基于RELAP5-HD的中国铅基研究实验堆模拟机热工水力模型开发与分析

张光雨，宋 勇，徐 鹏，汪建业，柏云清

（1.中国科学院 核能安全技术研究所，中国科学院 中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230027）

铅基反应堆是四代堆的主选堆型之一，因其具有中子经济性好、嬗变效率高、功率密度大、低压运行、具备固有安全特性等优势，可广泛应用于核燃料增殖、核废料嬗变、高效发电等领域。2011年，中国科学院启动了战略性先导科技专项“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”（ADS专项），针对核裂变能可持续发展中核废料安全处置这一世界性难题，致力于自主发展ADS系统从实验装置到示范装置的全部核心技术和系统集成技术，为保障国家能源供给和核裂变能长期可持续发展做出贡献。中国科学院ADS 专项选择了中国铅基反应堆CLEAR（China LEAd-based Reactor）作为ADS反应堆的主要发展方向［1］。

中国科学院核能安全技术研究所／FDS团队作为ADS专项的牵头单位之一，负责中国铅基研究实验堆CLEAR-Ⅰ（China LEAd-based Research Reactor）的设计与研制工作。目前FDS团队在铅基反应堆物理［2-3］、结构材料［4-6］、液态金属工艺［7-8］、ADS耦合技术等方面［9-11］开展了深入研究。中国铅基反应堆模拟机作为关键设备之一，主要用于反应堆运行全物理过程仿真、仪控系统的设计与验证、安全分析、事故模拟及反应堆工程方案校核等领域。为实现对中国铅基研究实验堆的系统仿真，本文基于中国铅基反应堆模拟机实验平台，利用国际通用的RELAP5-HD 软件，建立中国铅基研究实验堆的热工水力模型，并对模型进行仿真验证。

1 CLEAR-Ⅰ简介

CLEAR-Ⅰ作为ADS 研究装置的重要组成部分，除为ADS集成验证提供平台，还可同时兼顾铅冷快堆技术发展和快中子基础科学研究。根据ADS系统实现的技术途径，前期进行低功率次临界堆的实验研究，后期逐步提高次临界度并开展临界实验，设计过程中重点贯彻同一个装置上实现临界和加速器驱动次临界双模式运行的理念，本文的工作针对其临界运行模式开展。CLEAR-Ⅰ采用液态铅铋作为冷却剂，设计功率为10 MW，一回路采用池式机械泵强迫驱动循环冷却方式，包括两台主泵及4个直流式换热器，二回路采用强迫驱动的加压液态水，包含两个环路，每个环路连接两个换热器，最终热阱采用空冷器。CLEAR-Ⅰ本体结构如图1所示，一回路主要设计参数列于表1。

图1 CLEAR-Ⅰ本体结构Fig.1 3Dview of CLEAR-Ⅰ

表1 CLEAR-Ⅰ一回路主要设计参数Table 1 Main parameters in primary loop of CLEAR-Ⅰ

2 RELAP5-HD模型概述

RELAP5程序是由美国爱达华国家实验室（INL）开发的模拟轻水反应堆瞬态事故的热工水力学程序，它是一维瞬态、两相流体、6 个流体力学方程和一维热传导及点堆动力学模型，广泛应用于核电站的事故安全分析、事故评价、实验分析等领域［12］。RELAP5-HD 是在RELAP5的基础上发展起来的一个新版本，其最大的特点在于它高度整合RELAP5的功能及三维热工水力和中子动力学建模能力，能对反应堆实现较精确的三维建模，且能满足模拟机的实时仿真需求，可作为反应堆模拟机的热工水力学系统仿真程序［13］。

本文针对CLEAR-Ⅰ池式反应堆一回路（主回路）系统开发3个RELAP5-HD 热工水力模型，包括一维容器-一维堆芯模型、一维容器-三维堆芯模型、三维容器-三维堆芯模型，最后将一回路模型与二、三回路模型耦合［14］，建立能模拟整个反应堆系统的热工水力仿真模型。

