BETHSY綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架LOCA工況模擬計(jì)算研究

陳 偉 鮑 輝 吳 清 杜 鵬 吳增輝

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213）

在壓水堆核電廠的設(shè)計(jì)中，失水事故（LOCA）是設(shè)計(jì)方和安全監(jiān)管部門(mén)關(guān)注的重點(diǎn)。由于LOCA事故瞬態(tài)過(guò)程劇烈、現(xiàn)象復(fù)雜、后果嚴(yán)重，難以在真實(shí)反應(yīng)堆上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，往往需要建設(shè)縮比實(shí)驗(yàn)臺(tái)架來(lái)開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)設(shè)計(jì)使用的分析程序進(jìn)行驗(yàn)證，最終基于分析程序的模擬計(jì)算，來(lái)證明實(shí)堆在事故下的安全性。

華龍一號(hào)是中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)開(kāi)發(fā)的、具備能動(dòng)與非能動(dòng)相結(jié)合安全設(shè)計(jì)特征的三代核電技術(shù)。對(duì)于LOCA事故的應(yīng)對(duì)，由于安注泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程的降低，為確保安注水在事故下的有效注入，采取二回路大氣釋放閥的開(kāi)啟（快速冷卻）功能來(lái)實(shí)現(xiàn)一回路的快速降壓。

本文針對(duì)華龍一號(hào)快速冷卻功能設(shè)計(jì)這一背景，選取能有效表征這一瞬態(tài)過(guò)程的BETHSY臺(tái)架9.1b實(shí)驗(yàn)工況，基于自主化程序ARSAC開(kāi)展模擬分析，研究ARSAC程序?qū)υ撌鹿尸F(xiàn)象模擬的合理性。

1 BETHSY臺(tái)架介紹

BETHSY是法國(guó)搭建的用于研究3環(huán)路900 MWe壓水堆安全特性的綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。與原型反應(yīng)堆相比，BETHSY臺(tái)架對(duì)每個(gè)控制體積、質(zhì)量流量和功率的總體模擬比例因子約為1/100；而為了保證重力壓頭一致，高度按1/1比例模擬。堆芯功率限制在名義值的10%，即用428根總功率3MW的加熱棒來(lái)組成堆芯。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)工況覆蓋整個(gè)主回路壓力（0.1~17.2 MPa）、二回路壓力（0.1~8 MPa）和相應(yīng)的流體溫度。堆芯電加熱棒的溫度可達(dá)1 000℃，為了研究冷卻系統(tǒng)受損條件下的恢復(fù)過(guò)程，裝置結(jié)構(gòu)體（壓力容器和管道）設(shè)計(jì)成可耐高溫、高壓（600℃，10 MPa以下）。

BETHSY實(shí)驗(yàn)裝置包括主回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)以及相關(guān)安全輔助系統(tǒng)。其中，主回路系統(tǒng)有壓力容器和三個(gè)獨(dú)立環(huán)路，壓力容器內(nèi)包含電加熱棒和一個(gè)外部下降段，每個(gè)環(huán)路設(shè)有主泵和U形管蒸汽發(fā)生器（SG）。安全系統(tǒng)包括高低壓安注、安注箱、輔助給水系統(tǒng)和蒸汽釋放閥等。整個(gè)主回路系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器設(shè)有再熱器補(bǔ)償熱損失。圖1給出了BETHSY實(shí)驗(yàn)裝置一回路系統(tǒng)布置示意圖。

圖1 BETHSY實(shí)驗(yàn)裝置一回路系統(tǒng)布置圖

2 9.1b實(shí)驗(yàn)工況

9.1b實(shí)驗(yàn)工況研究在1#環(huán)路冷管段發(fā)生尺寸為5.08 cm的破口事故時(shí)，高壓安注系統(tǒng)失效并且二回路降壓操作延遲的情形。由于堆芯溫度不斷上升，當(dāng)最熱加熱棒達(dá)到450℃時(shí)，大氣釋放閥全開(kāi)使一、二回路快速降壓。當(dāng)一回路壓力降至4.2 MPa時(shí)，安注箱開(kāi)始觸發(fā)，向主回路注入大量安注水，直到壓力低于1.46 MPa。當(dāng)壓力低于0.91 Mpa時(shí)，低壓安注系統(tǒng)觸發(fā)。當(dāng)余熱排出系統(tǒng)投入并穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，實(shí)驗(yàn)瞬態(tài)結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)中為了模擬燃料棒余熱，堆芯功率由預(yù)先計(jì)算的時(shí)間演變控制。當(dāng)緊急停堆后，延遲17 s后，堆芯余熱開(kāi)始衰減。為了代表反應(yīng)堆主泵惰轉(zhuǎn)，BETHSY臺(tái)架根據(jù)預(yù)先計(jì)算的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化來(lái)控制主泵，在實(shí)驗(yàn)中，主泵在安注信號(hào)觸發(fā)300 s后停運(yùn)。

表1給出了9.1b實(shí)驗(yàn)工況的主要事件進(jìn)程，其中第2 567 s大氣釋放閥全開(kāi)，能夠近似表征華龍一號(hào)在LOCA事故下的“快速冷卻”功能，此時(shí)的關(guān)鍵現(xiàn)象為熱管段和SG傳熱管處的冷凝回流及回流流動(dòng)極限現(xiàn)象（CCFL）。

