地下核电站非能动安全壳冷却系统运行特性研究

李峰　卢川　刘定明　周玲岚

【摘 要】非能动安全壳冷却系统依靠上升段和下降段密度差驱动形成的自然循环流动排出安全壳内热量，此类非能动系统不需要外部电源、泵等能动设备，简化了系统，依靠自然作用，不需要控制。在地下核电站中，非能动安全壳冷却系统换热器与换热水箱之间的水位差高达180米，可形成很大自然循环驱动头，利于自然循环流动和换热。利用RELAP5模拟表明，随着换热器进口温度上升，上升段出口处出现闪蒸，引起两相自然循环流动振荡和流动漂移现象，这会降低系统排热能力，并对设备造成不利影响。

【关键词】地下核电；两相自然循环；流动不稳定；流量漂移

国产化第三代核电机组拟用于地下核电站建设。相比于建立在地上，将反应堆设置在山中或地面以下具有特殊的优势：可提高假想严重事故后公众安全和环境保护；可提高外部事件（地震等）的防护能力；可增强公众对于核电厂的接受程度。国产化第三代核电机组设计有非能动安全壳冷却系统，该系统设计采用非能动设计理念，用于在超设计基准事故工况和严重事故下将安全壳压力和温度降低至可接受的水平，保持安全壳的完整性，同时也用于实现安全壳的长期排热。

地下核电非能动安全壳冷却系统采用自然循环方式实现对安全壳热量的导出。换热水箱内存水延下降管流进换热器，吸收安全壳内热量后升温，由于下降段流体温度低，密度大，上升管流体温度高，密度低，形成了流经换热水箱-下降管-换热器-上升管-换热水箱的自然循环回路。换热水箱与换热器的高度差及密度差决定了自然循环驱动头。一般地，高度差越大，驱动头越高，自然循环流量越大。地下核电中，换热器和顶部换热水箱高度差达到180m，可形成较大的自然循环驱动头。

与此系统类似，在日本全自然沸水堆设计中，一回路采用自然循环流动导热，为提高自然循环流量，在堆芯出口增加了一个烟囱结构。但是，研究人员通过SIRIUS[1]装置试验发现在反应堆启动过程中，堆芯出口水延烟囱向上流动，由于当地压力逐渐下降，最终低于对应的饱和压力，引起闪蒸。闪蒸现象会造成流动振荡，影响自然循环换热，并对设备造成冲击。

本文针对地下核电站非能动安全壳系统的运行特性进行研究，研究该系统是否会出现闪蒸现象，以及闪蒸现象对自然循环流动的影响。

1 地下核电站非能动安全壳冷却系统

该系统设计采用非能动设计理念，利用内置于安全壳内的换热器组与安全壳的高温空气对流换热和辐射传热，通过换热器管内水的流动，连续不断地将安全壳内的热量带到安全壳外，在安全壳外设置换热水箱，引走从换热器组导出的安全壳内热量，利用水的温度差导致的密度差实现非能动安全壳热量排出。

2 分析评价

2.1 RELAP5模型（图1）

分析程序采用一维两流体最佳估算分析程序RELAP5/MOD3[2]。RELAP5求解非平衡态、非均相两流体六方程，具备相关热工水力模型模拟换热器一次侧含不可凝气体的水蒸汽凝结换热、换热器管内热传导、换热器二次侧对流换热、汽液间质量和能量传递，能够计算单相水、单相汽和两相流体摩擦压力损失和局部压力损失。另外，Kozmenkov等人[3]利用CIRCUS试验数据也验证了RELAP5程序模拟闪蒸引起的自然循环不稳定性现象的能力。

建立的RELAP5程序模型控制体长度均大于水力直径，courant数相似，同时对于时间步进采用了半隐式方法进行，上述手段有助于提高数值计算的稳定性和收敛性。

2.2 换热水箱温度影响分析

本文选取事故后典型的安全壳状态作为一次侧边界条件，压力为0.48MPa，温度为150℃，相对湿度为1.0。

安全壳冷却系统投入后，利用自然循环作用持续地将安全壳内热量传递到最终热阱-换热水箱，这会造成换热水箱温度持续上升。由于换热器与换热水箱高度差为180m，换热器出口静压约为1.86MPa，安全壳内温度总是低于换热器出口对应的饱和温度（约208℃），因此换热器出口保持为单相水状态。但是换热器出口较高温度的水沿上升管向上流动时，当地静压逐渐下降，最终可能达到对应的饱和压力。

分析结果显示，换热水箱温度上升到90℃后，开始出现闪蒸现象，造成自然循环流量和换热功率的周期性振荡。换热水箱温度上升到95℃后，闪蒸现象更显著，发生流量漂移，流量及换热功率较稳定，但数值小于单相结果。

图 2、图 3、图 4分别给出了换热器出口温度、自然循环流量及换热功率随换热水箱温度的变化曲线。本文中，将发生闪蒸前区域称为单相液自然循环流动区，发生闪蒸后自然循环流动振荡区称为两相振荡区，发生流量漂移后称为两相稳定区。

（1）单相液自然循环流动区

换热水箱温度在10℃-89℃范围内取13个数据点。随换热水箱温度上升，换热器一、二次侧温度差下降，换热功率下降（图 5）。

（2）两相振荡自然循环流动区

当换热水箱温度升高到90℃时，换热器出口温度为104.2℃。该温度水沿上升管向上流动，当到达上升管出口位置时，该温度已达到当地压力对应的饱和温度，流体闪蒸，液体显热转化为汽体潜热，形成汽水两相状态（图 6）。与单相水相比，两相流动阻力增加，抑制自然循环流动，同时这会导致换热器出口温度上升（图7）。另一方面，随着气泡产生，上升管内流体密度下降，下降管和上升管内流体密度差形成的自然循环驱动头也在增加。自然循环驱动头增加幅度大于阻力增加幅度，自然循环流量又上升，并将上升管内蒸汽完全排出。

随后，流动受抑制时造成的高温水流到上升段顶部，重新出现闪蒸现象，进入下一个振荡周期。流动振荡周期约为液体流过上升管的时间。

随着换热水箱温度进一步升高，上升段出口含汽量越大，低流速区与高流速区占比更大，振荡周期时间也更长（图8）。

3）两相稳定自然循环流动区

当换热水箱温度上升到95℃后，闪蒸产生气泡量更多，自然循环驱动头增加，但流动阻力增加更多，造成自然循环流量下降。

自然循环流量下降后，换热器出口温度继续上升，闪蒸现象更显著，进一步地抑制自然循环流动。最终，自然循环达到较为稳定的两相运行状态。此时，上升段顶部持续闪蒸，保持两相状态，流量和换热功率均较低。流量和功率参见图 2和图 3两相稳定区数据。

3 结论

本文研究了进口温度对地下核电站非能动安全壳冷却系统运行的影响。研究发现，随着高位水箱温度上升，该自然循环回路上升管内会出现闪蒸现象，造成两相自然循环流动发生周期性振荡或发生流量漂移。流动振荡会对系统管路等结构造成持续冲击，降低系统运行的可靠性，而流量漂移则会大幅降低系统排热功率。

【参考文献】

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[3]Kozmenkov， etc. Validation of RELAP5 code for the modeling of flashing-induced instabilities under natural-circulation conditions using experimental data from the CIRCUS test facility[J]. Nuclear Engineering and Design， 2012， volume 243：168-175.

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[责任编辑：汤静]