2.1 一维容器-一维堆芯模型（模型1）

一维容器-一维堆芯模型的所有一回路部件采用一维模拟，二、三回路根据分析的需要采用边界或二、三回路模型模拟，其节点划分如图2所示。

图2 一维容器-一维堆芯模型的节点划分Fig.2 Nodalization of one dimensional vessel-one dimensional core model

2.2 一维容器-三维堆芯模型（模型2）

一维容器-三维堆芯模型与一维容器-一维堆芯模型的不同之处在于其堆芯热工水力模型采用三维模拟，其模拟的精度及准确度与一维模型相比大幅提高。堆芯组件布置和RELAP5径向节点划分［15］如图3和4所示。

2.3 三维容器-三维堆芯模型（模型3）

该模型将整个一回路系统建成了三维，包括堆芯及压力容器均采用三维模拟，与上述模型相比，该模型能较精确地模拟整个一回路系统的热工水力学现象，其节点划分［16-17］如图5所示，其堆芯模型与上述三维堆芯模型相同。

2.4 反应堆系统模型

反应堆系统模型是将一回路模型与二、三回路模型耦合在一起，能模拟反应堆稳态及瞬态响应的模型，其节点划分如图6所示。

3 模型验证及结果的对比分析

模型建立后需对其进行验证，分析建模时对一些部件的描述和简化是否合理，模型能否真实反映反应堆在运行工况下的特性，是否可用于进一步的模拟机仿真。因而为尽可能全面地验证模型的正确性和合理性，对模型进行了稳态和瞬态验证分析。模型的稳态验证分析采用定量分析的方法，将模型在稳态工况下进行仿真后所得结果与设计值进行定量对比分析。模型的瞬态验证采用定性分析，对系统主要参数进行动态响应测试，然后根据基本的物理原理和已有的经验知识，来确定动态特性曲线变化趋势的合理性和正确性［18］。

图3 堆芯组件布置Fig.3 Core assembly arrangement

图4 三维堆芯模型径向节点划分Fig.4 Radial nodalization of core model

3.1 稳态情况下模型的验证

针对反应堆在满功率稳态运行工况，利用本文建立的模型进行仿真计算，得到各模型的仿真计算结果，将该结果与CLEAR-Ⅰ的设计值作比较分析，结果列于表2。

图5 三维容器-三维堆芯模型节点划分Fig.5 Nodalization of three dimensional vessel-three dimensional core model

从表2可看出，模型的稳态计算值和设计基准值差别很小，基本吻合，说明模型较准确，可用于模拟机进一步的仿真控制研究。

3.2 瞬态情况下模型的验证

瞬态情况下对模型的验证是对瞬态工况进行系统仿真，得到系统的主要参数的动态响应曲线，然后通过定性分析的方法来确定变量瞬态特性曲线变化的正确性和合理性。在进行控制系统的设计时，系统动态响应特性对系统的被控量以及操作变量选取有决定作用。针对反应堆系统动态特性验证进行了3 个输入变量（反应性、一回路冷却剂流量、二回路冷却剂入口温度）阶跃响应计算，得到反应堆在满功率工况下的动态仿真计算结果。主要关心的输出变量为反应性、反应堆功率、堆芯进出口温度、换热器进出口温度等。

图6 反应堆系统模型节点划分Fig.6 Nodalization of reactor system model

表2 CLEAR-Ⅰ稳态主要计算结果与设计值的比较Table 2 Comparison of main steady-state simulation results and design value of CLEAR-Ⅰ

1）反应性阶跃引入

在满功率水平下，反应堆所有系统变量处于稳态，在第2 000s时，其他输入变量不变，引入阶跃反应性10pcm，查看模型的动态响应。各模型的动态响应如图7所示。

反应堆开始处于稳态，反应性为零，功率为额定功率，堆芯出口温度及换热器二次侧出口温度均处于稳定的设计基准值，突然引入阶跃反应性后，由于中子动力学的作用，瞬发中子迅速增加，使得反应堆的功率迅速升高，堆芯温度随之升高，引起堆芯出口冷却剂温度上升，二回路换热器出口温度也随之上升。但由于反应堆具有负的温度反馈效应，随堆芯温度的升高，在温度负反馈的作用下，反应性逐渐减小，最后经振幅缓慢减小的振荡后趋于零，而堆芯的功率在升高到极大值后开始下降，最后稳定在一个较原来额定功率大的稳态值，堆芯冷却剂的出口温度及二回路换热器出口温度也在迅速升高后稳定在恒定值，较原来的稳态值略高［19］。

