核電站乏燃料池虹吸破壞效應實驗研究

蘇 夏，崔滿滿，程會方

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

核電站的乏燃料貯存在乏燃料池中，池水的容積用于確保乏燃料組件的貯存安全，包括衰變熱導出和輻射屏蔽。核電站乏燃料池設有池水循環冷卻系統，用來降低池水溫度，同時導出乏燃料的衰變熱。為了達到充分、均勻的冷卻效果，冷卻系統的吸水管和回水管盡量布置在乏燃料池的對角位置，同時回水管線盡量深入乏燃料池內部。如果回水管線池外部在較低位置發生了破口，池水容積就會由于虹吸效應而持續流失，威脅乏燃料組件的貯存安全。工程上通常在回水管線適當位置開一個破虹吸孔，當液位下降到破虹吸孔高度時，大氣通過開孔與管內流動混合形成兩相流，破壞虹吸流負壓，阻斷管內水流，以達到虹吸破壞效果。破虹吸孔的尺寸是成功斷流的關鍵因素。

J. Howard Arthur［1］等對小尺寸管道的虹吸破壞進行了實驗研究和分析計算，但國內各核電廠乏燃料池回水管線的管徑通常在DN80～DN250之間，小尺寸管內兩相流動的相關經驗關系式并不能很好地預測實際工程。鄭伊蕓［2］等通過實驗的方式對低壓系統中非能動虹吸破壞進行了機理研究，區分了豎直下降兩相流的4種流型。在數值模擬方面，岳芷廷［3］等針對49-2池式反應堆的265 mm主管道雙端斷裂事故，使用RELAP5建模分析了破虹吸孔的虹吸破壞過程。馮健［4］等使用RELAP5對某電廠乏燃料池的虹吸破壞管的安全性進行了驗證分析，表明現有的虹吸管設計能保證乏燃料池的安全。綜上所述，工程上大尺寸虹吸管道內氣液兩相流動問題較為復雜，目前還沒有足夠精確的計算模型或實驗結果可以直接用于指導工程的設計。而核電領域中有關虹吸破壞的研究多采用數值模擬的方法分析具體問題，缺乏工程尺度上的實驗研究。

本文采用1∶1的實驗臺架，在核電廠乏燃料池常用管徑范圍內，對破虹吸孔的作用效果開展實驗研究，并進一步研究高差、管徑、阻力等影響因素對虹吸破壞效果的影響，給出推薦的臨界孔徑及相關因素的影響關系，用于指導核電站乏燃料池或類似大水池的虹吸破壞設計。

1 實驗描述

1.1 電廠設計

國內各核電廠乏燃料池回水管線的管徑通常在DN80～DN250之間，管線的布置一般包含上升段、水平段、下降段、各類彎管/彎頭以及必要的閥門。圖1給出了某核電站典型乏池回水管線的立體圖。回水管線在乏燃料池外的布置一般連續向下，管道破口則假定位于管線布置的最低點。根據工程經驗，核電站乏燃料池破虹吸孔徑一般取25 mm，而孔的標高位置則無明確規定，破虹吸孔與管道破口之間的高差ΔH最多可達到15 m，在工程條件下，該高差下的虹吸流量預計會達到約1200 m3/hr。

圖1 某核電站乏燃料水池管線示意圖Fig.1 Layout of spent fuel pool return line

1.2 實驗裝置

虹吸破壞實驗裝置如圖2所示。實驗裝置由模擬乏池的水箱、1∶1管徑的回水管線、阻力孔板、出口閥門、給水泵以及相關的流量、液位和壓力儀表組成。乏燃料池回水管線的管路布置較為復雜，實驗中不便1∶1模擬，因此使用孔板來模擬管線阻力，某電廠回水管線的阻力件主要包括：1個DN150蝶閥、1個200×150大小頭、11個DN200彎管/彎頭以及直管。孔板設置于實驗管道出口處，可更換。實驗還設計了多個孔板模擬不同管線阻力，以拓展研究管線阻力大小對虹吸破壞效果的影響，例如表3中的孔板2，模擬了某電廠的實際管線阻力，其余孔板用于拓展研究。出水口由閥門進行開關控制，模擬管道破口工況。實驗時監測模擬水箱的液位、回水管的流量、下降直管段的壓降和孔板處的局部壓降。

