堆芯补水箱内热工水力现象识别与研究

刘宇生，王庶光，李东阳，*，唐济林，谭思超

（1. 国家环境保护核与辐射安全审评模拟分析与验证重点实验室 生态环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2. 哈尔滨工程大学 黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室，哈尔滨 150001；3. 哈尔滨工程大学 核安全与先进核能技术工信部重点实验室，哈尔滨 150001；4. 中国核动力研究设计院，成都 610213）

AP1000是由美国西屋公司设计研发的非能动安全压水堆核电技术，其安全系统全部采用非能动安全的设计理念，即基于重力、热传递、惯性等非能动的方式驱动安全系统运行，在简化系统设计的同时提高了安全系统的可靠性，提高了核电厂的经济性。堆芯补水箱（Core Make-up Tank，CMT）是其最具特色的非能动部件之一，主要用于高压阶段的堆芯补水和冷却［1］。

1 CMT设计及功能概述

AP1000机组共配置两台堆芯补水箱，该水箱内充满低温浓硼水，暴露在安全壳中，无加热或隔热装置，水温与安全壳环境温度一致。非能动安注系统示意图如图1所示，堆芯补水箱结构如图2所示。CMT设计为带有半球形上、下封头的钢制锻焊容器，内壁堆焊不锈钢，上、下封头开设带安全端的进、出口接管各1个，筒体开设1个人孔，筒身和封头开设17个测量仪表接管，下封头焊接8个支承柱用于支承壳体。此外，为避免筒体内部出现快速冷凝，CMT上方入口处还安装了周向开孔而头部堵住的蒸汽分配器［2］。

图1 AP1000非能动安注系统示意图Fig.1 Schematic of the AP1000 passive safety injection system schematic

图2 堆芯补水箱结构Fig.2 Structural diagram of the CMT

CMT的运行对于非能动堆芯冷却系统（Passive Core Cooling System，PXS）完成其应急堆芯冷却功能至关重要，因为CMT的注入直接取代了传统压水堆中使用的高压注射泵，属于高压安全注射阶段唯一的冷却剂源。CMT的工作原理主要是利用堆芯补水箱与堆芯的高度差和密度差，在重力作用下形成驱动压头，驱动堆芯补水箱内的含硼冷水向反应堆压力容器内注入，实现堆芯的补水和冷却。

根据事故类型和事故严重程度的不同，CMT运行主要存在两种模式，分别为水循环模式和蒸汽替代模式［2］，其中水循环模式是指堆芯的热水经压力平衡管线流入CMT，CMT内储存的含硼冷水通过直接注入管线注入反应堆压力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV），CMT内部逐渐被热水充满，冷水逐步被置换，自然循环驱动力逐步减弱，整个循环过程以水为工质进行，不涉及蒸汽；蒸汽替代模式是指堆芯内蒸汽经压力平衡管线（Pressure Balance Line，PBL）流入CMT，在CMT液体表面和低温壁面处发生冷凝，冷凝水随即补偿CMT液位，该循环模式下，涉及蒸汽-水相变、CMT排水、液位持续下降等现象。在破口失水事故（Loss of Coolant Accident，LOCA）中，CMT两种运行模式及其运行时间主要由破口大小决定，当破口尺寸较小时，水循环模式可以维持较长时间；当破口尺寸较大时，水循环过程会很短，随着CMT排水，系统内的蒸汽就会持续流入CMT，进入蒸汽替代运行模式。

2 基于CMT整体效应试验的现象识别

CMT工作过程与反应堆冷却剂系统状态密切相关，同时其内部还存在复杂的蒸汽冷凝流动、热分层等过程，因此国内外学者对CMT相关的热工水力现象开展了大量研究，本文基于已有的研究结果，识别了其中的关键热工水力现象，分析了现象发生的机理，并根据现象层次的不同，进行了热工水力现象的梳理。

CMT的两种运行模式均是以冷热端密度差作为驱动力进行的自然循环过程。其中水循环模式为单相自然循环过程，驱动力为CMT内冷水与反应堆冷却剂系统（Reactor Coolant System，RCS）热水之间的密度差；蒸汽替代模式为两相自然循环过程，驱动力为CMT内储水与RCS内饱和蒸汽之间的密度差。两种循环模式下，循环流量均由冷热端密度差产生的驱动力和回路阻力匹配的结果决定。对于CMT不同的运行模式，国内外科研机构基于整体效应试验装置（Integral Effect Test Facility，IETF），开展了大量的试验研究。

