深水池式低溫堆供熱堆系統準確實時仿真技術研究＊

祁琳 姜強 李宗洋 吳明宇 劉天才

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413 2.中核戰略規劃研究總院，北京 100048）

按照建模對象的尺度，通常將熱工水力仿真程序分為系統仿真程序、部件尺度分析程序和局部尺度分析程序[1]。系統仿真程序可以較為準確地模擬系統宏觀參數的響應特性，但是由于系統尺度的模擬采用一維流動與傳熱模型，只能得到流動截面的平均參數，對帶有明顯多維流動特征的區域不適用，不能達到安全分析的需求。因此在模擬低溫供熱堆的運行狀態時，為了滿足仿真所需的精度，需進行不同尺度程序的耦合計算。

本文通過并行耦合技術，實現基于vPower的低溫供熱堆系統仿真程序與COBRA-EN程序的耦合，并模擬了一些運行工況。

一、DHR-200系統仿真程序

DHR-200系統仿真程序采用圖形化建模方法，基于商業仿真支撐平臺vPower[2]建立，使用表1所示的設備模塊來搭建系統仿真模型，其中包含堆芯、水池、換熱器、水泵、閥門、管道等設備和部件，分別構成了堆水池系統、一/二/三回路系統、池內/外余冷系統模型，如圖1所示。

圖1 DHR-200系統仿真模型Figure 1 System simulation model of DHR-200

表1 DHR-200主要設備及部件Table1 Main equipment and components of DHR-200

二、基于COBRA-EN的子通道分析程序

子通道分析程序不僅可以進行穩態計算，也可以進行瞬態計算，此時須將功率、入口流量、入口溫度等作為瞬態函數的形式輸入原程序進行瞬態的計算[3]。

1.換熱模型

根據低溫供熱堆的運行參數范圍——常壓、溫差、含汽率，大流量區（Re ＞2300）的過冷水換熱模型使用格尼林斯基gnielinski修正佩圖霍夫petukhov公式[4]，小流量區（Re ＞2300）的過冷水換熱模型使用米海耶夫meheev公式[5]。

對于過冷沸騰和飽和沸騰區域，使用chen公式[6]：

2.CHF模型

根據低溫供熱堆的運行參數范圍選用Shim模型[7]，但Shim公式水管內流動公式，將其用于棒束通道的計算前需要做適當的修正：

3.子通道模型

200MW低溫供熱堆堆芯組件內的燃料棒數目為289，子通道數目為324，軸向控制體數目為43，芯塊徑向節點數目為5，定位格架位置數目為8，定位格架類型數目為3。

三、耦合方法

1.并行耦合方法

由于vPower仿真平臺為商業軟件，只能通過用戶自定義函數進行編程，因此只能采用并行耦合方法，將兩個程序獨立編譯、獨立運行，通過編寫耦合接口在計算區域的邊界實現程序間數據傳遞與交換，既保持了原有程序的結構和功能，又便于升級維護[8]。

2.耦合機制

本研究中使用的耦合機制為系統仿真程序到子通道分析程序的單向耦合，待保護參數和控制邏輯設計完成后，可實現雙向耦合。耦合機制如下圖所示。

圖2 耦合機制Figure2 Coupling mechanism

四、工況模擬

1.穩態運行工況

模擬了低溫供熱堆第一循環堆芯壽期初不同功率水平下的額定運行工況，部分關鍵參數的計算結果如表2所示。

表2 DHR-200穩態工況仿真數據Table 2 Steady state simulation data of DHR-200

根據以上參數得出熱工水力設計流量對應的堆芯進出口溫度隨功率的變化如下圖右所示，圖左為第一循環堆芯進出口溫度隨反應堆功率的變化設計曲線。

圖3 堆芯進出口溫度隨功率的變化Figure 3 Core inlet and outlet temperature changes with power

可以看出，與設計值相比，慢化劑平均溫度隨功率水平的變化趨勢完全吻合，但是在低功率下運行時堆芯入口溫度的仿真值偏高，這是由于功率降低后一二回路換熱器冷熱側進出口溫差均減小，但仍需保持一定的逆流換熱溫差，即換熱器熱側進口溫度高于冷側出口溫度，熱側出口溫度高于冷側進口溫度，（根據設計，一二回路換熱器的算術平均溫差δ12=4.5℃，二三回路換熱器的算術平均溫差δ23=3.5℃），因此各換熱器熱側進口溫度無法下降過多，所以熱側進口溫度略微上升。

2.斷電ATWS事故

本研究為了評估DHR-200的安全性，考慮其應對“三無事故”的能力。這里的“三無事故”，即斷電ATWS，同時余熱冷卻系統也不能投入。計算中采用的假設如下：

（1）反應堆初始處于額定滿功率狀態；

（2）全廠斷電后，假設泵的惰轉時間常數為15s，最終轉速降為0；

（3）停堆系統不動作，余熱排出系統不投入。

仿真系統部分關鍵參數的響應如圖4所示。

圖4 斷電ATWS工況下系統的響應Figure 4 System response under power off ATWS condition

事故發生后，一回路泵由于失去電源惰轉，堆芯流量迅速下降，燃料棒和慢化劑溫度升高，引入的負反應性使反應堆功率迅速下降。之后隨著堆芯自然循環的建立，反應堆功率等參數的變化速度都逐漸減慢，水池各層的溫度也慢速上升。從圖4可以看出，燃料棒最高溫度發生在斷電的10s之內，這是因為此時堆芯流量降低了而功率仍保持在較高的狀態，慢化劑最高溫度發生在斷電的15s之內，這是燃料棒和慢化劑之間傳熱滯后引起的。

五、結果分析

本文首次針對200MW低溫供熱堆開展多尺度仿真研究。通過模擬各穩態運行工況并與設計資料比對，表明該仿真系統具有一定的準確度；通過模擬斷電ATWS工況，表明該仿真系統能夠對事故進行模擬計算，并且能較為合理地模擬出所關注參數的變化趨勢。因此本文中建立的系統級和部件級仿真模型以及耦合機制是合理的，且能夠提升工況分析的精度。