空泡對核反應堆安全影響的初步分析

李博西

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.063

摘 要：在我國目前所廣泛采用的現代壓水核反應堆中，為了提高冷卻劑的換熱效率，允許堆內出現欠熱沸騰，導致汽泡出現，形成兩相流動，為了了解兩相流動中汽泡對核反應堆安全的影響，該文主要從堆內的反應性、熱工及流動3個方面進行了簡要的定性分析，并總結得出空泡的存在同時具有利于安全和威脅安全的兩面性，適當的控制含汽率可以使利大于弊，利于提高反應堆的可控性、經濟性及換熱特性。

關鍵詞：空泡 核安全 兩相流動 核反應堆

中圖分類號：TL334 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0063-02

在反應堆內，水被加熱產生沸騰，形成兩相流動，因此，反應堆內的工質不是簡單的單相水，而是含有不同程度的汽泡的混合物，由于汽泡的存在，會使工質的一些性質發生變化，使其與單相水有明顯的不同，在核反應堆中，空泡會對反應堆的穩定性、堆內流動和傳熱特性以及運行的安全性產生很大的影響，因此對空泡的研究非常重要。

為確保反應堆的安全，反應堆所有的安全措施，應在所有情況下，包括正常運行和反應堆停閉狀態，故障工況以及事故狀態，均可完成特定的安全功能，能有效控制反應性，確保堆芯冷卻，包容放射性產物。由于熱工水力與反應堆物理是相互影響的，如反應堆瞬態過程中核燃料溫度、冷卻劑通道內的流體溫度、密度、空泡等變化都會引起核功率的變化，進而影響整個系統的熱工參數，因此，分析空泡對反應堆安全的影響，雖然需從3個方面考慮，但其實是相互聯系的。

1 空泡對反應性的影響

核反應堆在運行時，它的一些物理參數及反應性都在不斷地發生變化，反應堆的反應性相對于某一個參數的變化率稱為該參數的反應性系數，如反應性相對于溫度的變化率稱為反應性溫度系數，其中空泡效應是液體作為冷卻劑的反應堆中，由于冷卻劑沸騰產生汽泡，引起反應性變化的現象，在冷卻劑中所包含的蒸汽泡的體積百分數稱為空泡份額，空泡系數是指在反應堆中，冷卻劑的空泡份額變化1%所引起的反應性變化[1]。

當出現空泡或空泡份額較大時，有如下3種效應：（1）冷卻劑的有害中子吸收減少，這是正效應；（2）中子泄漏增加，這是負效應；（3）慢化能力變小，能譜變硬，這可以是正效應也可以是負效應，與反應堆的類型和核特性有關。總的凈效應是上述各因素的疊加，顯然各個效應及相應的凈效應與空泡的出現位置有關。一般來說，當出現空泡或空泡份額增大時，對輕水堆來說是負效應，而對大型快中子堆，可能出現正效應，特別是當空泡出現在芯部中心區域時。

因為蒸汽的密度比水小得多，所以空泡的存在將導致反應性下降。這對于允許冷卻劑沸騰的沸水堆和可能發生水沸騰的某些事故瞬態有較大影響，因此，空泡效應在沸水堆中最為明顯。

2 空泡對熱工的影響

反應堆熱工設計的主要任務是保證反應堆堆芯在各種運行工況下都能得到足夠的冷卻[2]，以保證反應堆的安全，但除了安全性的要求外，核電站經濟性也是一個非常重要的指標，經濟性的指標要通過反應堆各方面的設計共同完成，其中反應堆熱工設計起到一個很重要的作用，如果反應堆熱工水力設計的各參數選擇合理，則會使反應堆的經濟性得到提高。

由于流體產生欠熱沸騰時的傳熱系數比單相對流傳熱系數有大幅度提高，在壓水反應堆中，為了提高堆芯出口溫度和傳熱效率，一般情況下都允許冷卻劑在堆芯較熱通道內產生欠熱沸騰。欠熱沸騰產生的汽泡使堆芯慢化劑的慢化能力下降，使反應堆冷卻劑系統的自然循環能力提高，對反應堆的運行產生重要影響。

