模塊式小堆化容系統上充特性研究

何 婷 張 翔 曾 暢

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

0 引言

化學和容積控制系統是核電廠重要的核輔系統之一，在電廠正常運行時，通過下泄和上充補水功能保持反應堆冷卻劑系統的水裝量和穩壓器水位， 并對反應堆冷卻劑進行凈化，維持反應堆冷卻劑的水化學指標。

本文介紹了模塊式小堆化學和容積控制系統的系統方案， 利用一維流體仿真軟件對系統的流量特性進行了分析，為系統的設計和優化提供數據支撐。

1 系統方案概述

模塊式小堆化學和容積控制系統由凈化回路和補水回路兩大部分所組成， 凈化回路全部位于安全殼內，其設計壓力與反應堆冷卻劑系統一致。 凈化回路與補水回路一起， 維持反應堆冷卻劑的水裝量和水化學指標。 由于反應堆冷卻劑全部在安全殼內的凈化回路中循環， 降低了反應堆冷卻劑向安全殼外釋放的風險。 模塊式小堆的化學和容積控制系統流程如圖1所示。

圖1 化學和容積控制系統流程示意圖

2 系統運行方案研究

2.1 容積控制

在反應堆正常運行期間，穩壓器水位維持在正常運行水位，當一二回路功率和負荷不匹配、一回路泄漏、一回路取樣等工況下，一回路水容積的膨脹和收縮，會導致穩壓器水位的變化。 通過開啟下泄管線或投入上充補水泵來保持反應堆冷卻劑系統的水裝量，并維持穩壓器處于正常水位。

2.2 化學控制

反應堆冷卻劑經再生式熱交換器降溫，然后進入下泄熱交換器進一步降低至50℃以下，經過離子交換樹脂床和過濾器，再經過再生式熱交換器升溫后返回一回路。 凈化回路全部位于安全殼內，根據已運行的壓水堆凈化流量的統計， 凈化系統流量按10～15 h將一回路的水循環凈化一遍來設計，通過凈化回路保持反應堆冷卻劑的水質和放射性水平在規定范圍內[1]。

2.3 反應性控制

在反應堆電廠啟動期間，對反應堆冷卻劑硼濃度進行稀釋操作，反應堆停運期間增加硼濃度，并在整個燃料循環期間按計劃進行硼濃度調節，補償燃耗時調節硼濃度，滿足反應性控制要求。

2.4 其他功能

化學和容積系統不屬于專設安全系統，但由于其具備一定的補水能力，可用于執行事故下的縱深防御功能。當反應堆冷卻劑系統發生儀表管破裂等小泄漏時，化學和容積系統向反應堆冷卻劑系統補水和維持穩壓器水位，以此防止或推遲安全級系統的動作。

3 運行特性研究

3.1 系統建模

采用流體仿真軟件Flowmaster建立化學和容積控制系統仿真模型，其中與反應堆冷卻劑系統連接的下泄和上充位置，采用壓力邊界進行模擬，離子交換樹脂床采用阻力件進行模擬。

3.2 補水運行特性

一回路發生破口時， 反應堆冷卻劑系統壓力降低，化學和容積控制系統自動投入補水泵，補充喪失的反應堆冷卻劑。假設失水發生后100 s內反應堆冷卻劑系統壓力從15 MPa降低至10 MPa，本節的計算主要用于獲取化學和容積控制系統的上充補水能力。

圖2的結果表明， 化學和容積控制系統的補水能力隨著一回路壓力的降低而升高，只投入一臺補水泵時，初始的最小補水能力為8.5 t/h，當一回路壓力降低至10 MPa時，最大補水能力為13 t/h。投入兩臺補水泵時，初始的最小補水能力為17 t/h，當一回路壓力降低至10 MPa時，最大補水能力為25 t/h。

圖2 化學和容積控制系統補水流量特性

圖3 的結果表明，當補水回路投入時，會對凈化回路的流量產生影響，隨著補水流量的增加，凈化流量將會受到一定的抑制而逐漸減少，且兩臺補水泵投入時對凈化流量的抑制作用大于一臺補水泵。

圖3 化學和容積控制系統凈化流量特性

由于化學和容積控制系統具備一定的補水能力，當發生類似儀表管破裂的事故時， 自動進行上充補水，可以彌補微小破口帶來的一回路泄漏防止專設安全系統的投入或者延遲專設安全系統投入觸發時間，由于降低了非必要的緊急停堆次數，在一定程度上提高了小堆的安全性和經濟性。

4 結語

本文對模塊化小堆化學和容積控制系統的功能和系統流程進行了介紹，并對化學和容積控制系統進行了系統仿真， 獲得了系統的上充補水的運行特性，可為后續系統的運行及優化設計提供支持。