反應堆自然循環運行研究

牟小磊

【摘 要】論文在廣義自然循環定義的基礎上，分析了反應堆自然循環運行，給出了反應堆自然循環的定義，介紹了影響反應堆自然循環的因素，提出了在發生自然循環工況下反應堆自然循環是否形成的判據，以及控制要點。

【Abstract】Based on the definition of generalized natural circulation， the natural circulation operation of the reactor is analyzed， and the definition of reactor natural cycle is given. The factors influencing the natural circulation of the reactor are introduced. The criteria for the formation of the natural circulation of the reactor under the natural circulation condition and the control points are proposed.

【關鍵詞】自然循環；反應堆；控制要點

【Keywords】natural circulation； reactor； control points

【中圖分類號】TL364 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）09-0156-02

1 引言

電網環境錯綜復雜，受諸多因素的影響，外電源喪失后，反應堆主泵停運就會失去強迫循環，導致冷卻效率降低，堆芯由于放射性衰變等因素仍會發出小部分功率。，此時需要依靠自然循環進行余熱導出。本文從自然循環原理出發，分析了維持自然循環的條件、找出判斷自然循環是否形成的依據，以及自然循環下的控制要點。

2 自然循環的定義

廣義上的自然循環，是指在封閉的回路系統中，存在熱源和冷源，且熱源和冷源存在高度差，依靠冷段下降流和熱段上升流中流體的密度差所產生的驅動壓頭來實現的循環。

從自然循環定義中我們可以看出，建立自然循環必須具備以下條件：

①系統中必須存在熱源和冷源；

②熱源和冷源中存在高度差，熱源在下面，冷源在上面；

③系統冷段和熱段中的流體存在密度差。

3 自然循環工作原理

自然循環的工作原理為：工質依靠上升管受熱所產生的密度差沿著閉合的路線運動。

簡單循環壓差平衡式：

與運動壓頭相對應的是阻力壓頭，取決于管路特性以及流速等因素，當運動壓頭與阻力壓頭相等時，自然循環流動達到平衡狀態，此時的循環流量和壓差即為工作流程和工作壓差（A點）。

4 反應堆自然循環

4.1 反應堆內自然循環的冷段和熱段

根據通用壓水反應堆一回路的幾何結構，將下面幾部分定義為熱段：①堆芯；②蒸汽發生器與堆芯之間的熱段；③蒸汽發生器U型管的上行段。

將下面幾部分定義為冷段：①蒸汽發生器U型管的下行段；②蒸汽發生器和堆芯之間的冷段；③反應堆壓力容器內堆水的下降通道。

4.2 反應堆內自然循環的冷源和熱源

冷源是3個蒸汽發生器，熱量以下列兩種方式帶出：①將進入蒸汽發生器中較冷的水加熱成飽和水；②飽和水吸熱變成飽和蒸汽排往大氣。

熱源可能的能量來源有以下幾種：核裂變，剩余功率，鎬-水反應，主泵，在所有主泵停運、反應堆停堆時，自然循環的熱源包括以下幾種可能的來源：①核裂變產物的衰變；②U238捕獲產物的衰變；③緩發中子產生的剩余裂變；④一回路結構材料所產生的熱量。

5 反應堆自然循環影響因素分析

根據廣義自然循環的定義，可以得到影響反應堆自然循環的因素具體影響如下。

①冷源和熱源的溫差，溫差越大，自然循環能力越強；

②冷源和熱源的位差，位差越大，自然循環能力越強；

③管道的延程阻力，阻力越大，自然循環能力越弱。

冷卻劑中的含汽率，含汽率的作用對自然循環含有雙重性，堆芯表面局部沸騰可以增強冷卻劑和燃料組件的熱量交換，有助于自然循環的建立和維持。但反應堆上腔積汽會增加環路的流阻，阻礙自然循環。而在兩相流動，較高含汽率下，可能引起流量的不穩定性，會阻礙甚至終止自然循環。