在沸騰換熱過程中，伴隨有汽泡的生成、脫離加熱壁面等現象，這對沸騰換熱都有較大的影響，當沸騰傳熱由泡核沸騰轉化為膜態沸騰時，加熱表面上的汽泡很多，以致很多汽泡連成一片，覆蓋了部分加熱面，由于汽泡的傳熱系數低，加熱面的系數會很快升高，而使加熱面燒毀，若不能及時冷卻，易發生堆芯融化事故，對反應堆的安全有很大的威脅，所以在運行時，應嚴格控制冷卻劑的溫度及表面熱流密度，使其不能達到沸騰臨界點，并應控制截面含汽率，使其在對流換熱系數增大的同時，不影響加熱面的傳熱效果。

3 空泡對流動的影響

在反應堆內，水被加熱產生沸騰，形成兩相流動，這一過程中的許多兩相流動特征，如流動不穩定性、空泡的分布特性、阻力特性等，對水冷反應堆的工作過程都有重要影響，其汽體和液體都是流體，當它們單獨流動時，其流動規律基本相同，但是，它們共同流動時，與單獨流動有許多不同之處。

可根據含汽率的不同，將兩相流分為多種流型，各種流型的流動特性均有一定得差別，汽泡與液體之間的脈動、擴散以及傳熱傳質都因流型不同而有一定的區別。汽泡在液相中的擴散及傳熱傳質都是使兩相流不穩定的主要因素，而對于流動的不穩定性，主要受擴散及傳質的影響，使其液相的湍流與單相水時的湍流不同。

經過去的實驗表明，當Re≤5 500時，汽泡增強液體湍流脈動，且后者隨含汽率的增大而增大，而當Re≥8 500時，則汽泡削弱液體湍流脈動，且后者隨含汽率的增大而下降[3]，換句話說，低含汽率時汽泡增強液體湍流，高含汽率時汽泡削弱液體湍流。在相同含汽率下，Re數較大時汽泡削弱液體湍流，Re數較小時汽泡增強液體湍流，Re數較小時含汽率增大提高液體湍流度；Re數較大時含汽率對液體湍流度影響不大。顯然，不同含汽率情況下兩相湍流間的關系不同。

空泡的產生和潰滅會導致極高的壓力變化以及高溫、噪音、發光、放電和化學反應，這會造成噪音、侵蝕等極大的危害，并且湍流的產生，會產生震動，對管路的安全性及可靠性有很大的干擾，還會減少裝置壽命，降低經濟性，因此控制含汽率對控制流體的流動有一定的作用。同時，由于汽泡在液相中存在擴散作用，所以，當水中產生大量汽泡時，汽泡會溢出，使壓力容器內壓力升高，威脅壓力容器及承壓邊界的完整性，因此，含汽率一定不可以超過限制。

但由于汽泡的產生，使得冷卻劑的密度下降，若冷管段為單相水，經加熱后，達到欠熱沸騰，使得冷卻劑密度變化明顯，利于形成自然循環，減少人為控制，形成非能動系統，對反應堆的控制及安全有很大的優勢。

4 結語

空泡的存在同時具有利于安全和威脅安全的兩面性，但適當地控制含汽率，可以使利大于弊，充分利用其對自然循環及對流換熱系數的優勢，大大提高了經濟性，對于核電站來說，是非常必要的，同時，由于空泡效應一般可以實現負的反應性系數，對于堆芯反應性的控制，也是十分有利的，因此，目前的反應堆都允許欠熱沸騰的存在，即允許反應堆的冷卻劑中含有一定的空泡。

參考文獻

[1] 唐璇.快譜超臨界水冷反應堆反應性控制初步研究[D].南華大學，2015.

[2] 馬騰躍.ADS堆芯熱工水利計算方法研究[D].中國科學技術大學，2014.

[3] 吳巍.管內汽液兩相流動模型分析[D].重慶大學，2014.