49—2游泳池式反應堆堆芯流量測量及監督實驗研究

趙愛虎++趙澤昊

摘 要：為49-2游泳池式反應堆研制了畢托管堆芯流量監測裝置。利用該裝置在49-2反應堆上開展了堆芯流量測量及監督實驗，得到了堆芯流量分配數據及堆芯總流量，為49-2反應堆熱工安全分析提供了基礎數據，提供了在線監督堆芯流量變化的可靠手段。

關鍵詞：49-2游泳池式反應堆 流量測量 實驗

中圖分類號：TL364.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（b）-0102-04

49-2反應堆是游泳池式輕水反應堆，該堆是我國自行設計、建造、安裝、調試和運行的第一座反應堆，建成至今已運行40多年[1]。

反應堆最基本的要求是安全。反應堆安全靠反應堆的物理、熱工、結構、材料、控制、化工等多方面的良好設計來共同保證。熱工設計應保證反應堆在正常運行工況下具有足夠的載熱能力，保證堆芯不發生局部沸騰；同時在事故工況下要避免燃料元件因過熱而破損，確保反應堆安全運行[2]。

49-2反應堆自運行以來，根據運行任務的需要，堆芯布置發生過一些變化，這將導致堆運行熱工參數的變化與設計值產生一定偏差，如堆芯流量、燃料組件流量分配等。為了保證堆的安全運行，有必要在反應堆現在運行條件下，重新確定重要的熱工參量。

本文研究的主要目的是：為49-2反應堆安全運行提供可靠的堆芯流量監測裝置。開堆前，通過該裝置可以測量堆芯不同燃料組件柵格內的冷卻水流量，確定堆芯所有燃料組件柵格內的冷卻水流量占一回路冷卻劑總流量的比例，為燃料組件的熱工安全分析提供實驗數據；在堆運行過程中，通過該裝置可以監測堆芯流量變化。

1 堆芯流量監測系統的建立

1.1 監測原理及裝置介紹

綜合考慮反應堆堆芯結構和燃料組件結構特點等多方面因素，采用安裝在一盒模擬燃料組件內的一付畢托管流量計監測堆芯流量。

畢托管又稱動壓測定管。它的測量原理是利用測量流體的全壓和靜壓之差—動壓來測量流速，再按流速算出流量。若要用畢托管測量流體平均流速，需在同一流通截面布置多個測點。這受到燃料組件具體結構的限制，多個測點的布置會影響流道的水力特性，同時也會給畢托管引壓管從堆芯的引出造成一定困難。

眾所周知，在穩定流動工況下，燃料組件穩定段流通截面某點流速與截面平均流速成確定比例關系，進而與組件內冷卻劑流量存在特定關系。另外，該點流體流動產生的動壓，這說明該點動壓與流過組件的冷卻劑流量 存在特定關系。

假定，，則：

由此，得到燃料組件內冷卻劑流量與動壓之間的關系式：

（1）

令，則（1）式可簡化為：

（2）

因此，可以通過測量組件通道內某點動壓P動和流體密度ρ計算得到流經燃料組件的冷卻劑流量W。公式中（2）中的C值可以通過堆外標定實驗得到。

基于以上理論分析，筆者決定通過安裝在組件內的一付畢托管測量流量，并通過堆外標定實驗確定出C值，給出關系式（2）的完整形式。堆上開展堆芯燃料組件流量分配實驗及堆芯流量監測時，利用該關系計算出流過燃料組件的流量。

流量監測裝置主要由五部分組成：畢托管、引壓管、差壓變送器、二次顯示儀表及注水器。

畢托管是本裝置的核心部件，它用來測量燃料組件內某一固定位置流體的全壓和靜壓。

畢托管安裝在模擬組件的一根燃料元件上，安裝畢托管的燃料元件由不銹鋼加工制作，包括三部分：上端頭、直管段及下端頭。畢托管靜壓管和全壓管安裝在直管段上，通過上封頭中間孔道引出。畢托管靜壓管和全壓管采用的mm細管。圖1所示為安裝畢托管燃料元件圖，圖2是安裝畢托的模擬燃料組件外形照片。

