失水事故下安全壳内热工水力与非能动安全壳热量导出系统耦合特性

初炜钰, 丛继东, 李文涛, 张楠, 孟兆明

(1.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, 黑龙江 哈尔滨 150001; 2.哈尔滨工程大学 核科学与技术学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

第三代先进压水堆核电安全系统的设计广泛采用了“能动与非能动相结合”的技术路线,其中非能动安全壳热量导出系统(passive containment heat removal system,PCS)作为重要的非能动安全系统[1-2]。在安全壳内配置PCS,可能会对事故工况下壳内的热工水力行为产生影响,与此同时,安全壳内热工水力行为又会反过来影响PCS的排热能力和动态特性,这种安全壳内热工水力特性与PCS的耦合行为直接影响到事故工况下安全壳是否会发生超温超压[3-7]。

谭曙时等[8]利用德国PASCO试验装置,并对其进行改造,研究了事故工况下非能动安全壳环形空腔内传热传质机理,完成了干平板传热试验等,从而获得不同温度、环腔尺寸、表面黑度与喷淋流量对流动及传热的影响。Hui等[9]建立了大型PCS模拟试验装置,通过实验数据分析了初始安全壳内压力与空气质量分数等参数对系统瞬态的影响。BeZlepkin等[10]为验证软件的正确性,通过接近自然条件下的一系列实验获得了壳内温度场及流场特性。Paladino等[11]通过PANDA实验装置研究了沸水堆LOCA事故后干井气体再循环系统(drywell gas recirculation system,DGRS)的启动对被动安全壳冷却系统(passive containment cooling system,PCCS)的影响。Kennedy等[12]建立了1∶10大比例试验装置,通过一系列试验研究了壳内温度分布、不凝结气体分布与壳内流场等特性,其与GOTHIC程序仿真计算结果吻合良好。

综上,目前国内外针对安全壳与PCS的热工水力特性的仿真计算研究与已有的实验结果较为符合,但实验大多为单独针对PCS热工水力特性的实验,由于实验对象的单一,其实验结果不能真实反映事故工况下的安全壳内热工水力行为与PCS的排热能力和动态特性,而综合实验能更好地反映安全壳热工水力与PCS耦合特性。因此,本文是在已有研究的基础之上,建设大比例的安全壳模拟体与PCS耦合试验装置,开展LOCA事故后安全壳的响应特性研究以及安全壳热工水力特性与PCS的耦合特性研究。

1 试验装置与研究内容

1.1 试验装置介绍

在中国核电工程有限公司廊坊先进核电研究中心建造了安全壳综合试验装置,其主要系统包括安全壳模拟体、汽-气供应系统、PCS、试验装置控制系统、试验测量与数据采集系统以及其他附属设施[13]。试验装置整体如图1所示。

安全壳模拟体为一个总体积为1 010 m3的全钢制压力容器,在高度方向采用1∶3.8的缩小比例,在径向上采用1∶5.5的缩小比例,其他相关参数如表1所示。

表1 安全壳主要模拟比例参数

安全壳模拟体自下而上由下封头、隔间区、直段空间以及上封头4个部分组成,如图2(a)所示,分别模拟了原型安全壳的0 m以下空间、0 m至操作平台之间的隔间空间、操作平台以上直段空间和穹顶空间。其中,隔间区的设计尽可能真实地模拟原型隔间的形状、分布以及连通情况。

1.2 试验研究内容与试验工况

LOCA模拟试验,在1#蒸汽发生器隔间内喷放气相质能释放源项,3列PCS全部投入运行,PCS采用自然循环模式。

LOCA事故模拟试验是针对堆芯未熔化的冷段失水事故展开模拟,主要关注事故后安全壳内的压力响应过程以及PCS的排热能力。事故质能释放源项的计算采用了一系列保守性假设,所以质能释放量较大。试验前对安全壳模拟体和PCS水箱的初始温度进行了调整,均约为45 ℃。试验时,蒸汽由1#SG隔间喷口喷入。图3展示了基于比例模化得到的试验蒸汽喷放流量的设定曲线和正式试验时实际的蒸汽流量变化曲线(无量纲蒸汽喷放流量为喷放流量与流量峰值的比值)。由于阀门动作延迟,导致前30 s喷放流量的低于设定值,由于时间较短,其影响可以忽略。

