安全殼卸壓排放過程模化分析

高志超，曹學武

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

當反應堆發生事故時，如果安全殼內的熱量不能導出，殼內壓力將會持續上升。此時，安全殼過濾排放系統將是一種可能采用的卸壓手段[1]。安全殼過濾排放系統有很多種，包括沙床式過濾排放系統、干式過濾排放系統、濕式與金屬纖維聯合過濾排放系統等[2-3]。除此之外，將安全殼內的氣體直接排放到乏燃料水池中也是一種卸壓方式。

在開展實驗設計時，往往需要進行模化分析。因此，需對安全殼卸壓排放過程的模化分析方法進行研究。Ishii等[4]在研究簡化沸水堆中不同于沸水堆的獨特安全系統的性能和相互作用時，開發了三尺度縮放方法。Jose等[5]在研究AP600的ADS卸壓過程時，以H2TS方法為基礎，開發了ASM模化分析方法。除此之外，對于池內蒸汽噴射冷凝現象，國內外已開展了大量的實驗研究。Chun等[6]和Zhang等[7]分別對單孔鼓泡器的噴射長度和ADS卸壓過程中水池內的混合現象進行了研究。Song[8]在研究APR1400內置換料水箱中的熱交換過程時認為，池內的整體熱力學狀態、鼓泡器附近的凝結和混合、蒸汽射流長度、射流特性、池表面擾動和凝結狀態等現象為描述蒸汽噴射冷凝過程的重要現象。

本文對安全殼卸壓排放過程模化分析方法進行探討，并結合文獻中的實驗研究結果，對該過程中的重要現象及相似準則進行討論。

1 安全殼卸壓排放過程

以乏燃料水池作為洗滌過濾裝置的安全殼卸壓排放過程是將乏燃料水池作為熱阱，將安全殼內的混合氣體通過鼓泡器排入乏燃料水池中，通過高溫氣體與過冷水的直接接觸進行能量交換，如圖1所示。安全殼卸壓排放過程涉及到多種熱工水力現象，在對實驗原型進行比例縮放之前需對這些現象進行分析、評估，以保證實驗裝置與原型在現象上的相似。

2 PIRT分析方法

現象過程識別與排序表(PIRT)能向研究人員提供反應堆特定事故場景下的各種現象及其重要程度等信息，以方便研究人員在研究過程中對事故場景進行適當的、有側重的簡化[9]。為得到真實可靠的安全殼卸壓排放過程中涉及的熱工水力現象及其重要程度，利用現有的類似卸壓過程PIRT中涉及的現象及相關驗證性試驗裝置搭建經驗和實驗研究結果，開發了一套針對安全殼卸壓排放過程的關鍵現象識別及重要性的分析方法。

PIRT的主要內容包括兩部分，一部分是通過甄別分析得到關鍵現象，另一部分是關鍵現象的重要度排序結果。PIRT根據每個現象的重要程度由高至低依次將其分為H、M、L、I 4級[10]，分別代表高重要度現象、中等重要度現象、低重要度現象及不相干現象。

本文采用的分析方法建立在現有類似過程的PIRT分析結果和相關模化實驗結果的基礎上，考慮以下3個問題，來對安全殼卸壓排放過程中的關鍵現象進行識別與重要度排序：1) 在安全殼卸壓排放過程中是否會發生這個現象；2) 這種現象是否會影響所研究的內容，如果影響會有多大；3) 對這一現象是否有足夠的理解，目前的研究結果如何。

圖2示出關鍵現象識別及重要度分析方法框圖。如果待分析現象不會在給定位置的給定事故階段發生，則類似現象的PIRT結果不適用，判斷該現象為不相干現象，為I級。如果一個現象會發生，但不會對熱工水力過程產生影響，則認為其重要性較低，為L級。如果這種現象會對熱工水力過程產生影響，則需根據目前對這種現象的理解，來判斷這種現象對熱工水力過程的影響程度，對于影響程度小的，根據目前研究對其理解，將其重要性認定為L級或M級。如果這一現象會對蒸汽冷凝相關現象產生很大影響，那么需根據目前的研究成果進行判斷，假設對該現象已研究透徹，則根據實際情況認定其為M級或H級；若該現象研究不透徹，則認定其為H級。

圖2 關鍵現象識別及重要度分析方法框圖Fig.2 Flowchart of key phenomena identification and ranking analysis method

3 PIRT分析結果

安全殼卸壓排放過程與壓水堆一回路卸壓、沸水堆卸壓、蒸汽與水直接接觸冷凝等過程類似，這些卸壓及冷凝過程所涉及的部件結構及流動工質與安全殼卸壓排放過程基本一致，因此可為安全殼卸壓過程的PIRT分析提供借鑒意義。參考AP系列壓水堆一回路卸壓過程的PIRT[9]，對比相關縮放實驗及實驗研究結果[4-8,11-13]，對在安全殼卸壓排放過程中所涉及現象的重要程度進行評級，得到了安全殼卸壓排放過程的PIRT，結果列于表1、2。

