船用堆包殼破損狀態(tài)下運(yùn)行安全研究*

王 偉 陳玉清 傅晟威 于 亮

（1.海軍工程大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 武漢 430033）（2.92730部隊(duì) 三亞 572000）

1 引言

燃料元件包殼出廠時(shí)難免存在制造工藝上的缺陷，且長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高放射性、熱應(yīng)力等諸多惡劣條件下［1］，隨著服役時(shí)間的增加，材料的老化、磨損更是不斷加劇。區(qū)別于電站堆，船用堆工況變換頻繁，且受海洋條件的影響［2～3］，水力擾動(dòng)和熱應(yīng)力變化更加頻繁和劇烈，大大增加了燃料包殼破損的風(fēng)險(xiǎn)［4～5］。燃料元件破損發(fā)生后，只要回路放射性達(dá)到安全運(yùn)行的要求，就存在破損狀態(tài)下繼續(xù)功率運(yùn)行的可能性［6～8］。國(guó)內(nèi)對(duì)于燃料元件包殼破損的研究主要關(guān)注于核電廠燃料元件破損率的檢測(cè)［9～10］，對(duì)燃料包殼破損狀態(tài)下的運(yùn)行安全問(wèn)題研究較少。本文利用熱工水力分析程序RELAP5/MOD3.2建立了破損燃料元件的仿真計(jì)算模型，進(jìn)而對(duì)包殼破損狀態(tài)下的運(yùn)行安全問(wèn)題進(jìn)行研究。研究結(jié)果有利于操縱人員準(zhǔn)確的掌握和判斷包殼破損狀態(tài)下反應(yīng)堆的運(yùn)行狀態(tài)，確保反應(yīng)堆在運(yùn)行限值內(nèi)安全運(yùn)行。

2 燃料棒破損分析建模

2.1 堆芯控制體模型

文章研究包殼破損狀態(tài)下的運(yùn)行安全問(wèn)題，研究的前提為破損元件氣隙較長(zhǎng)時(shí)間直接與冷卻劑攪渾，可以認(rèn)為氣隙中的不可凝結(jié)氣體（氦氣和氣態(tài)裂變產(chǎn)物）已經(jīng)完全釋放到冷卻劑中，氣隙被蒸汽（功率運(yùn)行時(shí)）或水（停堆時(shí)）填充，且在破口處達(dá)到流量動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)破損元件的傳熱情況與剛發(fā)生破損時(shí)差異較大。圖1（a）為燃料元件包殼破損模擬RELAP5堆芯控制體模型，圖1（b）為破損燃料元件單通道模型（b）。圖中200、203代表堆的進(jìn)出口，冷卻劑經(jīng)201接管以恒定流量流入堆芯，143為單根燃料棒的平均冷卻劑通道，144為破損燃料元件的氣隙空間，與它相鄰的燃料芯塊和包殼分別用兩組熱構(gòu)件表示。用1個(gè)閥門(mén)連接氣隙和冷卻劑，來(lái)模擬包殼表面出現(xiàn)的破口。

圖1 破損燃料元件分析RELAP5模型

2.2 堆芯功率分布

在模擬燃料元件破損時(shí)，堆芯燃料元件熱量分布是堆芯安全特性分析的重要輸入?yún)?shù)，反應(yīng)堆在相同的運(yùn)行歷史條件下，同一破損位置的徑向功率分布相同，對(duì)安全影響的差異性主要由軸向功分布決定。燃料元件的軸向功率功率分布按照壽期初、中、末堆芯功率分布情況計(jì)算，圖2為堆芯不同壽期軸向功率因子分布曲線。

圖2 堆芯不同壽期軸向功率因子分布

2.3 破損燃料棒氣隙傳熱模型

選取的運(yùn)行工況分別為滿功率工況、90%額定工況、40%額定工況、30%額定工況。針對(duì)選取的四種工況分別計(jì)算熱管或平均管包殼發(fā)生破損的情況下，包殼氣隙內(nèi)氣、液兩相分布情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，反應(yīng)堆在40%額定工況以上運(yùn)行時(shí)，破損包殼氣隙內(nèi)充滿了水蒸汽；30%額定工況運(yùn)行時(shí)，在堆芯歸一化高度0.06以下的位置，充滿了液態(tài)水，堆芯歸一化高度0.06以上的位置充滿了水蒸汽。

