淡化工程的核反應堆，印度、墨西哥和巴基斯坦等國都建造了核能海水淡化裝置。

隨著世界范圍內核能海水淡化技術的發展和需求的增長，中國也開始發展自己的核能海水淡化反應堆。某核能海水淡化廠的反應堆系統由中國核動力研究設計院設計，該反應堆采用池殼式布置，在低溫、常壓下運行，具有設備簡化、系統簡單、運行方便的特點，其專設安全設施包括應急堆芯冷卻分系統、應急余熱排出分系統以及應急注硼分系統，具有良好的固有安全性。

海水淡化堆非能動專設安全設施綜合模擬試驗裝置（以下簡稱綜合模擬試驗裝置）能夠模擬該核能海水淡化廠的非能動專設安全設施，試驗內容主要包括模擬斷電事故工況下，反應堆功率的堆芯衰變熱下自然循環投入的過渡過程和自然循環能力，驗證非能動專設安全設施的余熱導出能力。本文在綜合模擬試驗裝置上，對應急余熱排出瞬態工況進行了模擬，對比了蓄壓水池初始水位分別在23米和18米的2個不同工況計算結果，分析了蓄壓水池的初始水位對應急余熱排出模擬試驗自然循環的建立和余熱的導出的影響，為海水淡化堆非能動專設安全設施初步設計提供試驗參考。

2 試驗裝置

綜合模擬試驗裝置采用修正的功率容積比例法進行設計，并采用實時模擬方法，即試驗裝置功率容積比滿足同一個比例因子（本試驗裝置為1/45），試驗裝置采用與原型相同的工質、運行工況，試驗裝置在高度和相對高度上保持與原型一致。

試驗裝置主回路由兩條并聯運行的閉合回路組成，用于模擬海水淡化堆的一回路系統。每條回路包括主管道、主泵、反應堆容器模擬體（堆芯模擬容器和環腔模擬容器）、主換熱器模擬體、堆外環腔及回路外部空間模擬水箱、閥門、文丘里流量計以及管道。

非能動專設安全設施主要包括蓄壓水池（也充當系統的穩壓器，用于維持回路運行壓力）、安注管、波動管、余熱排出上升管及相應的管路、附件等，堆芯外部空腔模擬水箱在破口事故時模擬堆外環境。綜合模擬試驗裝置流程圖如圖1所示。

3 試驗方法

事故信號發出后，通過變頻器控制主泵轉速，使其按預先設定的轉速變化曲線變化（模擬主泵惰轉流量），同時控制堆芯模擬容器內電加熱元件功率，從15%反應堆功率（600kW）開始，使其按預先設定的功率變化曲線變化（模擬堆芯余熱）。開啟余熱排出上升管及安注管上氣動隔離閥，堆芯模擬容器出口一部分流體進入應急余熱排出上升管，形成“堆芯出口→應急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體→波動管→一回路冷段管道→環腔模擬容器→堆芯模擬容器”的與一回路并列的循環系統。

隨著主泵惰轉和慣性流量動壓頭的減小直至消失，反應堆下降環腔對安注管口的反向動壓頭也消失，最終形成“蓄壓水池模擬體→安注管→環腔模擬容器→堆芯模擬容器→應急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體”、“蓄壓水池模擬體→波動管→一回路冷段→環腔模擬容器→堆芯模擬容器→應急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體”和“堆芯模擬容器→一回路系統→堆芯模擬容器”三個并列的自然循環系統，將堆芯的剩余釋熱導入蓄壓水池。

4 結果及分析

本文在綜合模擬試驗裝置上，對應急余熱排出瞬態工況進行了模擬，對比了蓄壓水池初始水位分別在23米和18米的2個不同工況計算結果，分析了蓄壓水池的初始水位對應急余熱排出模擬試驗自然循環的建立和余熱的導出的影響。瞬態試驗初始條件見表1，功率衰變曲線見圖3。

自然循環的建立是依靠驅動壓頭克服回路上升段和下降段的壓力而產生的。而自然循環的流量可以由水循環基本方程式來決定[1]，即：

△pe=△pdc=△pd-△pup

如圖2，其中：△pe為有效驅動壓頭，△pdc為下降段的壓力損失，△pd為總的驅動壓頭，△pup為上升段的驅動壓頭。因此，在應急余熱排出試驗中，堆芯出口溫度和自然循環流量是相互影響的，因為堆芯出口溫度決定了上升段中流體的溫度和密度，進而影響上升段的壓力損失。當堆芯出口溫度升高，自然循環流量增加，自然循環流量增加又會促使堆芯出口溫度降低。

從圖3～圖5可以看出，CASE 1和CASE 2工況在自然循環建立之初，堆芯出口溫度略有升高，隨著自然循環的建立以及自然循環流量的增加，堆芯出口溫度逐漸降低，堆芯衰變熱能夠被順利導出。隨著堆芯出口溫度的降低，自然循環的流量也開始下降，最終趨于穩定。

同時還可以看出，CASE 1和CASE 2工況在自然循環建立之初系統的瞬態特性有較大區別，自然循環流量和堆芯出口溫度的變化趨勢都有明顯的差異，自然循環穩定后，自然循環流量及堆芯出口溫度的變化基本同步。在自然循環建立之初，由于CASE 2中蓄壓水池水位較低，為18米，余熱排出上升管中壓力也較低，從堆芯經自然循環排出的熱水溫度很快超過了余熱排出上升管處的飽和溫度，余熱排出上升管中出現了汽化現象，在試驗中觀察到了余熱排出上升管中液體沸騰的“咕咕”聲，余熱排出上升管也因為熱沖擊而咔咔作響。雖然此時CASE 2余熱排出上升管進出口壓差有所降低（如圖6所示），但主要是由于有蒸汽的產生余熱排出上升管中重力壓頭降低引起的，自然循環流的驅動壓頭卻是增加的，因此，自然循環流量在汽化階段是明顯增加的（如圖4所示）。在CASE 1中，由于蓄壓水池水位較高，沒有產生汽化現象。

5 結語

根據海水淡化堆的原型，本文建立了海水淡化堆非能動專設安全設施綜合模擬試驗裝置，并開展了應急余熱排出試驗研究，分析了蓄壓水池的初始水位對應急余熱排出模擬試驗自然循環的建立和余熱的導出的影響。結果表明：非能動專設安全設施在應急余熱排出模擬試驗啟動之初，可以迅速建立自然循環；自然循環建立之后，堆芯能動得到有效的冷卻，堆芯溫度逐漸降低；蓄壓水池的初始水位對自然循環的建立和余熱的導出均有一定影響，蓄壓水池作為回路的穩壓器，過低的水位會使回路中產生汽化現象，導致回路中壓力及自然循環流量發生較大波動，對設備造成一定沖擊，應予以避免。

參考文獻：

[1]于平安，等.核反應堆熱工分析[J].上海交通大學出版社，2001.12.