基于RELAP5-3D鈉物性模型改造及驗(yàn)證

摘要：為使RELAP5-3D程序計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，誤差更小，在保證程序使用方法不變的前提下，采用新的鈉物性模型對(duì)程序進(jìn)行改造，并選用EBR-Ⅱ反應(yīng)堆SHRT-45R基準(zhǔn)題對(duì)改造后程序進(jìn)行驗(yàn)證，比較兩次計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值誤差大小。結(jié)果顯示：改造后程序計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果相符，與改造前計(jì)算結(jié)果相比誤差明顯減小，初步證明了改造后程序計(jì)算結(jié)果比改造前更可靠。

關(guān)鍵詞：RELAP5-3D程序"鈉物性"鈉冷快堆"程序改造

中圖分類號(hào)：TL361

Improvement"and"Validation"of"the"Sodium"Property"Model"for"RELAP5-3D

TAN"Wei1""YUAN"Xianbao2""RUAN"Yang1*

（1.Enshi"Polytechnic"，"Enshi，"Hubei"Province，"444300"China；2."China"Three"Gorges"University，"Yichang，"Hubei

Province，"444324"China）

Abstract："This"study"applies"a"new"sodium"property"model"to"improve"the"RELAP5-3D"program，"and"uses"the"SHRT-45R"benchmark"problems"of"the"EBR-II"reactor"to"verify"the"improved"program，"without"changing"the"usage"of"the"program，"so"as"to"make"the"calculation"results"of"the"RELAP5-3D"program"more"accurate"and"its"errors"smaller."The"study"compares"the"results"of"two"calculations"and"the"error"magnitude"of"experimental"values."The"results"show"that"the"change"trend"of"the"calculation"results"of"the"program"after"improvement"is"consistent"with"experimental"results，"and"that"the"error"is"significantly"reduced"compared"to"the"calculation"results"before"improvement，"which"preliminarily"proves"that"the"calculation"results"of"the"program"after"improvement"are"more"reliable"than"those"before"improvement.

Key"Words："RELAP5-3D"progran;"Sodium"property;"Sodium-cooled"fast"reactor;"Program"improvement

日本福島事故之后，各國(guó)都致力于尋找更加安全的堆型。鈉冷快堆是第四代反應(yīng)堆中運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)最豐富的堆型之一，其良好的固有安全性讓它一直作為優(yōu)先發(fā)展對(duì)象[1]，而鈉冷快堆熱工水力分析在其設(shè)計(jì)研究過程中一直具有重要作用。

國(guó)內(nèi)外對(duì)鈉冷快堆熱工水力分析程序研究主要分為兩大方向。一是針對(duì)特定的堆型開發(fā)熱工水力分析程序，二是在已有的通用水堆熱工水力分析程序（如RELAP5、MAAP）基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于鈉冷快堆。如宋健等人在RELAP5"MOD3.2的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)[2-7]，美國(guó)愛達(dá)華國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在RELAP5的基礎(chǔ)上改進(jìn)出RELAP5-3D程序，不僅增加了三維部件，而且也適用于鈉冷快堆。

在使用RELAP5-3D程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果誤差較大。考慮到鈉物性模型對(duì)計(jì)算結(jié)果有影響，選用新的鈉物性模型對(duì)程序進(jìn)行改造，并采用EBR-Ⅱ反應(yīng)堆SHRT-45R基準(zhǔn)題對(duì)改造后的程序進(jìn)行驗(yàn)證。改造后的程序?qū)︹c冷快堆熱工分析程序開發(fā)和學(xué)術(shù)研究具有一定的參考意義。

1"程序介紹及鈉物性模型

• RELAP5-3D程序介紹

RELAP5是美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（INL）針對(duì)輕水堆（LWR）開發(fā)的熱工瞬態(tài)模擬程序[8]。RELAP5-3D程序是基于RELAP5程序改進(jìn)版本，除了保留模擬輕水堆瞬態(tài)過程能力之外，還添加

一個(gè)多維模塊，用來模擬蒸汽、液體、不可凝氣體涉核和非涉核系統(tǒng)中各種熱工水力瞬態(tài)。

1.2"鈉物性模型

根據(jù)居懷明、徐元輝等人編著，原子能出版社出版的載熱質(zhì)熱物性計(jì)算程序及數(shù)據(jù)手冊(cè)[9]，改造程序所用鈉物性模型如下。

1.2.1液態(tài)鈉焓模型

改造程序采用的液態(tài)鈉焓模型為：

式（1）中：為飽和液鈉的焓，單位為；為溫度，單位為K。

1.2.2"等溫壓縮率模型

改造程序采用的等溫壓縮率模型為：

式（2）中：為等溫壓縮系數(shù)；為絕熱壓縮系數(shù)；為飽和線上的液態(tài)鈉比熱，單位為；為飽和蒸氣壓對(duì)溫度的導(dǎo)數(shù)；為比容；為飽和線上液體的熱膨脹系數(shù)。

1.2.3"飽和液鈉的導(dǎo)熱系數(shù)