图3 试验蒸汽喷放流量Fig.3 Test steam discharge flow rate

1.3 数据测量及处理

如1.1节所述,试验装置的测量与数据采集系统需记录近千个测点的数据,这些数据属于直接测量参数,主要包括安全壳模拟体内压力、壳内气体的温度、壳内气体成分与体积分数,喷放管路流量、PCS回路循环流量以及回路内温度与压力等。利用直接测量数据进一步计算或处理可以获取PCS功率与等参量。

1)PCS排热量。

在试验中,由于PCS内部换热器内流体始终为单相水,因而PCS的排热量Q可根据内部换热器进出口处流体的焓差进行计算,其计算公式为：

(1)

式中：Q为PCS排热量,kJ;M为PCS回路循环流量,kg/s,直接由PCS回路冷管段的电磁流量计测得;hout、hin分别为内部换热器出口水与进口水的比焓,kJ/kg;t为系统运行时间,s。

2)蒸汽与不凝结气体浓度。

在本试验中可通过2种测量方法得到混合气体浓度：第1种方法是利用所布置的气体成分采样点,通过质谱仪直接对壳内混合气体成分与浓度(体积分数)进行测量。第2种方法是根据安全壳模拟体内布置的热电偶所测得的当地混合气体温度,反推蒸汽浓度,其具体步骤如下：

①利用热电偶测得安全壳模拟体内空间某一时刻、某一位置处的气体温度,通过饱和水蒸气热物性表或程序可以获得该温度所对应的饱和蒸汽压力,将其视为安全壳模拟体内混合气体中的蒸汽分压Psteam。

②利用压力传感器测得相应时刻安全壳模拟体内的压力,即混合气体的总压P。

③由CH2O=Psteam/P计算得到该位置处、该时刻的蒸汽浓度CH2O。

本文中蒸汽浓度测量的2种方法互为补充,在喷放初期壳内温度、压力快速增加阶段利用第2种方法进行测量,而在壳内温度、压力趋于稳定阶段,利用第1种方法进行测量,以此实现对整个试验过程中蒸汽与不凝结气体浓度测量的目的。

2 结果分析

2.1 安全壳模拟体内的压力响应及PCS排热功率响应

图4展示了模拟试验中无量纲壳内压力(壳压力与设计限值的比值)和PCS排热量随时间的变化情况。安全壳模拟体内压力的变化趋势取决于喷入壳体内的能量与PCS的排热量和壳壁和壳内构件(简称“钢构件”)的吸热量总和的相对大小。

图4 壳内压力与PCS排热量Fig.4 Shell pressure and PCS heat discharge

由图4可知,在试验喷放初期(<5 500 s),安全壳模拟体内压力不断升高,PCS排热功率也快速增加(见切线1至切线2)。在喷放至5 500 s后,壳内压力开始下降,同时PCS排热功率也开始下降(见切线2至切线3)。最终,当喷放蒸汽能量与PCS排热量和壳体散热量之和达到平衡时,壳内压力以及PCS排热功率皆达到相对稳定的状态。

在整个72 h试验中,壳内峰值压力约为0.83倍设计限值,长期稳定工况时壳内压力基本维持在约0.58倍设计限值。由此可见,PCS具备足够大的排热能力,能够保证LOCA事故工况下安全壳内压力不超过设计限值。

2.2 安全壳模拟体内的温度分布和蒸汽浓度分布

选取4个典型位置的轴向温度分布情况为例进行分析,如图5(a)所示：对于隔间区域,主要分析1#SG隔间(即喷口所在隔间)和2#SG隔间内中心轴线上的温度分布情况;对于操作平台以上空间区域,主要分析壳中心轴线上的温度分布的温度分布;对于下封头空间区域,主要分析其中心轴线上的温度分布。在径向和周向上的气体温度分布情况,选取3个典型高度位置(如图5(b)、(c)所示)水平截面内的气体温度分布情况进行分析：距离操作平台最近的301截面,位于换热器中部位置的304截面,位于上封头空间中部位置的402截面。

图5 沿高度方向温度测点分布和水平截面上温度测点分布Fig.5 Distribution of temperature measuring points along the height direction and in the horizontal section

2.2.1 沿高度方向上温度分布

图6给出了喷口所在隔间与普通隔间在轴向上的温度分布。由图6可知,在喷放初期,喷口所在隔间内气体温度显著高于普通隔间内气体温度,各个隔间轴向上都存在温差,但喷口所在隔间轴线上温差明显大于普通隔间,随后各隔间轴向温度分布都迅速区域均匀。

