小型压水堆一回路平均温度不变方案下计算分析

钱项锋　荣磊

摘 要：该文针对小型压水堆的具体结构和自然循环工况的特点，选用RELAP5/MOD3.3程序，对小型压水堆在一回路平均温度不变运行方案下的自然循环工况特性进行了计算分析。计算结果表明：在一回路平均温度不变运行方案下，环路自然循环流量随堆芯流量的增加而增加，并且大致是堆芯功率的指数函数。当堆芯功率一定时，环路自然循环流量同二次侧特性密切相关，且随二次侧压力的增加而增加，一回路平均温度随二次侧压力的增加而增加。

关键词：自然循环 RELAP5 计算分析

中图分类号：TL351 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0013-03

自然循环现象一般是流体在下部被加热，在上部或顶部被冷却，依靠热段和冷段中流体密度差所产生的驱动压头来推动工质在闭合回路中流动。自然循环因其结构简单，换热能力强，非能动等特点，在核动力领域有着重要的应用前景，不仅可作为事故后导出堆芯余热的主要手段，还可以作为核动力装置主要的循环方式，以减少系统对外界电源的依赖，提高系统安全性[1]。尤其对于小型压水堆来说，由于在自然循环工况下冷却剂泵停运，减小了运行噪音，提高了隐蔽性，因此对其进行自然循环特性计算分析，具有重要意义。该文选用RELAP5/MOD3.3程序，在合理划分控制体的基础上，对小型压水堆一回路系统进行了仿真。并针对小型压水堆在一回路平均温度不变运行方案下的自然循环工况特性进行了计算分析。所得结果可为小型压水堆运行提供参考。

1 模型概述及控制体划分

1.1 热工水力分析模型概述

该文选用轻水反应堆（LWR）瞬态分析程序RELAP5作为建模工具，RELAP5是由美国爱达华国家工程实验室开发的一维非平衡两相流热工水力系统分析程序[2]，作为核动力装置最佳估算程序，可用来描述轻水堆发生假想瞬变过程中各系统设备的热工水力特性。RELAP5主要分为五大计算模块：水力学模型、辅助模型、反应堆动力学模型、控制系统、中断系统[2]。其中控制系统及中断系统主要是用来模拟实际反应堆操作控制系统的动作及对各种控制信号的处理，计算的核心部分主要由前三大模型来实现。RELAP5程序的水力学模型要求解含有6个基本因变量（如果出现非冷凝部件，则为7个）的6个基本方程。其中，因变量分别为压力、汽液相比内能、汽相空泡份额、汽液相速度、非冷凝含气量和硼浓度。自变量为时间、距离、非冷凝含气量定义为非冷凝气体质量与总的气相质量的比值。反应堆动力学模型采用的是点堆模型，并包含了计算裂变碎片衰变功率的方程。辅助模型则包括了换热模型，阻力模型，物性模型，热构件模型等模型，其中换热和阻力模型包含了各种条件下的换热和阻力关系式，物性模型包含了水的密度，焓值等各种物性公式，热构件模型则提供了计算水力控制体边界的热交换和管道或容器壁的热传导的关系式。

1.2 系统控制体划分

系统控制体划分如图1所示。对堆芯部分：系统一回路冷却剂由堆芯入口（220，420）流入，经过下降通道（101）流入堆芯下腔室（103），然后上升流过堆芯通道（108，110，116）带走裂变产热，最后和流经堆芯旁流通道（100，113，122，124）的冷却剂在堆芯上腔室附近（118）汇合，经堆芯出口（201，401）流出堆芯。电加热式稳压器划分为3个控制体积（600，601，602），蒸汽发生器划分为下封头（203，207，403，407），U型管束（205，405），4台主泵也各划为一个控制体积（214，215，414，415），连接各个部分的主管道划分为10个控制体积（209，212，213，216，217，409，412，413，416，417）。最后将蒸汽发生器二次侧边界划为时间相关控制体积，以控制二次侧压力。

