主冷却剂流量连续变化调节反应堆功率可行性研究

罗 诚，王少明，郝建立

(海军工程大学，武汉430033)

主冷却剂流量连续变化调节反应堆功率是指当船用核动力装置二回路负荷改变时，通过连续改变主冷却剂流量，调节反应堆功率。这种功率调节方式可以有效减少对控制棒的依赖，防止控制棒事故的发生，提高船用核动力装置运行的安全性。还可以有效降低主冷却剂泵的电磁噪声、机械噪声与空气动力噪声，具有良好的军事、经济效益。通过采用主冷却剂泵变频调速技术［1］可以实现冷却剂流量的连续变化，在国内外，变频调速技术已得到广泛应用，并且具有调速范围广，精度高，运行可靠等优点［2］。本文采用核动力装置模拟器程序，建立主泵连续调速模型，实现主冷却剂流量的连续变化。并分别对主冷却剂流量连续变化调节反应堆功率方案和控制棒调节反应堆功率方案下，核反应堆的热工水力瞬态过程进行对比研究，验证主冷却剂流量连续变化调节反应堆功率的可行性。

1 仿真软件与主泵模型

1.1 仿真软件

计算研究采用的软件工具是核动力装置模拟器程序，可以用来模拟仿真轻水堆发生假想瞬变过程各系统和设备的热工水力特性。

1.2 仿真系统

对一个核动力装置进行热工水力瞬态分析，需要将核动力装置划分为若干个控制体，对每个控制体求解质量守恒和能量守恒方程。软件采用模块化的建模思想，将核反应堆、稳压器、蒸汽发生器、主冷却剂泵等设备和流体网络划分为控制体和流线，用来描述冷却剂系统不同部位和空间的形状及物理状态。

控制体划分是将所要描述的系统在空间上进行离散化处理，控制体的划分方式依赖于实际装置的几何形状和计算分析的要求精度，划分数量在计算量和精度之间进行折中。

用来表示控制体之间连接关系的管线即为流线。流线上没有体积的概念，它将体积归并于连接的控制体中，因此对每条流线只需要求解动量守恒方程，进而求解流体的流速与流量。根据上述划分原则和一回路主冷却剂系统结构，同时考虑仿真的要求，将反应堆及主冷却剂系统划分为如图1所示的控制体［3］。

图1 主冷却剂系统节点划分

1.3 主泵模型

在主冷却剂泵建模时采用典型离心泵的计算模型。根据离心泵的理论研究，出口压差Δp和流量(转速)、扬程以及流体密度有关［4-5］。

式中:n1，n2——额定转速与实际转速;

ρ——流体密度;

H(y)——扬程。

根据泵的动力学方程［4］求解泵的转速方程，泵的动力学方程为

式中:Jp——泵的转动惯量;

Tri——泵的电磁转矩;

Thi——泵叶轮的水力转矩;

Tfi——泵轴承摩擦和风阻转矩。

通过差分变换可得到泵的转速模型:

通过设定频率f的变化方式就能得到不同的转速和流量变化规律。模型中任意设置主泵转速随时间的变化关系，图2给出了主冷却剂流量的变化曲线。由图2可知，主冷却剂流量与时间成正比关系，验证了主泵模型建立的准确性。

图2 冷却剂流量

2 仿真分析

为了验证主冷却剂流量连续变化调节反应堆功率的可行性。以某船用核动力装置一回路冷却剂系统为研究对象，选取反应堆二回路快速升负荷20%为例，分别对控制棒调节功率方案和冷却剂流量连续变化调节反应堆功率方案下，反应堆热工水力瞬态参数过程进行计算分析。

在功率变化过程中，控制棒棒位不变，主泵采用连续调速方案实现主冷却剂流量连续变化，蒸汽发生器水位与稳压器压力均采用自动控制。

对于控制棒调节功率方案，控制棒采用自动控制方式。

图2～6为反应堆功率主要热工参数的动态响应曲线。冷却剂流量、反应堆功率、蒸汽压力、稳压器压力表示为与额定工况下对应参数的比值，冷却剂温度表示为与额定工况下平均温度的比值。

由于主泵转速增加(见图2)，流经堆芯的冷却剂流量增加，引入正反应性，反应堆功率上升。由图3可知，反应堆功率能够很快跟踪上负荷变化，在150 s左右稳定跟随，负荷跟踪能力较好。与控制棒方案相比，在主冷却剂流量连续变化方案下，反应堆功率变化波动时间减小，变化平缓。

图3 反应堆核功率

当流经堆芯的冷却剂流量增加时(见图4)，反应堆冷却剂平均温度降低，由于温度的负反馈效应，引入正反应性，反应堆功率上升。稳压器压力在波动过程中最低点达到了0.93pc0(额定值)，即使与该压力对应的饱和温度相比，冷却剂出口温度也有46℃的欠饱和度，冷却剂有足够的裕量确保不会发生汽化［6］。

图4 冷却剂温度

受反应堆主冷却剂流量变化的影响，稳压器压力也发生了变化。如图5所示，稳压器压力最低点达到0.93pc0(额定值)，已经触发低压报警，但在压力控制系统的调解下，逐渐恢复到正常运行压力［6］。

二回路负荷的增加使得蒸汽发生器蒸汽需求量随之增加，此时反应堆蒸汽发生器压力减小。由图6可知，在主冷却剂流量连续变化方案下，蒸汽发生器压力波动范围和时间减小，提高了船用核动力装置的安全性。

图5 稳压器压力

图6 蒸汽发生器压力

3 结论

1)在低功率运行工况下，通过连续改变主冷却剂流量调节反应堆功率能够满足核反应堆的安全性和机动性的要求。

2)与控制棒方案相比，主冷却剂流量连续变化调节反应堆功率可提高核动力装置的安全性。

主冷却剂流量连续变化是一种理想的功率调节方案，对于改善船用核反应堆装置的安全性能和机动性能具有重要意义。但需要深入研究的问题还很多，如冷却剂流量连续变化调节反应堆功率控制方案的确定，船用变频器的研究等。

［1］张龙飞，张大发，王少明.主冷却剂泵变频调速方案可行性研究［J］.船海工程，2005(5):42-44.

［2］彭敏俊，滕 兵，张志华.船用压水堆核动力装置双恒定运行方案下的冷却剂流量调节方案［J］.哈尔滨工程大学学报，2000，21(4):5-8.

［3］王 元，王少明，于 雷.船舶核动力装置一回路小破口失水事故处置规程研究［J］.船海工程，2008，37(5):102-105.

［4］高璞珍.核动力装置用泵［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2004.

［5］熊光楞，彭 毅.先进仿真技术与仿真环境［M］.北京:国防工业出版社，1997.

［6］朱继洲.核反应堆安全分析［M］.西安:西安交通大学出版社，2007.