表1 不同工況下燃料包殼破損后氣隙內(nèi)氣、液兩相分布情況（額定運(yùn)行壓力）

結(jié)合表1的計(jì)算結(jié)果，對(duì)破損燃料棒氣隙傳熱進(jìn)行建模，為了確保建立的模型在燃料包殼破損狀態(tài)下運(yùn)行安全分析的保守性，建?；谝韵氯c(diǎn)假設(shè)。

1）流體對(duì)流換熱系數(shù)大于導(dǎo)熱系數(shù)，不考慮氣隙內(nèi)水蒸汽的軸向?qū)α鲹Q熱作用，僅考慮氣隙導(dǎo)熱［11～12］；

2）保守考慮，選取一回路正常運(yùn)行下限壓力下氣隙內(nèi)水蒸氣可能出現(xiàn)的最小熱導(dǎo)率70.5105×10-3w/（m.s）作為包殼破損后的氣隙熱導(dǎo)率；

3）不考慮過(guò)熱蒸汽條件下芯塊表面與包殼內(nèi)表面的輻射換熱作用；

4）不考慮包殼破損位置冷卻劑攪動(dòng)帶來(lái)的元件徑向?qū)釓?qiáng)化。

3 包殼破損運(yùn)行安全分析

在進(jìn)行包殼破損狀態(tài)下運(yùn)行安全分析時(shí)，運(yùn)行安全的判別標(biāo)準(zhǔn)為燃料芯塊中心溫度不超過(guò)其熔點(diǎn)。安全限值按運(yùn)行壽期的不同選取如下：壽期初時(shí)確定溫度限值為2800℃，壽期末時(shí)確定燃料芯塊中心溫度限值為2590℃；壽期中燃料芯塊中心溫度限值取壽期初和壽期末的均值2695℃。分別研究了不同運(yùn)行壽期、不同運(yùn)行功率及不同包殼破損位置對(duì)運(yùn)行安全的影響。

3.1 運(yùn)行壽期對(duì)運(yùn)行安全的影響研究

假設(shè)反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行，傳熱管破損位置為反應(yīng)堆內(nèi)燃料包殼的熱管，分別對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行壽期初、壽期中及壽期末三種運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算分析，從而研究包殼破損狀態(tài)下反應(yīng)堆的運(yùn)行壽期對(duì)運(yùn)行安全的影響。

結(jié)合表2和圖3可見(jiàn)，燃料包殼在破損狀態(tài)下的運(yùn)行安全受到運(yùn)行壽期的影響，滿功率運(yùn)行條件下熱管破損時(shí)，壽期初燃料芯塊中心溫度最大值突破了燃料芯塊熔點(diǎn)2800℃的溫度限值，燃料元件將發(fā)生燒毀；運(yùn)行達(dá)到壽期中時(shí)，燃料芯塊中心溫度最大值為2655.4℃，比運(yùn)行限值2695℃低39.6℃，壽期末時(shí)，燃料芯塊中心溫度最大值為2428.2℃，比運(yùn)行限值2590℃低161.8℃。

表2 滿功率熱管破損燃料元件溫度場(chǎng)

圖3 滿功率不同壽期熱管破損燃料元件溫度場(chǎng)

可見(jiàn)，即使在滿功率條件下，熱管發(fā)生破損，反應(yīng)堆運(yùn)行到中后期時(shí)，仍能保證運(yùn)行安全，運(yùn)行壽期越長(zhǎng)，安全裕度越大；壽期中，熱管燃料芯塊中心溫度最大值比運(yùn)行限值低39.6℃，到壽期末，熱管燃料芯塊中心溫度最大值比運(yùn)行限值低161.8℃；而壽期初，熱管破損將會(huì)突破運(yùn)行限值，威脅到反應(yīng)堆的運(yùn)行安全。