表1 BETHSY臺(tái)架9.1b實(shí)驗(yàn)工況主要事件序列

3 ARSAC程序及模型

ARSAC是由中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院自主開(kāi)發(fā)的用于壓水堆熱工水力響應(yīng)特性分析的系統(tǒng)程序。ARSAC程序以汽液兩相非均勻流和非平衡態(tài)流體動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，可求解含不可凝氣體非均衡熱力狀態(tài)汽液兩相流傳熱問(wèn)題。該程序中建立了大量通用部件模型和特殊過(guò)程模型，用于構(gòu)造簡(jiǎn)單或各種復(fù)雜的系統(tǒng)回路，具備壓水堆穩(wěn)態(tài)工況、正常運(yùn)行瞬態(tài)工況、非失水的事故工況和失水事故工況分析能力。

根據(jù)BETHSY實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立ARSAC程序的分析模型。模型包括一、二回路的主要部件，也包括主要的安全系統(tǒng)部件。一回路部件包含壓力容器、蒸汽發(fā)生器、冷管道、熱管道、主泵、穩(wěn)壓器；二回路部件包含蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，汽水分離器、干燥器、給水管道等。其中，壓力容器內(nèi)部件主要包含壓力容器進(jìn)口部分、上腔室旁流、下降段、壓力容器底部、下腔室、堆芯進(jìn)口部分、堆芯、堆芯旁流、堆芯出口、上腔室、導(dǎo)向管、上封頭等。

在進(jìn)行瞬態(tài)分析前先進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)試以模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前BETHSY臺(tái)架的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。表2給出了ARSAC計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的主要熱工水力參數(shù)值的對(duì)比，二者符合很好，說(shuō)明ARSAC程序建立的模型具備模擬BETHSY臺(tái)架的能力。

表2 ARSAC模型穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

4 9.1b實(shí)驗(yàn)工況模擬分析

對(duì)于BETHSY臺(tái)架9.1b實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行模擬計(jì)算的目的是評(píng)估系統(tǒng)程序是否能夠合理模擬中破口失水事故各種現(xiàn)象的能力，包括：系統(tǒng)卸壓、環(huán)路水封、CCFL、堆芯裸露、燃料棒溫度等。對(duì)于關(guān)鍵的CCFL現(xiàn)象，采用以下關(guān)系式形式進(jìn)行模擬：

式中，Hg為無(wú)量綱汽相通量；Hf為無(wú)量綱液相通量；C為汽相截距；m為斜率。

在瞬態(tài)計(jì)算分析中，模擬了1號(hào)環(huán)路冷管段上5.08 cm的破口，堆芯余熱、主泵停運(yùn)及轉(zhuǎn)速、各種系統(tǒng)的動(dòng)作邏輯、給水流量等根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況進(jìn)行假設(shè)。下面針對(duì)中LOCA事故相關(guān)的重要參數(shù)變化，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果和程序計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析。

4.1 一、二回路壓力

圖2和圖3為一、二回路壓力變化趨勢(shì)的對(duì)比結(jié)果，破口打開(kāi)后一回路快速卸壓，由于堆芯熱量導(dǎo)出受限，一、二回路壓力穩(wěn)定在7.0 MPa，隨后由于大氣釋放閥全開(kāi)，一回路壓力跟隨二回路快速下降。可以看到二者趨勢(shì)基本一致，模擬效果較好。

圖2 一回路壓力變化對(duì)比

圖3 二回路壓力變化對(duì)比

4.2 破口質(zhì)量流量

圖4為破口流量的對(duì)比結(jié)果，破口流量主要受限于一回路冷卻劑狀態(tài)和一回路的壓力，可以看出二者在時(shí)間進(jìn)程上有稍微的差異，但流量變化趨勢(shì)和變化幅度基本一致。

圖4 破口流量變化對(duì)比

4.3 壓力容器液位

圖5為壓力容器液位的對(duì)比結(jié)果，該參數(shù)表征事故后一回路的水裝量，并直接影響燃料包殼溫度。CCFL現(xiàn)象直接影響冷凝回流量，進(jìn)而影響壓力容器內(nèi)的水裝量，圖中可以看到，大氣釋放閥全開(kāi)后直至壓力容器出現(xiàn)最低液位，這期間的參數(shù)符合較好。

圖5 壓力容器液位變化對(duì)比

4.4 燃料棒包殼溫度

圖6是燃料包殼溫度的對(duì)比結(jié)果，可以看到計(jì)算結(jié)果得到的溫度峰值時(shí)間與實(shí)驗(yàn)值一致，且高于實(shí)驗(yàn)值，表明了模擬結(jié)果的保守性。

5 結(jié)論

本文基于自主化程序ARSAC針對(duì)BETHSY臺(tái)架的9.1b實(shí)驗(yàn)工況（中破口實(shí)驗(yàn)）開(kāi)展了模擬計(jì)算分析，主要結(jié)論如下：

（1）ARSAC程序能夠有效模擬壓水堆的中LOCA事故，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合性較好；

（2）ARSAC程序較好模擬了大氣釋放閥“快速冷卻”功能在中LOCA事故中的效果；

（3）模擬計(jì)算得到的燃料包殼峰值溫度相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果具備明顯的保守性。