圖2 虹吸破壞實驗裝置示意圖Fig.2 Experiment facility for siphon breaking research

1.3 實驗工況

實驗的目的是在改變管徑、阻力和高差的條件下，研究有效破壞虹吸流動所需的臨界孔徑（最小孔徑）。出于工程實施考慮，孔徑以Φ25 mm為起始，5 mm為一個階梯遞增，直至可以成功實現虹吸破壞。通常虹吸破壞后的穩定液位低于破虹吸孔的標高，兩者之間的高差稱為安全液位高差Δh，認為安全液位高Δh差小于1 m是判定虹吸破壞成功的準則，同時也滿足工程實際的要求。表1中列出了實驗工況范圍，由于各電廠乏燃料池回水管線的管線布置、閥門類型、儀表數量等設計差異較大，實驗中為每種管徑的回水管線設計了一組孔板，用來模擬不同阻力系數ξ。

表1 實驗工況范圍Table 1 Experimentcondition

2 實驗結果分析

2.1 虹吸破壞的過程

圖3給出了虹吸破壞過程的流量和液面高度隨時間的變化曲線。出口閥門開啟后，模擬水箱中的水從下降管流出，流量快速上升到約1180 m3/h，并維持了大約15 s的穩定階段，此時管內是單相流動，隨著水箱液位降低，流量略有下降。當36 s左右液位下降到破虹吸孔位置時，空氣從破口進入管道，并被下降流夾帶形成兩相流，流量曲線突然下降，此時對應的兩相流態可能是泡狀流［5］。至50 s左右，流量下降趨勢明顯減緩，這是因為隨著液位高度逐漸下降和含氣率不斷升高，下降流的夾帶作用減弱［5］，隨后虹吸流量進一步下降，當水箱液位下降至足夠低時，驅動壓頭不能繼續維持虹吸流動，流量快速降為零，虹吸破壞成功。

圖3 虹吸破壞曲線圖DN250，孔徑35 mm，孔板2，ΔH=15 mFig.3 Flow rate and water level：DN250，hole diameter 35 mm，orifice 2，ΔH=15 m

圖4給出了下降直管段的壓降曲線。出口閥門開啟后，隨著下降流量快速上升，直管段壓降快速增加，然后下降到一個穩定階段，這是由于下降段中的殘余氣體被排出，流動回到了穩定的單相流狀態。在36 s左右，液位降低到虹吸孔露出水面，空氣被動進入管道，開始形成氣液兩相流，沿程阻力增加，阻力曲線上升。至120 s左右，虹吸破壞成功，流動停止，直管段壓降最終保持為引壓管內的重力壓降。

圖4 虹吸破壞曲線圖——4 m直管段壓降曲線DN250，孔徑35 mm，孔板2，ΔH=15 mFig.4 Pressure drop of verticalpipe DN250，hole diameter 35 mm，orifice 2，ΔH=15 m

2.2 臨界虹吸孔徑

表2給出了不同阻力特性條件下實驗得到的臨界破虹吸孔徑。實驗結果表明，在15 m高差范圍內，對于DN80和DN150的回水管線，工程常用的25 mm破虹吸孔即可在最不利的管線阻力特性（無阻力孔板）下有效阻斷虹吸流動，并且安全液位高差Δh符合≤1 m的要求。其中DN80管線的最終破虹Δh為0.12 m，DN80管線的最終虹吸破壞Δh為0.66 m。

