CEFR事故余熱排出系統穩態熱工流體計算

邰永　余華金

摘 要：論述了CEFR事故余熱排出系統的基本構成和工作原理，給出了該系統熱工流體計算的穩態數學模型，并由此編制了該系統的穩態熱工水力計算程序，計算結果與已有數據吻合較好，驗證了數學模型的正確性，對后續的快堆事故余熱排出系統的設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：CEFR；事故余熱排出系統；穩態；熱工流體

中圖分類號：TL353.13 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0146-03

1 事故余熱排出系統的作用

中國實驗快堆（以下簡稱CEFR）是我國第一座快堆，相比于壓水堆，快堆具有增殖和嬗變的兩大優勢，是第四代核能系統的優選堆型。

事故余熱排出系統作為CEFR快堆最重要的專設安全設施之一，是實現反應堆在事故工況下余熱排出的安全功能的主要手段，對保持堆的各屏障的完整性，避免放射性物質向周圍環境釋放具有重要作用。

當快堆運行中遭遇地震作用、系統供電全部中斷以及所有蒸汽發生器供水中斷的情況時，其堆芯熱量無法通過主熱傳輸系統的一、二、三回路正常導出，為了能夠有效導出堆芯余熱，避免發生堆芯熔化等重大事故，在快堆中設置了專門用于堆芯余熱排出的事故余熱排出系統，依靠這個系統使堆芯和整個反應堆得到冷卻，保證燃料棒、堆內構件和堆容器處于可接受的溫度限值范圍內，從而保障反應堆的安全。

2 CEFR事故余熱排出系統的基本構成和工作原理

CEFR事故余熱排出系統示意圖，如圖1所示。由圖中可以看出，系統包含3個回路，即堆芯回路、中間回路和空冷器冷卻回路。堆芯回路包括堆芯、熱鈉池、中間熱交換器、冷池、泵和柵板聯箱；中間回路包括獨立熱交換器管側和空冷器管側；空冷器冷卻回路包括風門、空冷器殼側和通風塔。

堆芯回路由堆芯、熱鈉池、中間熱交換器、冷池、泵和柵板聯箱組成。一次鈉泵從冷池吸入冷鈉，由泵加壓后送到柵板聯箱，經過堆芯加熱后，冷鈉變成熱鈉，在熱鈉池交混后進入中間熱交換器，重新流入冷池，這樣就完成一個回路的循環。

中間回路由獨立熱交換器管側、空冷器管側和回路管道構成。獨立熱交換器安放在熱鈉池主容器和擋板構成的環隙內，它為管殼結構，一次鈉從殼的上部窗口進入，經管間向下流，然后從殼的下部窗口回到環隙下部。二次鈉從獨立熱交換器頂部進入中央下降管，流到底部腔室后轉向進入傳熱管內，鈉從傳熱管內自下而上流過，進入上腔室，然后進入回路管，流到空冷器的上集流管，再經傳熱管流向下集流管，最后經回路管回到獨立熱交換器，構成一個封閉回路。

空冷器冷卻回路包括風門、空冷器殼側和通風塔。空氣從空冷器下部風門進入，經空冷器傳熱管間隙流過，最后由通風塔排到大氣，可近似看作一個回路。為了模擬衰變熱排放過程，建立了系統計算的簡化模型如圖2所示[1-3]。

3 事故余熱排出系統的穩態換熱計算

為了驗證系統以及系統內主要設備的設計是否滿足預先的要求，需要對系統在名義冷卻工況下的主要技術特性和參數進行計算。

4 事故余熱排出系統推動力和阻力計算

獨立熱交換器置于反應堆鈉池中，處于熱態。空氣熱交換器是通過空氣將熱散入大氣，處于冷態。兩者之間形成溫差。同時由于兩者標高不同，形成位差。因此，溫差和位差形成自然循環驅動力。此推動力克服在回路中流經管道和設備時產生的阻力。在穩態工況下，系統的自然循環推動力與系統的管道和設備阻力總是相等的，即P動=P阻。

在計算系統中間回路的驅動力時，做了如下近似假設：

回路時絕熱的，即上行管道時等溫的熱態溫度，下行管道是等溫的冷態溫度。

在熱交換器的管道中溫度沿高度呈線性變化。

自然循環的推動力公式為：

P動=g×β×ρc×（T2out-T2in）×（ZX-ZF）

g為重力加速度，β為鈉體積膨脹系數，ρc為冷態流體密度，T2out為熱態流體溫度，T2in為冷態流體溫度，ZX為空氣熱交換器散熱段中心標高，ZF為獨立熱交換器吸熱段中心標高。

系統中獨立熱交換器和空氣熱交換器的阻力計算在前面已經給出，本節只給出管道的阻力計算。系統中間回路的管道可以看作是許多直管和彎管的組合，因此管道內的流動阻力將由摩擦壓降和局部壓降來決定。

4.1 由摩擦力引起的壓力損失

計算按下列公式進行：

5 CEFR事故余熱排出系統穩態結果

根據上節給出數學模型，利用Fortran語言編制了CEFR事故余熱排出系統的穩態熱工水力計算程序，通過對獨立熱交換器和空氣熱交換器以及相對應的三條回路進行建模和計算，得到CEFR事故余熱排出系統名義冷卻工況下的熱工水力參數如表2所示。

通過上表可以看出，三條回路的流量和溫度參數與現有數據的誤差都在1%以內，結果吻合較好。這就驗證了系統穩態模型和計算方法的正確性。可以將這種數學模型和計算方法應用到后續的大型商業快堆的事故余熱排出系統的設計計算，可以將設計的獨立熱交換器和空冷器放入到程序中進行計算，以驗證設備的設計是否滿足系統的性能要求，也可以通過程序對設備的相關結構參數以及系統整體參數進行修改，最終得到滿足系統要求的設計結果，這對于后期的示范快堆事故余熱排出系統的設計具有很好的指導意義。

參考文獻

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