中國鉛合金冷卻研究堆事故余熱排出系統概念設計與分析

盛美玲，金 鳴，柏云清，汪衛華，吳宜燦，FDS團隊

（1．中國科學技術大學，安徽合肥230027；2．中國科學院核能安全技術研究所，安徽合肥230031）

反應堆在停堆后，由于剩余裂變和裂變碎片的衰變，會產生相當可觀的余熱。通常反應堆都設置專門的能動余熱排出系統，這些系統在正常供電或應急電源供電情況下，可以有效地排出余熱；而在正常電源和應急電源同時喪失的事故工況下，此類能動余熱排出系統將因得不到電源供應而不能有效地排出余熱。

非能動事故余熱排出系統僅靠自然循環可將堆芯余熱排出。目前，已有很多研究者對非能動余熱排出系統的特性進行了大量有價值的設計、研究。鉛或鉛鉍冷卻快堆，大多采用非能動余熱排出系統RVACS（Reactor Vessel Air Cooling System），該系統具備固有安全性，采用該設計的反應堆有歐洲工業嬗變設施EFIT［1］、加速器驅動系統實驗裝置XADS［2］、原型多用途加速器驅動中子倍增器MYRRHA［3］等。

目前核電的發展存在核廢料放射性強、毒性大的問題，加速器驅動次臨界系統ADS（Accelerator Driven subcritical System）是一種理想的核廢料嬗變裝置［4］。中國科學院制定了ADS發展路線圖，設立了戰略性先導科技專項“未來先進核裂變能－ADS嬗變系統”研究項目。專項的第一階段計劃建造中國鉛合金冷卻研究堆（CLEAR－I），用于開展鉛合金反應堆的中子學、熱工水力學和安全特性等實驗研究［5－6］。CLEAR－I已由FDS團隊［7］完成概念設計，并對一系列相關關鍵科學問題開展了研究，如液態鉛合金回路研究、結構材料性能研究等［8－11］。CLEAR－I熱功率為10MW，選擇具有良好的中子學性能、熱工水力學性能和安全特性的鉛合金冷卻劑，是一座自然循環反應堆［6］。

本文針對CLEAR－I，設計了利用反應堆容器外空氣自然循環的事故余熱排出系統，在主換熱器給水中斷和地震事故狀態下有冷卻堆芯的能力，以確保反應堆的安全。通過數學模型求解和CFD程序對系統進行模擬計算，驗證了該設計方案的可行性。

1 系統設計

通過前期開展的中子學設計與分析，CLEAR－I停堆余熱的變化曲線見圖1。停堆0時刻的功率為0．6MW，停堆4小時后的余熱為0．1MW。

圖1 中國鉛合金冷卻研究堆余熱變化曲線Fig．1 Decay heat generation rate of China Lead Alloy Cooled Research Reactor

考慮安全系統的冗余性和單一故障準則，該事故余熱排出系統由四套相互獨立的冷卻通道構成。每一套通道由安裝在反應堆容器外側的圓柱形熱隔離層、U型空氣管道、反應堆廠房外的煙囪和連接管道等組成。U型空氣管道由熱空氣上升通道和冷空氣下降通道組成，40個U型空氣管道均勻地布置在安全容器的周圍。圓柱形熱隔離層布置在冷、熱空氣通道之間。U型空氣管道的出口由連接管道連接煙囪，進口由連接管道連接大氣。每10個U型空氣管道共用一套連接管道和煙囪，即共有4套（8個）連接管道和4個煙囪。系統結構見圖2和圖3，設計參數列于表1。

圖2 非能動事故余熱排出系統示意圖Fig．2 Sketch of passive emergency decay heat removal system

圖3 非能動事故余熱排出系統三維結構圖Fig．3 Three－dimensional structure of passive emergency decay heat removal system

表1 非能動余熱排出系統設計參數Table 1 Parameters of decay heat removal system

冷卻空氣通過冷空氣下降通道進入系統，在熱空氣上升通道內被加熱，靠空氣本身溫度差引起的密度差驅動向上流動，通過煙囪，排入大氣。該系統完全依靠空氣的自然循環把余熱排到大氣，是一個非能動的系統，與傳統的事故余熱排出系統相比，簡化了反應容器內部結構，避免了容器穿孔。

2 性能分析

為了驗證系統設計參數的合理性，本文利用Fluent程序對設計方案進行瞬態模擬計算。對于反應堆容器外的輻射換熱，其模型結構復雜，因而使用CFX程序進行模擬，并將模擬的結果通過多項式擬合加載到Fluent的計算中。模擬中所需的反應堆容器外的空氣流動的自然循環邊界采用聯合求解傳熱和流動經驗公式獲得。

2．1 冷卻空氣熱工分析

針對空氣在U型管道、連接管道和煙囪中形成的自然循環，通過聯立求解質量、能量守恒方程以及壓降平衡方程，計算空氣的熱工參數。

在建立模型前作了如下假定：①空氣流動是一維的；②忽略管壁的軸向導熱；③保守假設環境空氣溫度為50℃；④穩態運行。

堆芯余熱：Q

空氣帶走熱量：

空氣自然循環驅動壓頭：

空氣流動摩擦壓降：

空氣流動局部壓降：

空氣對流換熱量：

式中：cp——空氣比熱容；mair——空氣質量流率；T1——空氣進口溫度；T2——空氣出口溫度；ρ1——空氣進口密度；ρ2——空氣出口密度；g——重力加速度；H——空氣形成自然循環所需高度；f——沿程阻力系數；l——管道長度；d——管道當量直徑；ρ——空氣平均密度；v——空氣流速；n——產生局部壓降的個數；ζ——局部阻力系數；hs——空氣對流換熱系數；As——熱空氣上升通道的表面積；Ts——熱空氣上升通道壁面溫度；Tair——空氣平均溫度。

