主冷卻劑流量連續變化調節反應堆功率可行性研究

羅 誠，王少明，郝建立

(海軍工程大學，武漢430033)

主冷卻劑流量連續變化調節反應堆功率是指當船用核動力裝置二回路負荷改變時，通過連續改變主冷卻劑流量，調節反應堆功率。這種功率調節方式可以有效減少對控制棒的依賴，防止控制棒事故的發生，提高船用核動力裝置運行的安全性。還可以有效降低主冷卻劑泵的電磁噪聲、機械噪聲與空氣動力噪聲，具有良好的軍事、經濟效益。通過采用主冷卻劑泵變頻調速技術［1］可以實現冷卻劑流量的連續變化，在國內外，變頻調速技術已得到廣泛應用，并且具有調速范圍廣，精度高，運行可靠等優點［2］。本文采用核動力裝置模擬器程序，建立主泵連續調速模型，實現主冷卻劑流量的連續變化。并分別對主冷卻劑流量連續變化調節反應堆功率方案和控制棒調節反應堆功率方案下，核反應堆的熱工水力瞬態過程進行對比研究，驗證主冷卻劑流量連續變化調節反應堆功率的可行性。

1 仿真軟件與主泵模型

1.1 仿真軟件

計算研究采用的軟件工具是核動力裝置模擬器程序，可以用來模擬仿真輕水堆發生假想瞬變過程各系統和設備的熱工水力特性。

1.2 仿真系統

對一個核動力裝置進行熱工水力瞬態分析，需要將核動力裝置劃分為若干個控制體，對每個控制體求解質量守恒和能量守恒方程。軟件采用模塊化的建模思想，將核反應堆、穩壓器、蒸汽發生器、主冷卻劑泵等設備和流體網絡劃分為控制體和流線，用來描述冷卻劑系統不同部位和空間的形狀及物理狀態。

控制體劃分是將所要描述的系統在空間上進行離散化處理，控制體的劃分方式依賴于實際裝置的幾何形狀和計算分析的要求精度，劃分數量在計算量和精度之間進行折中。

用來表示控制體之間連接關系的管線即為流線。流線上沒有體積的概念，它將體積歸并于連接的控制體中，因此對每條流線只需要求解動量守恒方程，進而求解流體的流速與流量。根據上述劃分原則和一回路主冷卻劑系統結構，同時考慮仿真的要求，將反應堆及主冷卻劑系統劃分為如圖1所示的控制體［3］。

圖1 主冷卻劑系統節點劃分

1.3 主泵模型

在主冷卻劑泵建模時采用典型離心泵的計算模型。根據離心泵的理論研究，出口壓差Δp和流量(轉速)、揚程以及流體密度有關［4-5］。

式中:n1，n2——額定轉速與實際轉速;

ρ——流體密度;

H(y)——揚程。

根據泵的動力學方程［4］求解泵的轉速方程，泵的動力學方程為

式中:Jp——泵的轉動慣量;

Tri——泵的電磁轉矩;

Thi——泵葉輪的水力轉矩;

Tfi——泵軸承摩擦和風阻轉矩。

通過差分變換可得到泵的轉速模型:

通過設定頻率f的變化方式就能得到不同的轉速和流量變化規律。模型中任意設置主泵轉速隨時間的變化關系，圖2給出了主冷卻劑流量的變化曲線。由圖2可知，主冷卻劑流量與時間成正比關系，驗證了主泵模型建立的準確性。

圖2 冷卻劑流量

2 仿真分析

為了驗證主冷卻劑流量連續變化調節反應堆功率的可行性。以某船用核動力裝置一回路冷卻劑系統為研究對象，選取反應堆二回路快速升負荷20%為例，分別對控制棒調節功率方案和冷卻劑流量連續變化調節反應堆功率方案下，反應堆熱工水力瞬態參數過程進行計算分析。

在功率變化過程中，控制棒棒位不變，主泵采用連續調速方案實現主冷卻劑流量連續變化，蒸汽發生器水位與穩壓器壓力均采用自動控制。

對于控制棒調節功率方案，控制棒采用自動控制方式。

圖2～6為反應堆功率主要熱工參數的動態響應曲線。冷卻劑流量、反應堆功率、蒸汽壓力、穩壓器壓力表示為與額定工況下對應參數的比值，冷卻劑溫度表示為與額定工況下平均溫度的比值。

由于主泵轉速增加(見圖2)，流經堆芯的冷卻劑流量增加，引入正反應性，反應堆功率上升。由圖3可知，反應堆功率能夠很快跟蹤上負荷變化，在150 s左右穩定跟隨，負荷跟蹤能力較好。與控制棒方案相比，在主冷卻劑流量連續變化方案下，反應堆功率變化波動時間減小，變化平緩。

圖3 反應堆核功率

當流經堆芯的冷卻劑流量增加時(見圖4)，反應堆冷卻劑平均溫度降低，由于溫度的負反饋效應，引入正反應性，反應堆功率上升。穩壓器壓力在波動過程中最低點達到了0.93pc0(額定值)，即使與該壓力對應的飽和溫度相比，冷卻劑出口溫度也有46℃的欠飽和度，冷卻劑有足夠的裕量確保不會發生汽化［6］。

圖4 冷卻劑溫度

受反應堆主冷卻劑流量變化的影響，穩壓器壓力也發生了變化。如圖5所示，穩壓器壓力最低點達到0.93pc0(額定值)，已經觸發低壓報警，但在壓力控制系統的調解下，逐漸恢復到正常運行壓力［6］。

二回路負荷的增加使得蒸汽發生器蒸汽需求量隨之增加，此時反應堆蒸汽發生器壓力減小。由圖6可知，在主冷卻劑流量連續變化方案下，蒸汽發生器壓力波動范圍和時間減小，提高了船用核動力裝置的安全性。

圖5 穩壓器壓力

圖6 蒸汽發生器壓力

3 結論

1)在低功率運行工況下，通過連續改變主冷卻劑流量調節反應堆功率能夠滿足核反應堆的安全性和機動性的要求。

2)與控制棒方案相比，主冷卻劑流量連續變化調節反應堆功率可提高核動力裝置的安全性。

主冷卻劑流量連續變化是一種理想的功率調節方案，對于改善船用核反應堆裝置的安全性能和機動性能具有重要意義。但需要深入研究的問題還很多，如冷卻劑流量連續變化調節反應堆功率控制方案的確定，船用變頻器的研究等。

［1］張龍飛，張大發，王少明.主冷卻劑泵變頻調速方案可行性研究［J］.船海工程，2005(5):42-44.

［2］彭敏俊，滕 兵，張志華.船用壓水堆核動力裝置雙恒定運行方案下的冷卻劑流量調節方案［J］.哈爾濱工程大學學報，2000，21(4):5-8.

［3］王 元，王少明，于 雷.船舶核動力裝置一回路小破口失水事故處置規程研究［J］.船海工程，2008，37(5):102-105.

［4］高璞珍.核動力裝置用泵［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2004.

［5］熊光楞，彭 毅.先進仿真技術與仿真環境［M］.北京:國防工業出版社，1997.

［6］朱繼洲.核反應堆安全分析［M］.西安:西安交通大學出版社，2007.