不凝結氣體，對自然循環起阻礙作用，不凝結氣體越多，對自然循環的阻礙越強。

根據傳熱公式Pth=QfCP（Thot-Tcold），反應堆進入自然循環后，一回路冷段和熱段溫度變化為：如下。

剛跳堆時：堆芯熱負荷Pth由100%下降到10%以下，由于主泵惰轉流量Qf變化不大，所以溫差（Thot-Tcold）由變小，也即Thot變化大，Tcold變化相對小，總體而言△T變小，見t1點。

到時間t2： Pth變化較小，而隨主泵轉速迅速下降，流量Qf變小，Thot變大。

主泵停轉后， Pth不變，流量Qf變化不大，溫差（Thot-Tcold）保持不 變，即t3時的狀態。

堆芯的燃耗將會影響停堆后的裂變產物和U-238俘獲產物的衰變功率，燃耗越深，裂變產物和衰變產物衰變功率越大。

蒸汽發生器一次側的上升段為熱段，下降段為冷段，二次側的冷卻將使冷段和熱段的溫度同時下降，且熱段下降的幅度更大，熱段溫度下過多降將使自然循環的驅動力減弱，因此說蒸汽發生器二次側的冷卻要適中，過度的冷卻反而會阻礙自然循環的形成和建立，而這種效應在堆芯是冷堆芯時，冷卻劑流經堆芯時密度變化不大時尤為明顯。

二次側過大的冷卻速率將導致自然循環的驅動壓頭（密度差壓頭—Pm=-∮ρgdz）下降，自然循環的減弱或中斷，在堆芯是冷堆芯時，能造成自然循環終止甚至可能造成流量反轉。

由于壓力容器上封頭內冷卻劑流動減弱，過度冷卻可能引起上封頭冷卻劑汽化，這不僅會減弱自然循環的循環動力，也對設備造成沖擊。

一回路系統存在不凝結氣體或壓力容器上封頭汽化時，均會增加自然循環的阻力。

6 反應堆自然循環控制建議

6.1 自然循環形成判斷依據

主泵停運后，機組利用自然循環到處堆芯熱量，主控室操縱員可以通過如下手段來判斷自然循環是否已經形成。

堆芯出口溫度穩定或下降，反應堆冷熱段的溫度存在正向溫差（即熱段的溫度大于冷段的溫度），冷熱段的溫度保持穩定或以相同的趨勢下降，可判斷已形成自然循環。

自然循環的目的是導出堆芯的余熱，在考慮堆芯剩余能量與蒸汽發生器冷卻的同時，要充分考慮一回路冷卻劑系統巨大的熱容量和其熱量的儲存能力。

如果堆芯的出口溫度在上升，或反應堆冷腿的溫度在上升，表示二回路的冷卻不足，不足以帶走堆芯的余熱，能量應調節GCT的開度，加大二次側的冷卻，以帶走全部堆芯余熱。

如果堆芯出口溫度穩定，反應堆冷腿的溫度在保持不變，表示二回路的冷卻剛好帶走堆芯的余熱。

如果堆芯的出口溫度下降，冷熱段的溫度以相同的趨勢下降，表示二回路的冷卻在帶走全部堆芯余熱的同時還帶走了一回路系統的設備潛熱，溫度下降的速率可通過調節GCT的開度進行調節。

6.2 自然循環控制建議

根據前述論證，為了維持已經存在的自然循環，需要采取各種措施來加強監測和控制，具體來說有以下幾點：。

為保持溫差，二回路要有冷卻，即要有ASG的給水及GCT的排放，否則SG內二回路將是死水，隨著溫度升高，一回路將停止自然循環。

為了保證冷卻得有冷源，二回路要冷卻一回路則：TSG

自然循環初期，操縱員應盡快切除二回路系統不必要的蒸汽負荷，以減少過冷效應，防止過冷導致自然循環喪失，堆芯余熱導出不暢。

利用自然循環進行冷卻要注意冷卻速率不能超過壓力容器上封頭的冷卻速率，防止上封頭汽化，導致自然循環中斷。