船用堆溫度不對稱偏環路運行安全分析

張 鑫，王 坤，袁江濤

(海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

0 引 言

伴隨三哩島事故的發生，反應堆的給水喪失事故逐漸引起世界各國的高度重視[1–2]。與核電站反應堆比較，船用反應堆結構功能復雜，工況改變頻繁，蒸汽發生器給水故障發生頻率相對較高。船用堆的1 臺蒸汽發生器給水故障條件下，傳統單環路運行方案[3]輸出堆芯功率有限，為滿足航行過程中的高功率需求，操作員可通過及時干預嘗試船用堆2 條環路的溫度不對稱運行。而船用堆的蒸發器二次側水容積較小，事故發展速度較快，操作員能夠及時有效地運行干預難度較大。本文利用RELAP5/MOD3.2 程序[4]建立船用堆一維系統模型，對蒸汽發生器給水故障情況下反應堆2 條環路的溫度不對稱運行特性進行計算分析，為操作員的安全運行提供相關理論依據。

1 模型建立

船用反應堆采用單堆雙環路布置，由一回路系統和二回路系統組成，包含1 座反應堆、1 臺穩壓器、2 臺蒸汽發生器及相關的泵、閥門、管道等。正常運行過程中，穩壓器可以通過噴淋或加熱過程實現系統壓力控制；蒸汽發生器可以通過U 型傳熱管的熱傳遞作用將一回路熱量傳遞給二回路，并產生蒸汽進入汽輪器做功。

本文采用RELAP5/MOD3.2 程序對船用反應堆進行系統建模。建模過程中，對船用反應堆的一回路系統做了與實際相同的模擬，模型包含壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、主泵、管道和閥門等；對二回路系統進行簡化，僅模擬了蒸汽發生器以及相關的給水管道和蒸汽管道，并使用時間相關控制體作為給水管道和蒸汽管道的進、出口邊界條件[5–6]；主泵建模過程中，使用了RELAP5/MOD3.2 內置的主泵水力部件PUMP 進行模擬，且使用了主泵四象限類比曲線。本文建立的船用反應堆一回路系統RELAP5 熱工水力模型如圖1所示。

圖1 小型壓水堆系統控制體劃分Fig.1 Division of control bodies of small PWR system

2 給水故障分析

2.1 穩態測試

滿功率穩態運行條件下，利用RELAP5 模型計算分析船用反應堆的系統運行參數，并與反應堆的設計參數進行比較，如表1 所示。表1 中，相關運行參數進行了歸一化處理，并通過對比驗證了本文RELAP5 模型的可靠性，滿足船用堆溫度不對稱偏環路運行的安全分析需求。

表1 反應堆參數對比Tab.1 Comparison of reactor parameters

2.2 溫度不對稱運行分析

給水泵故障或給水閥門卡開導致給水流量減小，蒸汽發生器帶走熱量能力降低，反應堆堆芯功率被迫降低。1 臺蒸汽發生器故障情況下，船用反應堆的設計特點使其具備單環路運行能力，但反應堆功率不能過高。如果此時需要提供最大前進動力滿足航行需求，操作員可通過及時干預嘗試船用堆的溫度不對稱偏環路運行。溫度不對稱偏環路運行過程中，反應堆壓力容器左、右環路的冷卻劑出口溫度和流量相等，而異常環路一次側的壓力容器進口溫度升高，存在運行參數超出安全運行限值的可能。因此需利用理論分析方法得到船用堆溫度不對稱運行的系統特性，為操作員的安全運行提供相關理論依據。

本文RELAP5 模型的計算初始條件和干預措施如下：1）船用堆的初始穩態運行功率為76% 額定功率；2）1 500 s 后，系統異常環路的給水閥門卡開，蒸汽發生器可維持最大給水流量分別為初始流量的40%，60%，80%，同時二回路的蒸汽流量調節閥自動響應動作使二回路負荷降低；3）運行至1 505 s 時，操作員開始根據異常環路蒸汽發生器的最大給水流量，及時降低反應堆功率，使反應堆功率對應下降至初始功率的70%，80%，90%（堆芯功率對應于反應堆左、右環路2 臺蒸汽發生器維持給水流量）。

船用堆轉換溫度不對稱偏環路運行過程中，一回路堆芯功率、壓力容器進出口溫度隨時間的變化情況分別如圖2～圖5 所示。圖中相關參數均根據初始運行值進行了歸一化處理，即動態值/初始值。

圖2 反應堆堆芯功率Fig.2 The core power of the reactor

圖3 壓力容器正常環路側進口溫度Fig.3 The inlet temperature of the normal loop side of the pressure vessel