3.2 運(yùn)行功率對(duì)運(yùn)行安全的影響研究

假設(shè)反應(yīng)堆運(yùn)行在壽期初階段，傳熱管破損位置為反應(yīng)堆內(nèi)燃料包殼的熱管，分別對(duì)滿功率、90%額定工況、40%額定工況、30%額定工況四種運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算分析，從而研究包殼破損狀態(tài)下反應(yīng)堆的運(yùn)行功率對(duì)運(yùn)行安全的影響。

結(jié)合表3和圖4可見(jiàn)，燃料包殼在破損狀態(tài)下的運(yùn)行安全受到運(yùn)行功率的影響，滿功率運(yùn)行條件下熱管破損時(shí)，壽期初燃料芯塊中心溫度最大值突破了燃料芯塊熔點(diǎn)2800℃的溫度限值，燃料元件將發(fā)生燒毀；90%額定功率運(yùn)行條件下熱管破損時(shí)，燃料芯塊中心溫度最大值為2682.6℃，比運(yùn)行限值低117.4℃；40%額定功率運(yùn)行條件下熱管破損時(shí)，燃料芯塊中心溫度最大值為1617.2℃，比運(yùn)行限值低1182.8℃；30%額定功率運(yùn)行條件下熱管破損時(shí)，燃料芯塊中心溫度最大值為1216.5℃，比運(yùn)行限值低1583.5℃。

表3 不同功率壽期初熱管破損燃料元件溫度場(chǎng)

圖4 不同功率壽期初熱管破損燃料元件溫度場(chǎng)

可見(jiàn)，反應(yīng)堆熱管破損并處在壽期初時(shí)，滿功率運(yùn)行，將會(huì)突破運(yùn)行限值，威脅到反應(yīng)堆運(yùn)行安全；若反應(yīng)堆運(yùn)行在90%額定功率以下，反應(yīng)堆運(yùn)行安全能夠得到保證，運(yùn)行功率越低，安全裕度越大。

3.3 破損位置對(duì)運(yùn)行安全的影響研究

1）熱管和平均管破損分析

假設(shè)反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行，分別對(duì)燃料包殼熱管破損和平均管破損進(jìn)行計(jì)算分析，從而研究燃料包殼破損位置對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行安全的影響。

結(jié)合表4和圖5可見(jiàn)，燃料包殼在破損狀態(tài)下的運(yùn)行安全受到燃料元件在堆芯內(nèi)破損位置的影響，滿功率運(yùn)行條件下破損位置位于熱管時(shí)，壽期初燃料芯塊中心溫度最大值突破了燃料芯塊熔點(diǎn)2800℃的溫度限值，燃料元件將發(fā)生燒毀；滿功率運(yùn)行條件下破損位置位于平均管時(shí)，壽期初燃料芯塊中心溫度最大值為1852.2℃，比運(yùn)行限值低947.8℃。

圖5 壽期初熱管、平均管破損燃料元件溫度場(chǎng)

可見(jiàn)，反應(yīng)堆壽期初滿功率運(yùn)行條件下破損位置位于熱管時(shí)，燃料芯塊中心溫度將會(huì)突破運(yùn)行限值，威脅到反應(yīng)堆的運(yùn)行安全；若破損位置位于平均管時(shí)，燃料芯塊中心溫度比運(yùn)行限值低947.8℃，反應(yīng)堆的運(yùn)行安全能夠得到保證。不難推測(cè)，破損燃料元件在堆芯內(nèi)的位置直接影響到反應(yīng)堆的運(yùn)行安全，需要針對(duì)堆芯進(jìn)行更加精細(xì)的區(qū)域劃分，深入研究燃料元件在堆芯內(nèi)不同位置發(fā)生破損后對(duì)運(yùn)行安全的影響。

2）堆芯內(nèi)不同位置燃料元件破損分析

按照堆芯徑向相對(duì)功率分布由大至小的順序依次將堆芯精細(xì)化分為八個(gè)區(qū)，分別為A、B、C、D、E、F、G、H八個(gè)區(qū)域，選擇A區(qū)和B區(qū)兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行研究，A區(qū)為熱組件、B區(qū)為次熱組件。

