非均勻加熱條件下多通道自然循環系統不穩定邊界的確定

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[摘 要] 自然循環被廣泛應用于非能動固有安全性的先進反應堆設計中。實際中，自然循環系統往往是多通道的，且各通道的熱流密度也不相同，系統易產生流動不穩定現象，影響系統的安全運行。以RELAP5為分析工具，針對自然循環系統建模并對相關規律作了分析，得出系統在給定參數下的不穩定邊界。

[關 鍵 詞] 自然循環；多通道；不均勻加熱；不穩定性邊界

[中圖分類號] TL413.2 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）06-0192-01

RELAP程序是美國愛達荷國家工程實驗室開發的大型瞬態熱工水力計算程序，可用于模擬輕水堆的多種假想事故。現廣泛應用于壓水堆核電站事故工況分析，幾乎可覆蓋所有熱工水力瞬變事故譜。

一、不均勻加熱對雙通道自然循環系統穩定性的研究

簡單的自然循環裝置是一條閉合自然循環回路，由熱源（預熱段和加熱段）、冷源（冷凝器）、上升段及下降段構成。冷熱源之間的高差產生驅動壓頭來使流體循環流動。

本文對某一假想的具有兩個并聯加熱通道的循環系統進行加熱實驗。流體經過預熱段預熱后，在加熱段分流通過兩個加熱通道加熱。加熱均勻度（加熱功率）不同。流體通過冷凝器冷卻，回到起始點，完成循環。

加熱段206P與306P均采用電加熱方式，加熱功率沿管道長度均勻分布。204B為分支結構，管段長度為0.5m。276B與286B為分支結構，連接兩個加熱管道，均取0.5m。冷凝管段214P穿過冷卻水箱224A，通過冷熱流體之間的對流來進行熱交換。212S、216S為冷凝段前后連接的管段，均取0.1m。210P為穩壓器，220TMD、228TMD是時間控制體。

二、系統節點數的確定

節點的劃分會影響仿真的精度及流動不穩定起始點的預測結果。重點研究部件內部的劃分越細（內部的小控制體數越多），最后結果數據越精確。

本節點數也不是越多越好，當其增多到一定數目時，節點數量的影響已經很小，過多的節點使程序運行時間增大。

對加熱段分別選取節點數為10、20、40、60、75的五組實驗來比較分析，提取加熱段流量在不同節點數的條件下變化曲線，各組曲線都達到穩定流動狀態。

從結果看，五條曲線很接近。節點數選取越多，結果越平緩，但同時計算時間也越長。當節點數選取在60與75時，兩曲線幾乎重合，對實驗的影響可以忽略。所以得出結論：當節點數為60時，對實驗的精度影響很小，系統的穩定性增強。

三、不穩定邊界的確定方法

運行程序獲得一個穩定工況，然后逐漸增加加熱段的功率來尋找不穩定邊界點。加功率過程要非常緩慢，因其對回路施加小的擾動而對不穩定性邊界產生影響。

現以50kW預熱功率下兩加熱通道加熱不均勻度為1：2時的工況為例來說明本文中增加功率的過程。每步700s，前200s加熱段功率線性增加1kW，后500s維持功率不變，觀察系統是否穩定。增加功率后系統各參數會發生變化，并慢慢達到下一個穩定工況。當加熱功率達到某一個極限值時，再增加功率系統各參數不能維持穩定，而是發生自持振蕩。

從RELAP5算得的分別以質量流量與溫度振蕩為例的振蕩曲線中讀取振蕩起始點處所對應的時間，根據該時間找到此時對應的加熱功率，即為此系統在特定壓力、進口過冷度下的極限功率。

本文中所計算的每一個工況均有一個這樣的振蕩起始點，以相同的方法找出各工況下對應的極限功率，最終所得極限功率與預熱段加熱功率的關系曲線即要找的不穩定性邊界。

從結果中看出，在整體脈動中，試驗段的總流量隨時間作近似等幅脈動，兩個分管內的流量隨總流量作同相脈動，流體溫度作近似的同相脈動。

四、振蕩起始點的確定

自然循環不穩定性研究中，流量與加熱量存在匹配關系，所以，首先要找到一個系統的穩定工作點，再以此點為基礎尋找不穩定區間。

對于自然循環系統，找到穩定工況點較為困難，因為回路的自然循環流量是多個參數的復雜函數，且系統一旦啟動，內部各參數自動發展變化，須不斷調節系統參數及長時間計算才能尋找到符合條件的初始穩定工況。當回路到達穩定工況后，即可逐漸增加加熱段的功率來尋找不穩定起始點。實驗從穩定流動開始，在保證總管進口質量流量基本不發生波動的前提下，逐步調節各項參數至脈動發生。實驗中依靠分管進口質量流量波動的情況來判定脈動是否發生。在脈動起始段左邊，兩根分管形成了明顯的可持續周期性異相脈動，此時流量脈動的振幅為起始脈動振幅。

綜上所述，本文使用RELAP5對系統建模分析，按編寫

RELAP5輸入卡，對卡片中的數據參數的選取進行了說明。本文主要對加熱段進行研究，尤其對加熱管段節點數的選取進行了分析比較。程序編好后，反復調試運行，即可找到系統的不穩定邊界。

參考文獻：

[1]楊祖毛，王飛，王文康.閉合回路單相自然循環穩態特性研究[J].核科學與工程，1999，20（3）：198-220.

[2]郭烈錦.兩相與多相流動力學[M].西安交通大學出版社，2002.