通過聯立求解可以得到不同時刻空氣的熱工參數。計算結果表明，即使在表2所示余熱最大的停堆0時刻，空氣的運行溫度也不超過473K，具有帶走堆內余熱的能力。以下需進一步計算反應堆容器內的各區域溫度以驗證系統設計的合理性。

表2 空氣熱工參數（停堆0時刻）Table 2 Thermal parameters of the air（zero second after reactor shut down）

續表

2．2 輻射模擬

在用CFX進行輻射模擬計算時只考慮一個U型空氣管道，即采用9°的扇形區域進行計算。計算模型如圖4所示，共有6個模塊，從內向外分別是：主容器、間隙空氣、安全容器、間隙空氣、熱空氣上升通道、圓柱形熱隔離層。

圖4 CFX計算模型Fig．4 CFX calculation model

其中，反應堆容器壁面熱發射率為0．7；主容器內壁添加熱源Source Flux，與余熱水平對應；空氣管道的外壁設置空氣對流換熱邊界，由數學模型計算得到。

通過CFX模擬計算得到不同余熱水平下系統溫度分布（停堆4小時后的計算結果見圖5）。把不同余熱水平和對應的安全容器壁面溫度值，建立對應關系并進行三次多項式擬合，可得到兩者的函數關系式：

式中，Q表示通過安全容器外表面散失的表面積熱流密度，W／m2；T表示安全容器壁面的平均溫度，K。

計算結果表明，在排出余熱過程中，反應堆容器壁面溫度不超過650K，具有帶走堆芯余熱的能力。下一步需對池內冷卻劑的溫度進行計算以驗證系統設計的合理性。

圖5 CFX計算溫度分布圖（停堆4小時）Fig．5 Temperature distribution of CFX calculation（four hours after reactor shutdown）

2．3 瞬態模擬

2．3．1 計算模型

評定事故停堆后反應堆狀態是否安全主要以堆芯冷卻劑出口溫度、主容器和安全容器壁面溫度三個溫度是否超標來判定。本節使用Fluent程序，結合輻射模擬的擬合關系式，分析了在有保護失冷的事故工況下非能動事故余熱排出系統和反應堆的瞬態特性。

前列地爾是臨床上廣泛使用的改善微循環的藥物，具有擴張毛細血管，恢復紅細胞變形能力，改善微循環，增加動脈血流量，促進側枝循環開放，降低血液粘度的作用[5，6]。如今前列地爾已廣泛用于腦梗死，糖尿病并發癥，耳鳴及慢性肝炎等疾病[7]，但未見前列地爾治療高血壓視網膜病變的報道，為觀察治療效果，現將本研究結果報道如下。

計算模型采用二維軸對稱模型。堆芯、反射層和換熱器設置多孔介質模型；堆芯加入熱源，以UDF形式加入；安全容器外壁面加入熱流密度邊界，根據CFX計算出的余熱水平和安全容器壁面溫度的函數關系式，以UDF形式加入。

瞬態計算的假設條件有：主換熱器在停堆0時刻失去全部冷卻能力；事故余熱排出系統處于備用狀態。

2．3．2 計算結果與分析

圖6給出了CLEAR－I有保護失冷后，堆芯進出口鉛鉍溫度、主容器冷熱段溫度和安全容器壁面溫度等參數隨時間的變化。

圖6（a）給出了堆芯進出口溫度隨時間的變化圖。事故停堆后，由于堆芯功率下降速度快于堆芯流量下降速度，出口溫度急劇下降，在25s時達到最低值270℃，然后，由于堆芯功率下降速度變慢，出口溫度緩慢回升，在4 000s時上升至325℃，之后緩慢下降；堆芯進口溫度先緩慢上升，后緩慢下降。

圖6 反應堆事故停堆后的瞬態計算結果Fig．6 Transient calculation results after accident shutdown

圖6（b）給出了主容器壁面溫度隨時間的變化圖。事故停堆后，由于堆芯功率急劇下降，熱池鉛鉍溫度下降，主容器熱段溫度持續下降；主容器冷段溫度先上升后下降。

圖6（c）給出了安全容器壁面溫度隨時間的變化圖，安全容器壁面溫度的變化與主容器壁面平均溫度（冷、熱段加權平均值）變化趨勢一致，先緩慢上升后緩慢下降。

通過以上對系統瞬態計算結果的分析可知：

2）主容器壁面最高溫度不超過380℃，低于主容器壁面溫度限值450℃；

3）安全容器壁面最高溫度不超過250℃，低于安全容器壁面溫度限值400℃。

3 結論

本文針對中國鉛合金冷卻研究堆的設計需要，提出了一種事故余熱排出系統的方案設計，該系統充分考慮了獨立性、冗余性和非能動性，完全依靠空氣自然循環排出余熱，在事故工況時能夠保證反應堆的安全。并通過理論計算和CFD模擬，驗證了該方案的可行性。計算分析表明：

1）有保護失冷事故后，該事故余熱排出系統的設計參數和系統配置可以完成預定排熱功能，保證堆芯安全。

2）由于在模擬計算時沒有考慮主熱傳輸系統二回路散熱對緩解事故后果的貢獻，所以計算得到的堆芯鉛鉍溫度、主容器冷熱段溫度和安全容器壁面溫度相對實際值偏高。

本文針對中國鉛合金冷卻研究堆事故余熱排出系統建立模型進行了瞬態數值分析，下一步將搭建實驗平臺開展實驗研究，對設計及優化提供實驗數據和技術支持。

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