表1 排放管線及鼓泡器中相關現象的PIRTTable 1 PIRT of phenomena in vent line and sparger

表2 乏燃料水池相關現象的PIRTTable 2 PIRT of phenomena in spent fuel pool

以排放管線及鼓泡器中相關現象的PIRT中的幾何尺寸現象為例，對排放管線及鼓泡器中每個現象的重要度評級過程進行舉例說明：幾何尺寸是指組件的幾何形狀、大小對流出組件的臨界流量有顯著影響的過程。鼓泡器作為排放管線的一部分，是排放管線中幾何結構最復雜的部分，鼓泡器的幾何形狀對流出組件的臨界流量有顯著影響，故安全殼卸壓排放過程中會發生復雜幾何現象。根據相關實驗[11-13]，鼓泡器的孔數、孔徑均會對水池中的高壓氣體排放產生較大影響，不同幾何結果會影響到氣體進入水池后的傳熱情況，因此該現象會影響熱工水力過程，且影響較大，故其重要度為H級。

以影響乏燃料水池中冷凝現象的鼓泡器深度為例，對乏燃料水池中每個現象的重要度評級過程進行舉例說明：鼓泡器深度會影響噴口處壓力及氣泡最大上升距離，進而影響鼓泡器的噴射流量和氣泡遷移過程，因此鼓泡器深度會影響熱工水力過程，且影響較大，故其重要度為H級。

由表1、2可看出：排放管線及鼓泡器中對安全殼卸壓排放過程影響程度較高的現象有臨界和摩擦流、兩相壓降、幾何尺寸及流動狀態；乏燃料水池中對安全殼卸壓排放過程影響程度較高的現象有冷凝、傳熱、幾何尺寸、流體混合、不凝性氣體及熱分層。

根據表1、2中的結果及相關實驗臺架搭建經驗和研究結果[4-8]，為準確表征以上過程中所涉及的現象，安全殼卸壓排放過程驗證性試驗裝置需滿足以下準則數：

式中：Eu為歐拉數，表征的是排放管線中的臨界和摩擦流、兩相壓降；Δp為排放管線進出口處壓差，Pa；ρg為排放管線內混合流體密度，kg/m3；uline為排放管線中流體表觀速度，m/s；Πb為管內流動準則數，表征排放管線中的臨界和摩擦流、兩相壓降、幾何尺寸現象；Gin為鼓泡器進口處混合氣體質量流速，kg/(m2·s)；ain為鼓泡器噴射面積，m2；τsys為系統時間縮放比值；ρp，0為穩定狀態下管道內混合流體密度，kg/m3；Vp，0為穩定狀態下管道內混合流體體積，m3；ΠG為鼓泡器噴射長度縮放準則數，表征排放管線中的鼓泡器幾何尺寸、流動狀態現象；l為氣流噴射長度，m；d為鼓泡器單孔孔徑，m；G0為鼓泡器出口處混合氣體質量流速，kg/(m2·s)；Gm為混合氣體從被噴射出到完全冷凝過程中的平均質量流速，kg/(m2·s)；Sm為運輸系數；B為冷凝驅動勢；Πd為水池中蒸汽冷凝現象準則數，表征排放管線中的鼓泡器幾何尺寸、臨界和摩擦流以及乏燃料水池中的冷凝、傳熱、流體混合現象；Qc為蒸汽凝結功率；Eg為蒸汽潛熱通量；LTR為鼓泡器淹沒深度縮放比值；Qg為混合氣體體積流量，m3/s；n為鼓泡器孔數；g為當地的重力加速度；Πe為水池排氣過程準則數，表征乏燃料水池中的熱分層、水池幾何尺寸、不凝性氣體現象；nR為鼓泡器孔數縮放比值；DJ，R為噴射區域當量直徑縮放比值；QgR為混合氣體體積流量縮放比值；Ri為理查森數；β為冷卻水的熱膨脹系數；Tg與Tl分別為混合氣體與冷卻水溫度，℃；ug為混合氣體的流速，m/s；Ls為鼓泡器到底部壁面的距離；ρl為冷卻水密度，kg/m3。

表3總結了每個準則數所針對的現象、參數及依據來源，所有準則數均參考已搭建并測試成功的實驗裝置在模擬類似過程所采用的準則數，通過現象的相似性對比，進而選取為安全殼卸壓排放過程模型實驗的縮放準則。這些準則數分別表征了PIRT分析中的重要度較高的現象，根據《AP1000的PIRT分析和模化評估報告》[9]中的要求，以上相似準則數在縮放過程中應保證在0.5～2之間，才能認為實驗裝置的縮放失真是可以接受的。

表3 縮放準則數總結Table 3 Summary of scaling criteria

4 結論

本文基于已有的PIRT和實驗研究，對大型非能動先進壓水堆安全殼卸壓排放過程進行了系統性的分析，探索性地討論了一套適用于該過程的現象識別及重要性分析方法，得到如下結果。

1) 利用開發的關鍵現象識別及重要性分析方法，得到了安全殼卸壓排放過程中排放管線和鼓泡器及乏燃料水池中相關現象的PIRT。

2) 根據安全殼卸壓排放過程的PIRT，結合類似實驗臺架的搭建經驗及實驗結果，得到了驗證性試驗裝置模擬實驗原型所需滿足的縮放準則。

根據本文的研究，給出了模擬安全殼卸壓排放過程需要滿足的準則數，為驗證性試驗裝置的搭建提供設計基礎和理論依據，為后續研究奠定了基礎。