欧盟利用PACTEL装置开展了多项CMT实验研究［3］。PACTEL是以Loviisa型VVER-440作为参考原型设计的IETF。PACTEL试验装置上先后开展了一系列热管段小破口失水 事 故（Small Break Loss of Coolant Accident，SBLOCA），重点模拟CMT水循环模式中重力驱动的堆芯冷却过程。试验中观察到，CMT顶部的蒸汽快速冷凝会多次中断应急堆芯冷却的流量。在“先进轻水反应堆非能动安全注射系统评估”项目中，欧盟进一步研究了破口尺寸和位置、CMT尺寸和位置、蒸汽分配器的移除、CMT和PBL的初始水温、PBL连接位置和安注管线流动阻力等因素对LOCA期间非能动安全注射系统热工水力行为的影响。此外，该试验还研究了CMT壁面的热传递及其内部流体的热分层现象。该试验表明，CMT顶部的蒸汽分配器对于限制快速冷凝具有重要作用。

日本利用ROSA-AP600装置开展了西屋非能动核电厂CMT的实验研究［4］，ROSAAP600是日本原子力研究所（Japan Atomic Energy Research Institute，JAERI）在 模 拟 西 屋四环路压水堆的大型试验装置（Large-scale Test Facility，LSTF）基础上，针对AP600设计改造得到的1/48体积比例、全高、全压力的IETF。利用ROSA-AP600，日本开展了多种LOCA模拟试验，其结果表明，除压力平衡管线（PBL）破口试验和压力容器直接注入（Direct Vessel Injection，DVI）破口试验外，在其他位置的LOCA中，两列CMT的热工水力行为几乎相同。ROSA-AP600-CMT试验证实：在堆芯与CMT的自然循环流动过程中，CMT内部出现了显著的热分层现象，因为来自冷管段的热水聚集在CMT上部区域，但由于西屋非能动核电厂CMT内的轴向热传导和扩散非常微弱，热分层的运动基本上是一维向下的；该试验还表明，除PBL破口外，破口大小及位置对CMT自然循环速率的影响并不显著；LOCA期间，自动卸压系统（Automatic Depressurization System，ADS）投入后，RCS的卸压过程会使CMT上部的热水层产生闪蒸，并在一定程度上增加CMT的排水速率。

针对自主开发的AC600设计，中国核动力院开展了全压CMT实验［5］，实验在CMT模拟体中设置了36支热电偶测量钢壁和流体的温度，通过电接点水位计和差压水位计同时测量水位，涡轮流量计测量排放流量，此外还测量了CMT内压力。试验结果表明：CMT投入后的排放初期，因受到CMT冷壁面和冷水表面强烈的冷凝作用，从稳压器进入CMT模拟体内的蒸汽会导致CMT模拟体内出现压力脉动，造成排放管内质量流速呈短期低位脉动平台特性；破口尺寸较小时，进入稳定排放期后CMT模拟体处于重力排放过程；蒸汽替代模式下，CMT向RPV内注水，从稳压器向CMT内流入蒸汽，CMT内、外壁面间会形成很大的温差。

韩国利用SMART-ITL装置开展了针对模块化小型堆SMART CMT的实验研究［6］。SMART模块化小型堆是韩国设计研发的一体式反应堆，其主冷却剂系统的主要部件均包含在压力容器中，如稳压器、堆芯、蒸汽发生器和反应堆冷却剂泵。SMART-ITL开展的CMT试验表明：SMART CMT的安注过程存在三个阶段，即循环阶段、振荡阶段和稳定注入阶段，PBL温度及其接口位置、CMT水位等因素对每个阶段都存在重要影响；PBL温度和CMT水位两个参数决定了CMT及其支路的运行阶段，即再循环阶段主要取决于CMT水位，振荡阶段主要由PBL蒸发现象主导，当PBL和CMT上部区域的流体温度相等时，则进入稳定注入阶 段。Lee［7］对CARR Passive反 应 堆（CP1300）中非能动高压注入系统（Passive High Pressure Injection System，PHPIS） CMT中直接接触冷凝的能力进行了试验分析。试验采用蒸汽发生器提供蒸汽，并将蒸汽直接注入CMT冷水。试验监测了CMT排放的流量以及水位，并采用热电阻测量CMT轴向水温。研究结果表明：水的过冷度越大，CMT注水启动时间越晚，蒸汽分配器和热水自然循环均能够加速重力驱动注水行为的启动。Lee将直接接触冷凝现象分为声速喷射、亚音速喷射和蒸汽空腔三种模式，并提出了适用于CMT的冷凝模型［8］。