引壓管作用是將畢托管的靜壓與全壓引入至差壓變送器，經差壓變送器將畢托管測得的動壓頭轉換成電信號，其讀數直接顯示在二次儀表上。靜壓和全壓引壓管從安裝在模擬燃料組件某根燃料元件上的畢托管引出，實驗過程中，畢托管隨模擬組件一起移動至不同燃料組件柵格，完成堆芯燃料組件柵格內冷卻水流量測量。

1.2 監測裝置堆外標定實驗

為了確定公式（2）中的系數C，在專門搭建的實驗裝置（圖3）上進行監測裝置標定實驗。試驗裝置包括實驗回路和試驗段兩部分。實驗回路用于模擬49-2堆芯并提供滿足標定實驗所需的冷卻劑流量和溫度試驗條件，由堆容器模擬器、輔助穩壓器、循環水泵、流量計及閥門管道等附件。

在水流量16～38m3/h和水溫25℃～46℃的實驗參數范圍內，進行了6次重復性實驗，得到近百個數據，經分析整理得到了燃料組件的流量與畢托管壓差及流體密度之間的經驗關系式：。

2 49-2堆芯流量測量實驗

2.1 測量方案

反應堆堆芯上方有安全棒導管、自動棒導管、補償棒導管等，堆芯四周不同位置布置有8根生產孔道，再加上反應堆水池上方有控制棒導管固定支架等，堆芯上方結構非常復雜，給流量監測裝置在不同燃料組件盒間的移動造成很大困難，使得全部測量堆芯44盒燃料組件的流量難以實現。

堆實際運行過程中，各元件盒在活性區內的熱負荷不一樣，為了反應堆運行安全和達到足夠高的功率，反應堆設計初期根據熱負荷分布情況，配置不同直徑的節流圈，調節各部位的一次水流量。節流圈直徑分為：φ40、φ45、φ50、φ55、φ63mm共5種規格。因此，根據不同尺寸的節流圈孔板選擇有代表性的通道進行測量，根據局部組件測量結果，結合不同節流圈組件阻力特性推算出全堆芯流量及堆芯流量分配。圖4是44盒燃料組件節流圈分布情況。

堆芯流量測量方案的確定沒有考慮堆芯進出口流動對燃料組件流量的影響，認為流過同一尺寸規格節流圈燃料組件的流量相等。根據這一假設條件，選取了具有代表性的10盒燃料組件柵格作為測量對象，如圖4陰影部分所示，這10盒組件柵格分別是：G3、G4、G5、C7、C8、C9、D4、F8、E6和D7。10盒測量組件柵格包括5種節流圈規格各兩盒，除節流圈63mm的2盒外其他呈對角對稱布置。endprint

2.2 測量結果

每盒組件內流量測量都在兩種堆芯流量工況下進行，工況一開啟一臺一次水泵（甲泵），工況二開啟兩臺一次水泵（甲、丙泵）。

10盒燃料組件流量測量結果見表1。

2.3 測量結果分析及堆芯流量分配

由表1給出的實驗數據可以看出，節流圈相同的兩盒組件測得的流量偏差較小。除40mm、45mm兩種節流圈規格的組件外，其他3種節流圈規格組件內流量偏差均不超過2%。節流圈40mm的G3和C9兩盒組件流量偏差為4%，G4和C8（節流圈45mm）流量偏差為6%。

G3、C9和G4、C8這兩組組件布置在堆芯邊緣位置，受堆芯進出口流動影響較其他組件大，因而流量偏差較其他組件稍大一些。但總的來看，在假定堆芯同種規格節流圈組件流量相等的前提下，根據局部組件實驗結果推算出的堆芯總流量與真實流量不會產生太大偏差。

利用測得的實驗數據推算其他組件流量及計算全堆芯流量時，每種規格節流圈組件流量均選取兩組測量數據中偏小值。5種節流圈規格組件流量取值見表2，堆芯所有燃料組件流量分配數據見圖5。

根據全堆芯流量分配數據計算得到通過堆芯所有燃料組件的冷卻水流量為793m3/h，占一次水泵總流量的79.3%，堆芯其他流道的流量占一次泵總流量的份額為20.7%。