表2 臨界破虹吸孔徑實驗結果（ΔH=15 m）Table 2 Critical diameter of siphon break hole

從表3中可以看出，回水管線管徑越大，虹吸破壞所需的臨界孔徑越大，而管線阻力的作用則相反。這是因為流速降低時，對空氣的夾帶作用也相應減弱，由破虹吸孔進入流體的空氣更容易聚合，中斷了連續的虹吸流動。對于DN250的大尺寸管道，即使在最大管線阻力下，也需要設置至少35 mm的破虹吸孔。

表3 臨界破虹吸孔徑實驗結果Table 3 Critical diameter of siphon break hole

以DN200、孔板2工況的實驗結果分析高差ΔH對臨界破虹吸孔徑的影響（表4），管道最低點破口與虹吸孔之間的高差越大，重力勢能差產生的虹吸驅動力越強，虹吸破壞所需的臨界孔徑就越大。在相同的管徑和阻力條件下，ΔH為15 m所需的臨界破虹吸孔徑比12 m大一檔（大5 mm）。

表4 不同ΔH下的臨界虹吸孔徑實驗結果Table 4 Critical diameter of siphon break hole under different ΔH

2.3 影響因素分析

綜上所述，本文認為安全液位高差Δh小于1 m即可滿足核電站乏燃料池的設計要求，但工程實際中部分核電廠乏燃料池的Δh裕量可能小于1 m，需要更快的虹吸破壞進程。上文實驗結果表明：在其他條件相同時，破虹吸孔孔徑越大，虹吸破壞過程越迅速，Δh就越小。本節以DN200，ΔH=15 m/12 m工況為例，分析Δh與破虹吸孔徑Φ之間的關系，以及Δh與管線阻力之間的關系。

圖5給出了DN200，ΔH=15 m工況的實驗結果：相同阻力孔板的條件下，破虹吸孔徑越大，安全液位高差Δh就越小，兩者之間呈典型的冪指數遞減關系，且在不同阻力條件下的遞減趨勢一致。

圖5 虹吸孔徑與安全液位高差的關系：DN200，ΔH=15 mFig.5 Effect of Critical diameter on the undershooting height：DN200，ΔH=15 m

圖6給出了不同高差下，安全液位高差Δh與破虹吸孔徑之間的關系。從圖中可以看出，12 m高差和15 m高差情況下，兩者之間的趨勢具有很好的一致性，均呈冪指數遞減關系。

圖6 虹吸孔徑與安全液位高差的關系：DN200，孔板2Fig.6 Effect of Critical diameter on the undershooting height：DN200，orifice 2

工程中安全液位高差裕量不足時，可通過調整破虹吸孔徑，確保虹吸破壞成功時的最終液位滿足乏燃料池的安全要求。

圖7給出了不同破虹吸孔尺寸條件下，安全液位高差Δh與管線阻力系數的關系。管徑和高差ΔH不變時，回水管線上的阻力件（如閥門、彎頭等）越多，阻力越大，管內虹吸流越容易被破壞。因為流動會在阻力的作用下放緩，使空氣的夾帶作用減弱［6］，兩相流中的氣泡更容易聚合，連續的虹吸流動更容易被打斷。安全液位高差Δh與管線阻力之間呈對數遞減關系。

圖7 管線阻力與安全液位高差的關系：DN200，ΔH=15 mFig.7 Effect of line resistance on the undershooting height：DN200，ΔH=15 m

3 結論

本文對核電站乏燃料池回水管線上破虹吸孔的虹吸破壞效應進行了實驗研究，并對虹吸破壞效果的影響因素進行了分析，得出以下結論：

（1）在破虹吸孔與管道破口之間的高差≤15 m時，對于DN80和DN150的回水管線，工程常用的25 mm的破虹吸孔即可在最小的管線阻力下（無阻力孔板）有效阻斷虹吸流動，且安全液位高差Δh符合≤1 m的要求。

（2）破虹吸孔與管道破口之間的高差是驅動虹吸流的驅動力，高差越大，臨界孔徑就越大。

（3）安全液位高差Δh受管線阻力和破虹吸孔徑大小的影響。Δh與虹吸孔徑之間呈典型的冪指數遞減關系，與管線阻力系數之間呈對數遞減關系。