中国在国核一号的研发过程中，利用ACME试验装置研究了小破口失水事故下CMT的瞬态响应和热工水力行为［9］，其研究结果表明：在不同的实验过程中，CMT内流体的热分层模式是类似的，热流体层可将热蒸汽和冷流体分开；ADS降压会导致CMT闪蒸，进而增加CMT-RCS压差，同时也会显著缩小热分层区域，但系统压力稳定后，热分层会恢复，并持续到长期冷却阶段；闪蒸过程可以冷却CMT壁面，引起CMT壁面的反向传热，在CMT循环和排放过程中，CMT壁面储热将在ADS启动后逐步释放。

对上述不同整体试验装置的CMT试验进行归纳总结，其结果表明：LOCA事故条件下，CMT的瞬态响应可以分为两个存在显著区别的阶段，即自然循环阶段和蒸汽替代阶段，在自然循环阶段中，可识别的较为明显的现象或参数包括系统自然循环速率、硼的迁移、冷热分层和破口位置；在蒸汽替代阶段，可识别的较为明显的现象或参数包括闪蒸、蒸汽冷凝、壁面储热释放等。

3 CMT内热工水力现象分析

在不同运行模式下，堆芯-CMT间的自然循环过程会同时受到如2.1节所述CMT内部局部现象或局部参数的影响，如CMT内部因温差导致的冷热分层、硼的迁移及混合、蒸汽与CMT自由液面的冷凝、蒸汽与CMT壁面的冷凝、壁面储热等。基于CMT的工作模式和运行参数条件，可对CMT内的主要局部现象开展进一步的分析讨论。

（1）硼的迁移和混合

在事故条件下，CMT内含硼冷水会随着安注流动出现迁移和混合等现象，该现象主要发生在水循环模式的初期。根据赵婷杰等的研 究［10］，硼酸在水中跟随性较好，其浓度变化主要受到安注流体的流速和温度两个因素的影响。从影响因素来看，安注流速主要由堆芯-CMT间的自然循环现象决定，即由密度差驱动力与CMT支路的阻力匹配决定；CMT内的温度分布，主要由冷热分层现象决定。因此硼酸的迁移和混合现象，主要是受到CMT内热工水力现象的影响，该现象本身对CMT内流动和温度分布的影响可以忽略。因此可以将该现象与CMT内其他的热工水力现象解耦，单独予以研究。

（2） CMT混合液位

CMT内的混合液位具有比较重要的作用，因为该参数往往与安注系统整定值相关［2，6］，对LOCA事故的进程具有显著影响。但就CMT热工水力研究而言，该参数同时受到CMT内蒸汽冷凝、流体冷热混合、CMT-堆芯自然循环等多个物理过程的影响，是这些过程耦合共同作用的结果，因此对CMT混合液位的研究，应依赖于蒸汽冷凝、冷热流体混合、CMT-堆芯自然循环等现象的准确复现和耦合运行，单独开展试验研究的意义不大。

（3）闪蒸

CMT中的闪蒸现象主要发生在自动卸压系统工作阶段，其作用机理在于闪蒸会导致热水瞬间蒸发从而产生大量蒸汽，其直接作用结果为CMT内的热流体因汽化而减少，冷热分层现象会受到影响；其间接作用结果为CMT热流体层形成的蒸汽会改变CMT-堆芯间的密度差，在重力作用下，该密度差会影响CMT支路的循环驱动力。闪蒸现象直接影响作用的特征时 间［11］与降压过程的时间尺度一致，间接影响作用的特征时间与自然循环的时间尺度相当。

闪蒸现象是一个复杂的传热传质过程，至今尚未有一个理想的关联式，已有文献研究表明［12］，影响闪蒸的主要参数为压降、降压率和初始温度，因此针对原型设计的试验验证，无论是开展整体效应试验研究还是单项效应试验研究，均应采用等压模式方式，否则获得的闪蒸试验现象与原型设计会存在比较大的差异。