圖4 壓力容器出口溫度Fig.4 Outlet temperature of pressure vessel

圖5 壓力容器異常環路側進口溫度Fig.5 The inlet temperature of the abnormal loop side of the pressure vessel

由圖2 和圖3 可知，船用堆轉換溫度不對稱偏環路運行過程中，壓力容器出口冷卻劑溫度和正常環路進口冷卻劑溫度均降低，且溫度降低幅值與蒸汽發生器可維持最大給水流量的減少幅值成正相關。由圖4可知，船用堆轉換溫度不對稱偏環路運行過程中，壓力容器異常環路進口冷卻劑溫度升高，溫度升高幅值與蒸汽發生器可維持最大給水流量的減少幅值成正相關。當蒸汽發生器可維持最大給水流量為40%時，異常環路冷卻劑進口溫度出現較大波動，此時壓力容器左、右環路兩進口冷卻劑溫度偏差最大，最大值為13.32℃；而蒸汽發生器可維持最大給水流量為60%時，壓力容器左、右環路兩進口冷卻劑最大溫差為9.27℃。

這是由于船用堆轉換溫度不對稱偏環路運行時（1 500 s），堆芯功率降低使壓力容器出口冷卻劑溫度降低，開始階段正常環路一側蒸汽發生器帶走熱量的能力不變，導致正常環路壓力容器進口冷卻劑溫度降低；而異常環路一側蒸汽發生器帶走熱量能力降低，導致異常環路的壓力容器進口冷卻劑溫度升高，因此壓力容器左、右環路的進口冷卻劑溫度出現較大偏差。

船用堆轉換溫度不對稱偏環路運行過程中，二回路蒸汽發生器壓力、水位以及一回路穩壓器壓力、水位隨時間的變化情況分別如圖6～圖9 所示。

圖6 異常環路蒸汽發生器壓力Fig.6 Pressure of abnormal loop steam generator

圖7 異常環路蒸汽發生器水位Fig.7 Water level of abnormal loop steam generator

圖8 穩壓器內部壓力Fig.8 The internal pressure of the pressurizer

圖9 穩壓器內部水位Fig.9 The internal water level of the pressurizer

由圖6 可知，船用堆轉換溫度不對稱偏環路運行過程中，異常環路蒸汽發生器壓力升高，升高幅值與蒸汽發生器可維持最大給水流量成負相關，其中異常環路SG 維持40%給水流量條件下蒸汽發生器內部壓力較高，且壓力、溫度均存在較大波動現象。由圖7可知，船用堆轉換溫度不對稱偏環路運行過程中，異常環路蒸汽發生器水位降低，降低幅值與蒸汽發生器可維持最大給水流量成正相關。這是由于蒸汽發生器給水流量下降較多時，汽水分離器的疏水溫度較高，當疏水與給水混合后會產生大量蒸汽；大量蒸汽的產生使蒸汽發生器內部壓力升高、水位降低，從而出現了壓力、溫度的波動現象，而系統壓力、溫度的波動現象不利于運行的控制和穩定，應該盡量避免這種現象的出現。

由圖8 和圖9 可知，穩壓器的壓力和水位均隨蒸汽發生器給水流量的減少而降低，且壓力和水位的減小幅值與最大給水流量的減少幅值具有正相關性。這是由于反應堆壓力容器出口冷卻劑溫度降低產生負的流量通過波動管流出穩壓器，導致穩壓器內部壓力逐漸降低，同時水位逐漸降低。

3 結 語

本文利用RELAP5/MOD3.2 程序建立船用反應堆系統的一維模型，對蒸汽發生器給水故障引起的反應堆溫度不對稱運行進行計算分析，得到如下結論：

1）蒸汽發生器給水故障且可維持的最大給水流量小于40%時，船用堆轉換2 條環路溫度不對稱運行過程中，異常環路的蒸汽發生器壓力、溫度會存在較大波動，不利于運行的控制和穩定。此時操作員應該及時切斷異常環路實現單環路運行。

2）蒸汽發生器給水故障且可維持的最大給水流量為60%時，船用堆轉換2 條環路溫度不對稱運行過程中，壓力容器左、右環路兩進口冷卻劑最大溫差為9.27℃，與其余相關系統運行參數均滿足安全運行限值要求，此時操作員可及時根據故障蒸汽發生器可維持的最大給水流量降低反應堆功率，實現溫度不對稱偏環路運行確保為航行提供最大動力。

3）蒸汽發生器給水故障，船用堆轉換2 條環路溫度不對稱運行時，操作員應注意反應堆功率的調節，密切關注異常環路蒸汽發生器壓力、水位變化，防止出現超壓。