結(jié)合表5、圖6和圖7可見(jiàn)，壽期初滿功率運(yùn)行條件下破損位置位于A區(qū)（熱組件）時(shí)，熱組件內(nèi)的熱管破損，燃料芯塊中心溫度最大值突破了燃料芯塊熔點(diǎn)2800℃的溫度限值，燃料元件將發(fā)生燒毀；熱組件內(nèi)的平均管破損，燃料芯塊中心溫度最大值為2777.0℃，比運(yùn)行限值低23℃。

圖6 A區(qū)包殼破損燃料元件溫度場(chǎng)

圖7 B區(qū)包殼破損燃料元件溫度場(chǎng)

表5 滿功率運(yùn)行A區(qū)和B區(qū)包殼破損燃料元件溫度場(chǎng)

壽期初滿功率運(yùn)行條件下破損位置位于B區(qū)（次熱組件）時(shí)，次熱組件內(nèi)的熱管和平均管破損，燃料芯塊中心溫度最大值分別為2522.5℃和2378.8℃，分別比運(yùn)行限值低277.5℃和421.2℃。

可見(jiàn)：1）反應(yīng)堆在燃料包殼破損狀態(tài)下壽期初滿功率運(yùn)行，破損位置位于A區(qū)（熱組件）的熱管，燃料芯塊中心溫度將會(huì)突破運(yùn)行限值，嚴(yán)重威脅反應(yīng)堆運(yùn)行安全。若破損位置位于A區(qū)（熱組件）平均管，運(yùn)行安全裕度僅剩下23℃，緊急狀態(tài)突破滿功率運(yùn)行狀態(tài)將受到限制；2）破損位置位于B區(qū)（次熱組件），即使破損發(fā)生在該區(qū)的熱管，燃料芯塊中心溫度最大值仍比運(yùn)行限值低277.5℃，運(yùn)行安全能夠得到保證；3）若堆芯其他區(qū)域包殼破損，反應(yīng)堆運(yùn)行安全能夠得到保證。

4 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)正常運(yùn)行工況下的包殼破損運(yùn)行安全進(jìn)行了研究，分別計(jì)算分析了運(yùn)行壽期、運(yùn)行功率及包殼破損位置對(duì)運(yùn)行安全的影響，得出如下重要結(jié)論：

1）反應(yīng)堆運(yùn)行在滿功率及其以下運(yùn)行工況時(shí)，包殼破損位置只要不是發(fā)生在熱組件的熱管位置，反應(yīng)堆的運(yùn)行安全均能夠得到保證。即使在滿功率條件下，熱管發(fā)生破損，反應(yīng)堆運(yùn)行到中后期時(shí)，仍能保證運(yùn)行安全，運(yùn)行壽期越長(zhǎng)，安全裕度越大；壽期中，熱管燃料芯塊中心溫度最大值比運(yùn)行限值低39.6℃，到壽期末，熱管燃料芯塊中心溫度最大值比運(yùn)行限值低161.8℃；而壽期初，熱管破損將會(huì)突破運(yùn)行限值，威脅到反應(yīng)堆的運(yùn)行安全。

2）在滿功率條件下，若破損位置位于熱組件的平均管時(shí)，雖然能夠保證運(yùn)行安全，但是運(yùn)行安全裕度僅剩下23℃，緊急狀態(tài)突破滿功率運(yùn)行狀態(tài)將受到限制。

3）反應(yīng)堆運(yùn)行在90%額定功率及其以下運(yùn)行工況，反應(yīng)堆的運(yùn)行安全均能夠得到保證，運(yùn)行功率越低，安全裕度越大；以90%額定功率運(yùn)行時(shí)，燃料芯塊中心溫度最大值比運(yùn)行限值低117.4℃；以30%額定功率運(yùn)行時(shí)，燃料芯塊中心溫度最大值比運(yùn)行限值低1583.5℃。

4）反應(yīng)堆正常工況下的運(yùn)行功率限值可以根據(jù)包殼的具體破損位置做出選擇。具體破損位置尚未確定時(shí)，建議壽期初不要超過(guò)90%額定功率，運(yùn)行接近中后期時(shí)，在緊急狀態(tài)下，可以突破90%額定功率的運(yùn)行工況限制，最高可以在滿功率條件下運(yùn)行。