（4）蒸汽冷凝

蒸汽替代循环模式下，根据冷凝发生位置的不同，分为CMT热液层冷凝和壁面冷凝两类［13］。

对于CMT顶部未配置蒸汽分配器的设计，冷凝现象以自由液面冷凝为主，蒸汽与水的直接接触冷凝占主导地位［14］。由于直接接触冷凝的换热系数十分依赖于流动状态，需要正确地识别流动状态，才可能对相关的换热速率做出正确的预测，针对此类现象的研究应单独开展试验研究。直接接触冷凝的速率与持续时间受到CMT液体冷热分层的影响，因此针对CMT中直接接触冷凝的研究通常还需要考虑冷热分层。同时已有研究表明［3］，该设计方案中蒸汽冷凝过程对CMT排水的驱动压头会产生比较大的影响，导致其排水过程产生波动，严重时甚至会导致安注过程停滞。为了避免快速冷凝的不良影响，CMT顶部配置了蒸汽分配器以改变蒸汽注入方向从而避免蒸汽集中加热CMT上部液体。

对于CMT顶部配置蒸汽分配器的设计，蒸汽进入CMT后，其流动方向被改变为直接向壁面喷放流动，蒸汽趋向与壁面优先接触，导致壁面冷凝量远大于热液层的冷凝量；同时，由于金属壁面的导热系数更高，相较于热液层冷凝来说，蒸汽在壁面的冷凝量更占优势，因此可以认为该类设计中，CMT内的冷凝主要是壁面冷凝过程［15］。

（5）壁面储热

壁面冷凝过程与壁面条件密切相关［15，16］，由于CMT罐体较大，承压要求又导致其设计壁厚较大，事故条件下CMT的厚钢壁会充当冷凝蒸汽的良好介质，CMT罐体本身形成了一个带有较大容量的冷源，因此CMT壁面内部的导热现象及整体的储热释放，对CMT内的冷凝过程也存在较大影响，也需要在模化中予以考虑。

在自动卸压系统工作阶段，随着RCS系统压力下降，CMT中出现闪蒸导致内部热流体温度下降，此时可能发生壁面反向传热现象。考虑壁面反向导热现象时，也应从导热方面入手。不同于壁面冷凝时罐体钢壁的冷源释放，反向传热时热流体与壁面温差通常较小，储热释放速率较慢，因此该现象对堆芯补水的影响极为有限。

从物理过程的时间特征考虑，冷凝过程的特征时间主要与壁面冷凝换热的作用尺度有关，壁面储热释放的特征时间主要与CMT壁面内导热过程的作用尺度有关。

（6）冷热分层

根据2.1节所述试验结果和李夔宁等人的研究［17］，在循环模式和蒸汽替代两种运行模式下CMT内均存在明显的冷热分层现象。在水循环运行模式中，热液层的移动和增加主要由单相自然循环的流量决定，其特征时间与单相自然循环的特征时间一致；在蒸汽替代阶段，热液层的移动和增加主要受到蒸汽冷凝后的液体流量的影响。因此冷热分层移动的过程主要受到CMT-堆芯自然循环和壁面冷凝的影响。

对于冷热分层的稳定性，根据于沛、王升飞等的研究［18，19］，CMT冷热流体分层现象中，分层界面的稳定程度主要与冷热流体的温差、冷热流体区域初始的高度差和外部扰动速度相关，外部扰动速度可以认为是CMT内冷热分层液面移动的速度，主要由CMT的重力排水过程决定。

4 CMT相关热工水力现象总结及建议

将CMT水箱及其所在支路作为研究对象，对该支路进行系统分解，如图3所示。

结合图3，对于上述现象进行汇总分析，见表1。表1中同时划分了各现象所在层次及其发挥作用的特征时间尺度，并对CMT热工水力现象进行了总结说明。

图3 CMT水箱及其所在支路分解图Fig.3 Break down diagram of the CMT and its related loop

表1 CMT热工水力现象分析Table 1 Analysis of thermal hydraulic phenomena in CMT

结合表1，对CMT相关热工水力现象的研究建议如下：

（1） CMT及其支路的自然循环为系统级现象，开展试验研究时应优先遵循该现象的相似准则。

（2）闪蒸、硼的迁移和混合现象的物理特征时间与自然循环过程关系不大，可单独开展试验研究。

（3）直接接触冷凝现象主要与冷热分层相关，其物理特征与热力参数相关，且与自然循环过程关系不大，可单独开展试验研究。

（4）壁面冷凝、壁面储热、冷热分层和CMT混合液位现象均与自然循环过程相关，在研究上述现象或者分析相关试验过程时，应考虑设计原型自然循环过程特征时间与这些现象特征时间的相互作用。