对于RELAP5控制体积的节点划分一直存在争议，夏庚磊等[3]曾尝试探讨了节点数无关性的讨论。在某些情况下，可给出一定的节点数分析结果，但从文献[4]看，RELAP5的节点划分往往在保持一定的数量的情况下以与实验结果对比来判断合理性。就本研究来说，当堆芯热通道（108，110）和下降通道（101）的节点数分别取12和5，U型管束（205，405）的节点数取7，主管道（209，409）的节点数取2时，得到的核动力装置在额定自然循环工况下的各参数计算值与设计值之间误差均小于5%（见表1），证明了此时节点数划分的合理性，因此本研究的节点数划分采用上述的划分方式。

2 计算结果及分析

作为核动力装置的典型运行方案之一，核动力装置一回路平均温度不变运行方案要求一回路平均温度不变时，系统二次侧压力随堆芯功率的改变而改变[5]。因此，本研究首先计算确定一回路平均温度不变时，与不同堆芯功率相对应的二次侧压力值。由此确定二次侧边界条件，在已合理地划分控制体的基础上，利用RELAP5程序实现了对小型压水堆一回路平均温度不变运行方案下的自然循环工况的仿真。由图2和图3可看出，堆芯入口温度随功率的增大而降低，堆芯出口温度随功率的增大而增大，二次侧压力随功率的增大而减小，一回路平均温度基本保持不变，证明了仿真的合理性。

一回路平均温度不变运行方案下的自然循环流量与堆芯功率的关系见图4。如图4所示，一回路自然循环流量随堆芯功率的增加而增加，并且大致是堆芯功率的指数函数，与文献[6]所得结论一致。

当堆芯功率一定时，自然循环流量主要和二回路的运行特性有关。图5和图6分别给出了堆芯功率一定时，一回路平均温度与二次侧压力关系曲线和自然循环流量与二次侧压力关系曲线。由图5和图6所示，一回路平均温度随二次侧压力的增加而增加，自然循环流量随二次侧压力的增加而增加。

3 结语

对小型压水堆来说，自然循环作为一种冷却手段，不仅可以增强系统的安全性和可靠性，因为运行不依赖主泵，还可以减小系统运行噪音，提高了装置的隐身性。该文首先简单介绍了RELAP5程序的热工水力模型，并对所要研究的系统进行了合理的控制体划分。使用RELAP5程序对小型压水堆一回路平均温度不变运行方案下的额定自然循环工况进行了仿真，仿真结果同设计值之间误差小于5%。在此基础之上对小型压水堆一回路平均温度不变运行方案下的自然循环工况特性进行计算分析。计算结果表明：在一回路平均温度不变运行方案下，环路自然循环流量随堆芯流量的增加而增加，并且大致是堆芯功率的指数函数。当堆芯功率一定时，环路自然循环流量同二次侧压力特性密切相关，且随二次侧压力的增加而增加，一回路平均温度随二次侧压力的增加而增加。所得结果可以为小型压水堆运行提供重要支持。

参考文献

[1] 邢立淼，郭赟，曾和义.基于RELAP5的单通道自然循环流动不稳定性分析[J].原子能科学技术，2010，44（8）：958-963.

[2] The RELAP5 Code Development Team.RELAP5/MOD3 Code Manual[M].USA：Idaho National Engineering Laboratory，1995.

[3] 夏庚磊，郭赟，彭敏俊.基于RELAP5的两管平行通道流动不稳定性研究[J].原子能科学技术，2010，44（6）：694-700.

[4] 郭赟.自然循环系统和并联通道及其在海洋条件下的不稳定性研究[D].西安：西安交通大学，2007.

[5] 孙中宁.核动力设备[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.

[6] 杨祖毛.闭合回路单相自然循环稳态特性研究[J].核动力工程，1999（20）：248-253.