為了驗證測量數據的正確性，將實驗測量結果與基于反應堆設計初期得到的燃料組件阻力特性分析計算結果進行了對比。

反應堆設計初期，針對安裝不同直徑節流圈組件開展過阻力特性實驗研究，并得到了每種節流圈組件的阻力特性曲線，表3給出的是當時實驗得到的元件盒配置不同孔徑節流圈時組件壓降與組件中心截面速度關系的實驗數據表[3]。

分析計算過程中，堆芯冷卻劑總流量取，冷卻劑溫度設為與實驗溫度相近的12℃。根據5種尺寸規格節流圈組件阻力特性，按阻力平衡計算公式得到各節流圈規格組件流量值。

堆芯44盒燃料組件流量分配計算方法：

（1）假定一個堆芯總壓降，查表3得到5種節流圈規格組件對應該壓降的組件中心截面的速度值ν40、ν45、ν50、ν55和ν63。

（2）根據組件中心截面速度值，計算得到5種節流圈規格組件流量W40、W45、W50、W55和W63。

（3）不同節流圈規格組件流量分別乘以堆芯安裝同規格節流圈的組件數量，然后求和得到堆芯總流量，。

（4）如果，說明假設壓降就是堆芯總壓降；如果，重新給定值從第一步開始重復進行計算，直至為止。

的判斷標準是。

表4給出了堆芯壓降及5種節流圈組件流量計算結果。表5列出了計算結果與實驗結果的對比情況。

由表5給出的對比結果可見，每盒組件流量實驗測量值和分析計算值的偏差相對較小，均不超過±4%。這說明，堆芯進出口流動對堆芯燃料組件盒內流動影響相對較小。進一步說明本實驗確定的堆芯流量測量方案及堆芯總流量計算方法是合理的。

3 堆芯流量監督實驗

在以后49-2反應堆運行過程中，要求裝置能迅速反應堆芯流量變化且工作性能要穩定。

將流量監測裝置安裝在B10柵格內，開展了流量監督實驗。啟動或關閉一次水泵時，觀察到測量裝置的差壓變送器輸出電流值隨一次水泵流量的變化同步發生變化且反應靈敏，說明流量監測裝置安裝在B10柵格內能夠迅速反映堆芯流量變化。另外，在兩種泵運行工況下的測量結果表明，裝置在堆芯流量穩定工況下工作性能穩定。單泵運行工況流量測量值為17.22m3/h，雙泵運行工況為22.44m3/h。圖6給出在兩種穩定運行工況下安裝在B10柵格內的流量監測裝置流量測量結果隨時間的變化曲線。

實驗結果表明，測量裝置工作性能是穩定。因此，在堆運行過程中該流量監測裝置安裝在B10柵格內能夠可靠的監督堆芯流量的變化。

4 結論

（1）根據反應堆堆芯結構及堆內特定運行環境的要求，研制了49-2反應堆堆芯流量監測裝置。

（2）在專門搭建的實驗回路上完成了49-2堆芯流量監測裝置堆外標定實驗，在水流量16～38m3/h和水溫25～46℃的標定實驗參數范圍內對流量監測裝置進行了系統的標定，并得到了燃料組件流量與畢托管壓差及流體密度之間的經驗關系式：。

（3）制定了切實可行的堆芯流量測量方案，測得了堆芯10盒有代表性燃料組件柵格的流量，計算得出堆芯總流量及流量分配數據。在堆芯總流量為1000m3/h，水溫12℃的條件下，得到流過堆芯燃料組件的流量為793m3/h，占總流量的79.3%。

（4）堆芯流量監測實驗表明，安裝在B10柵格內的流量監測裝置對堆芯流量變化反應靈敏，工作性能穩定、可靠，可在49-2反應堆運行過程中用以監督堆芯流量變化。

參考文獻

[1] 李洪濤.49-2游泳池反應堆（追溯性）安全分析報告[Z].中國原子能科學研究院內部資料，2005.

[2] 于平安.核反應堆熱工分析[M].北京：原子能出版社，1986.

[3] 陳淑蘭.49-2游泳池反應堆堆芯燃料組件阻力特性試驗研究[Z].中國原子能科學研究院內部資料，1961.endprint