图6 试验中隔间内气体温度分布Fig.6 Gas temperature distribution in the compartment

图7展示了试验中操作平台以上空间内沿高度方向上的气温分布情况。在喷放初期,其流量从最大流量呈阶梯状减小,安全壳模拟体直段空间内温度迅速上升,轴向上的温度分布不均匀性也逐渐降低,这表明空间气体在喷放源相的夹带搅浑作用下充分混合。

图7 操作平台以上空间沿高度方向上温度分布Fig.7 Temperature distribution along height in the space above the operating platformt

随着PCS的持续运行,且喷放流量也出现大幅减小,壳内温压开始下降。从图7中还可以看出,由于PCS的冷却作用,换热器下方区域温度下降较快,而上方的空间却降温较慢,导致以换热器为界的上下2个部分区域出现热分层现象。

在试验后期,单位时间喷放流量携带的能量与PCS排热功率达到平衡,在壳空间内部环流的作用下,上封头与直段空间内的气温逐渐趋于一致,壳内温度分布逐渐趋于稳定,并维持到实验结束。

图8展示出了下封头内最下端测点(T1GZ0H101)和靠近上部的测点(T1GZ0H104)的温度与下封头上部空间温度的对比情况。可以看出在喷放初期,下封头内的气体温度远低于其上部空间温度,这表明一部分上部空间的空气因壳内压力升高而被压缩至下封头。但随着时间的推移,下封头内靠近上部的气体温度已上升至112 ℃,仅比其上部空间温度低了约7 ℃,这表明前期被压缩至下封头的空气在后期会有很大一部分又回到了其上部空间。此外,下封头内积存的凝结水的温度一直都比较低。

图8 试验中下封头温度与操作平台以上空间温度对比Fig.8 Comparison of lower head temperature with space temperature above the operating platform in test

2.2.2 不同高度水平截面内的温度分布

图9给出了3个典型水平截面内(见图5)的气体温度分布情况。可以看出,在喷放刚开始时,操作平台以上空间截面的气体温度分布呈现出一定程度的不均匀特性。但随着喷放的进行,截面内的气体温度分布会逐渐趋于均匀,待喷放进行至约5 500 s时,截面内气体最大温差仅约为2 ℃。

图9 试验中不同高度处水平截面内气体温度分布Fig.9 Gas temperature distribution in horizontal section at different heights in test

喷放进行至5 500 s后,换热器所在空间及其下方空间截面的气体温度分布的不均匀性先呈现增加趋势。随着喷放的进行,换热器所在空间及其下方空间截面的气体温度分布的不均匀性又逐渐减小直到再次变得均匀,并一直保持至72 h实验结束。

相比于304和301平面,位于换热器上方的402截面内气体温度一直都比较均匀。造成301和304截面上述温度分布变化规律的原因,可能是由于随着喷放由高速转为低速,使得进入壳内的能量和喷放气流对壳内气流流动的扰动与推动作用都显著减弱,致使换热器所在空间及其下方空间的横向气流流动和扩散作用出现短期与换热器的冷却作用不匹配的情况。随着时间的推移,这种不匹配效应将逐渐减小,温度分布也重新趋于均匀。

2.3 安全壳模拟体内蒸汽与不凝结气体浓度分布

图10展示了模拟体内部分气体采样点。图11展示了模拟体内蒸汽浓度的分布情况。

图10 壳内关键气体采样测点布置示意Fig.10 Schematic diagram of key gas sampling and measuring points in the shell

图11 试验壳内蒸汽分布Fig.11 Steam distribution in the test shell

由图11和图6、7、8的对比可知,由于模拟体内的气体温度与蒸汽的分压成正相关,因此在高度方向上蒸汽浓度的分布规律与气体温度分布规律基本相同;在喷放1 800～10 000 s阶段,受到PCS冷凝作用,换热器附近蒸汽浓度(AP38)明显低于操作平台以上空间内其他位置处的蒸汽浓度。而后(>5 500 s),PCS排热功率开始逐渐减低,换热器附近蒸汽浓度(AP38)与操作平台以上空间内其他位置处的蒸汽浓度也逐渐接近,但受到蒸汽冷凝的影响,换热器附近蒸汽浓度一直处于相对较低的状态。

在喷放进行至约5 500 s时,操作平台以上空间的蒸汽浓度开始呈现出明显的分层,并在约20 000 s时,上封头区域的蒸汽浓度(AP51与AP60)达到最高值,约为70%。而直段空间下部的蒸汽浓度(AP21)达到最低值,约为55%。在40 000 s以后,操作平台以上空间内各处的蒸汽浓度再次变得较为均匀,并且这种状态一直保持到72 h试验结束。

