壓力容器外部冷卻兩相自然循環特性理論分析

扈然

【摘 要】通常情況下，環形通道被設置在壓水堆壓力容器內，而引起嚴重安全事故的就是在環形通道內的氣流循環問題，氣流主要來自于絕熱層內側與下封頭外側之間，被稱為兩項自然循環。國內已經研究出了運用FORTRAN語言來分析自然循環情況的應用程序，結合一系列的科學計算公式，對空泡份額以及流量進行計算，以此來證實該程序的實踐操作性，該程序被定義為ERVC系統，通過實驗證明，ERVC系統能夠有效地對熱工水力及其結構展開分析。

【關鍵詞】壓力容器 外部冷卻 兩相自然循環 理論分析

當壓力容器在外力的作用下，而發生嚴重事故時，堆芯就會出現熔化現象，如果想要將熔融物保留在容器內，外部冷卻是其中最為有效的方式。容器的外部冷卻就是前文中提到的ERVC，而熔融物滯留則被稱為IVR，IVR是通過沸騰換熱來實現的，在整體IVR過程中，兩相自然循環的順暢性是其中最為關鍵的環節。

1 ERVC理論模型工作機理

了解ERVC系統工作機理保證該系統運行的基礎和前提，如果水面超過堆腔深度，內容池中釋放出的熱量就能夠使絕熱層間隙中的水發生沸騰，水蒸氣就會沿絕熱層間隙上升，而從出口排出后，通過冷卻液化成水流，重新回到料水箱。同時，受熱流體在經過排水坑之后，最終回到堆腔內，形成了自然循環冷卻[1]。

2一維穩態模型

ERVC系統只能在低壓環境下進行工作，工作壓力要保持在0.1到0.4MPa之間。容器內的水蒸氣所受的重力和離心力在兩相流動時是同向的，基于本文的研究目的，通過公式計算ERVC系統中的兩相流量。

Pinuinain=Pcucac=Poutuoutaout=G （1）

Pcucac（hTP-hI）=qc （2）

由質量含汽率的定義，可知

Xc=qc -hsubPcucac/hlgPcucac （3）

由動量守恒，可知

-dP/dz=PTPg+（-dP/dz）fr+（-dP/dz）fo+（-dP/dz）a （4）

（-dP/dz）fr代表的是摩擦壓降梯度，（-dP/dz）fo代表的是形阻壓降梯度，（-dP/dz）a 代表的是加速度壓降梯度[2]。

針對絕熱層流道積分的公式可以表示為

（-dP/dz）dz=PTPgdz+（-dP/dz）frdz+（-dP/dz）fodz+

（-dP/dz）adz=0 （5）

混合物質的密度不會隨著兩相的位置而發生改變，從公式（4）可知流體的線速度也在質量守恒的影響下保持不變，PTPgdz對加熱，上升以及絕熱層外側三段進行積分，可以得到

PTPgdz=oLhTPgdz+LhLPoutgdz+L+Lhigdz=-oL+Lh（i-Pout-TP）gdz=（L+Lh）g（1.5Pout-0.5Pin） （6）

Pout=TP=Pis/（1+xcP/Pgs） （7）

在公式（7）中，Pis代表飽和水的密度，而Pgs代表飽和汽的密度，P表示二者的密度差[3]。

由公式（3）和（7），可知

Pc=ucacPisPgshlg/ucac（Pgshlg-Phsub） （8）

由公式（3）和（8），可知

Xc=qcPgs-ucacPisPgshsub/ucacPisPgshlg-qcP （9）

由公式（6）和（9），可知

PTPgdz=（L+Lh）g[1.5（uoutaoutPisPgshlg-qcP）/uoutaout（Pgshlg-Phsub）-0.5Pin] （10）

3 ERVC系統穩定性理論分析

通常情況下，ERVC系統的穩定性受冷卻水狀態的影響較大，如果壓力容器流道內冷卻水沸騰，就會直接引起ERVC系統的不穩定，導致壓力容器內部冷卻水在流動過程中發生震蕩，從冷卻水震蕩的實質來看，這種震蕩是由閃蒸現象所致。一般把流體在沒有熱源供應時，依然出現空泡的現象稱為閃蒸。

自然循環回路中具有冷卻水加熱的功能，而當壓力容器處于低功率運行時，這種加熱并不會使其達到飽和。事實上，容器內部液體飽和狀狀態受壓力影響較為明顯。閃蒸現象的發生在一定程度上降低了容器內部的壓力，進而影響流量變化。容器內絕熱段冷卻劑的溫度與流量變化有著直接的關系，冷卻劑溫度下降，說明流量變大，當閃蒸停止時，流量也會隨即變小，使冷卻劑溫度增加，于是進入了下一個循環。閃蒸所引起的循環過程影響了容器內部的壓力和驅動力的差值的變化，整個系統也會因此呈現出極強的不穩定性。

4結語

本文利用ERVC系統建造出了一維穩態模型，通過科學的計算公式了解并驗證了不同熱工水力和結構參數與自然循環流量之間的關系，這樣，就能夠更好地為壓力容器外部冷卻兩相自然循環提供可靠的理論指導，從而降低安全事故的發生頻率，提高工作效能。

參考文獻：

[1]金頔.大功率先進壓水堆壓力容器外部自然循環冷卻數值研究[D].上海交通大學，2013.

[2]李永春.壓力容器外部冷卻系統內局部溫度場及兩相分布特性研究[D].上海交通大學，2014.

[3]李永春，李飛，程旭，楊燕華.壓力容器外部冷卻系統冷卻水池溫度場的實驗研究及分析[J].原子能科學技術，2013，08：1322-1329.