图7 反应性阶跃变化下各模型的动态响应Fig.7 Model dynamic response while reactivity step change

3个模型的反应性阶跃瞬态响应变化曲线基本一致，但由于三维堆芯模型与一维堆芯模型相比，前者堆芯节点划分得非常精细，且各节点的参数由三维的方程求得，较一维方程更加精确，故其能更加准确地描述堆芯的变化，在阶跃反应性引入时，其温度负反馈效应更好，从而导致堆芯总的反应性更快趋于零，堆芯的功率升高幅度较一维模型的稍小，堆芯出口温度及二回路换热器出口温度相较一维模型略低。

2）一回路冷却剂流量阶跃变化

在满功率水平下，反应堆所有系统变量处于稳态，在第2 000s时，其他输入变量不变，一回路流量阶跃增加20kg／s，查看模型的动态响应。各模型的动态响应如图8所示。

图8 一回路冷却剂流量阶跃变化下各模型的动态响应Fig.8 Model dynamic response while step change of coolant flow rate of main loop

在第2 000s时，堆芯冷却剂流量突然增加，冷却能力增大，使得堆芯温度开始下降，但由于堆芯的负反应性温度效应，反应性开始升高，堆芯功率上升，使得堆芯产生更多的热量，但由于冷却剂的冷却能力大于堆芯释热率的增加，所以堆芯温度继续下降，反应性继续增加，当堆芯释热率大于冷却剂的冷却能力时，堆芯温度开始上升，使得反应性减小，功率开始下降，堆芯温度上升速度变慢。反应堆的功率和堆芯的温度自稳调节是一个衰减振荡的过程，最后反应堆功率稳定在较原来值略大的1个新值，堆芯出口温度达到较原来值略小的1个新值［20］。

3）二回路冷却剂入口温度阶跃变化

在满功率水平下，反应堆所有系统变量处于稳态，在第2 000s时，其他输入变量不变，二回路换热器冷却剂入口温度阶跃升高5K，查看模型的动态响应。各模型的动态响应如图9所示。

在第2 000s时，换热器二次侧冷却剂入口温度突然升高，导致换热器一次侧冷却剂出口温度升高，流经堆芯冷却剂温度升高，堆芯冷却能力下降，引起堆芯温度升高，由于温度负反馈效应，堆芯引入负的反应性，且其值逐渐减小，堆芯功率下降。此时，由于堆芯功率下降引起的释热率的降低不足以抵消冷却剂温度升高带来的温度效应，堆芯温度继续上升，反应性继续减小，当堆芯功率下降引起的释热率的降低大于冷却剂温度升高带来的温度效应时，反应性开始增大，并逐渐趋近于零，堆芯功率开始趋于稳定，堆芯出口温度稳定在较原来值略大的1个新值。

图9 二回路冷却剂入口温度阶跃变化下各模型的动态响应Fig.9 Model dynamic response while step change of coolant inlet temperature of secondary loop

4 结论与展望

本文以RELAP5-HD热工水力学瞬态分析程序作为工具，建立了CLEAR-Ⅰ模拟机的热工水力系统仿真模型，且在模型的基础上对其进行了稳态分析，模型的稳态计算结果与设计值基本一致，表明了所建模型的准确性，同时对模型的动态特性进行了阶跃响应分析，瞬态结果与物理原理及已有的经验知识一致，进一步表明本文所建模型的正确性，说明该模型能为模拟机仿真研究所用。同时本文建立的热工水力学系统模型为CLEAR-Ⅰ系统仿真提供了一定的参考依据，是CLEAR-Ⅰ控制特性研究和控制方案设计与优化的基础。本文也对基于RELAP5-HD软件的三维热工水力学建模做了分析，初步论证其三维建模的能力，为下一步针对一回路系统的三维热工水力学分析奠定了基础。

感谢FDS团队其他成员对本课题的支持。

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