在试验初始阶段,下封头内受到不凝结气体积聚的影响,其蒸汽浓度(AP1)很低,但是随着试验的进行,下封头内蒸汽浓度一直在不断增加,至试验结束时,下封头内蒸汽浓度达到了约53%,仅比操作平台以上空间的蒸汽浓度低了约5%。这表明试验喷放初期积聚在下封头内的不凝结气体在喷放后期会重新回到上部空间,这将对PCS排热产生不利影响。

2.4 换热器附近气体流速

换热器附近流场主要利用LDV进行测量,LDV测点位于3#PCS换热器中间部位,具体位置如图12所示。图13示出了LDV测量得到的换热器中部靠近壳壁侧位置(以下简称“换热器近壁处”)的气流速度随喷放流量的变化情况。

图12 试验LDV测点位置示意Fig.12 LDV measurement points

图13 试验换热器近壁处的气体流速Fig.13 Gas flow rate near the wall of the test heat exchanger

由图13可以看出,在试验第1喷放阶段(<1 800 s),蒸汽喷放流量最大,此阶段尽管喷口出口蒸汽流速会达到当地音速,但在换热器近壁处气体流速仅有约0.6～0.9 m/s。此后,随着蒸汽喷放流量的降低,换热器近壁处的气流速度也随之降低,气体流速最低约为0.14 m/s。在整个试验过程中,LDV所测得的气体流速始终为正值,表明测点位置处气体始终为向下流动,这与试验过程中现场观察到的气体流向一致。

为了考察长期稳定阶段壳壁附近的气体流动情况,选在试验进行至103 320～115 680 s,利用LDV分别对壳壁附近不同高度处、不同径向位置处的气体流速进行测量。测点分别位于3#PCS换热器上部、中部和下部,距离操作平台的高度依次为1 800、4 300和6 800 mm,并且在同一高度处沿径向共有5个速度测点,依次距离壳壁82、182、282、382和482 mm。同一高度的测点与换热器中心线夹角约8°,具体测点位置如图14所示。

图14 壳壁附近流速测点示意Fig.14 Schematic diagram of velocity measurement points near shell wall

图15给出了3个不同高度处壳壁附近的气体流速变化情况。可以看出,壳壁附近各测点处气体流速很低,均为向下流动,并且靠近壳壁面的气体流速明显高于远离壁面处的气体流速。这表明：壳内空间主流气体在射流气体的夹带作用下呈缓慢向上流动状态,然后在球形封头的导流作用下,沿壁面附近折转向下流动,形成空间大环流。

图15 壳壁附近气体流速Fig.15 Gas velocity near the shell wall

另外,在高度方向上,高位测点(H4300)与中位测点(H6800)的气体流速基本一致,而低位测点(H1800)气体流速相对较高。这可能是由于低位测点靠近操作平台与壳壁之间的环形通道,气流在向下运动过程中会因流通面积减小而加速。

3 结论

1)LOCA事故模拟试验结果表明,PCS具有足够的排热能力,可以确保事故工况下安全壳内压力得到有效抑制,壳峰值压力均低于设计限值,且具有足够的安全裕量。

2)在质能释放源项的释放初期,喷放所在隔间内气体温度显著高于其他隔间。而后,随着喷放的进行,不同隔间内气体温度的差异逐渐减小甚至消失。

3)安全壳模拟体操作平台以上空间内高度方向上的气体温度分布,在大部分时间段内分布较均匀,尤其在喷放后期最大温差只有约为2 ℃。但在壳内压力由上升转入下降的过程中,沿高度方向可能出现一定程度温度分层,试验中测量到的最大分层温差在7～16 ℃。

4)操作平台以上空间不同水平截面的温度分布,在质能源项喷放初期会出现短暂的不均匀情况,之后温度分布趋于均匀,基本都在2 ℃以内,只有内部换热器附近及其以下空间短期内可能出现相对较大的不均匀性(约为12 ℃)。

5)在质能源项喷放初期,下封头空间与其上部之间存在较大温差,随着喷放的进行,两者之间的温差逐渐缩小。且下封头存在较严重的空气聚集情况,这种聚集情况会随着时间的推移而逐渐减弱。在喷放后期空气会重新回到上部空间,这将对PCS排热产生不利影响。

6)壳内空间主流气体呈现低速大环流状态。