改造程序采用的導(dǎo)熱系數(shù)模型為：

式（3）中：為液態(tài)鈉的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為；為溫度，單位為K。

2程序驗(yàn)證

2.1"SHRT-45R說明

在EBR-Ⅱ壽命后期，IAEA針對(duì)鈉冷快堆未來可能出現(xiàn)的事故進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為快堆安全分析程序的研究和驗(yàn)證提供了極好的依據(jù)。

SHRT-45R試驗(yàn)反應(yīng)堆從滿功率和全流量條件開始的無保護(hù)的流量損失事故[11-12]。在SHRT-45R試驗(yàn)開始前，反應(yīng)堆滿功率狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。零秒時(shí)，一回路主循環(huán)泵和中間回路泵跳閘，開始舵轉(zhuǎn)。同時(shí)，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖死，控制棒未插入反應(yīng)堆堆芯。640"s時(shí)，輔助電磁給水泵開始投入使用。具體試驗(yàn)描述如表1所示。

2.2"EBR-Ⅱ建模

本文建模對(duì)象為一回路系統(tǒng)，主要包括堆芯、鈉池、中間熱交換器（IHX）、一回路主循環(huán)泵、Z型管道及其他管道部件，對(duì)其他輔助系統(tǒng)、堆芯控制棒、堆芯內(nèi)部橫向流動(dòng)等忽略不計(jì)[10]。本文建模所用邊界條件包括堆芯功率、一回路主循環(huán)泵轉(zhuǎn)速、中間回路入口冷卻劑溫度和質(zhì)量流量。RELAP5-3D建模節(jié)點(diǎn)圖如圖1所示。

3"SHRT-45R計(jì)算結(jié)果分析

零秒后，一回路主循環(huán)泵跳閘，通過堆芯的冷卻劑流量減少，640"s左右，電磁輔助給水泵投入運(yùn)行，通過堆芯冷卻劑流量有輕微增大。因?yàn)槎研究刂瓢舨⑽床迦攵研荆研竟β氏陆邓俣嚷Ｍ１煤蠖研竟β首兓闆r如圖2所示，圖3為停泵后通過堆芯的冷卻劑質(zhì)量流量變化情況。

瞬態(tài)開始后，由于堆芯功率下降速度小于冷卻劑流量下降速度，堆芯各組件出口冷卻劑溫度升高，從而在堆芯上腔室和Z型管內(nèi)提供了一個(gè)較大的壓頭，使反應(yīng)堆自然循環(huán)更快建立起來。

隨著堆芯溫度升高，反應(yīng)堆凈反應(yīng)性很快變?yōu)樨?fù)，反應(yīng)堆功率下降。自然循環(huán)建立起來后，由于負(fù)反應(yīng)性反饋，反應(yīng)堆功率繼續(xù)下降直至停堆。反應(yīng)堆功率持續(xù)下降使反應(yīng)堆冷卻劑溫度不再升高，堆芯出口冷卻劑溫度開始降低。640s時(shí)，輔助電磁給水泵投入運(yùn)行，通過堆芯的冷卻劑流量輕微增大，堆芯出口冷卻劑溫度下降速度明顯變快。當(dāng)堆芯衰變功率與自然循環(huán)和輔助電磁給水泵排熱能力達(dá)到平衡后，堆芯出口溫度逐漸趨于平衡。圖4表示XX09測(cè)量組件出口溫度及其誤差，圖5表示Z型管進(jìn)口溫度及其誤差。

程序改造前后兩次計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)相符，溫度先升高后降低，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)輔助電磁給水泵啟動(dòng)之后，堆芯各部件冷卻劑溫度都有明顯的變化。程序改造后的計(jì)算結(jié)果與改造前相比更加接近實(shí)驗(yàn)值，結(jié)果誤差更小。

整個(gè)過程中冷卻劑出口最高溫度低于鈉的沸點(diǎn)（1"155"K），安全裕量充足。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果也表明EBR-Ⅱ反應(yīng)堆能夠在一回路主循環(huán)泵無保護(hù)停泵事故下，依靠自身負(fù)反應(yīng)反饋使反應(yīng)堆安全停堆。

4"結(jié)論

本文采用新的鈉物性模型對(duì)RELAP5-3D程序進(jìn)行改造，并選用EBR-Ⅱ的SHRT-45R基準(zhǔn)題進(jìn)行驗(yàn)證，最終得出如下結(jié)論。

（1）用新的鈉物性模型對(duì)RELAP5-3D程序改造后，程序計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值，結(jié)果更準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果精度能夠滿足反應(yīng)堆系統(tǒng)分析程序要求，具有實(shí)際意義。

（2）運(yùn)用RELAP5-3D改造后程序?qū)BR-Ⅱ反應(yīng)堆SHRT-45R基準(zhǔn)題進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明EBR-Ⅱ反應(yīng)堆在無外界干擾情況下，能夠依靠負(fù)反應(yīng)性反饋和自身一回路建立自然循環(huán)使反應(yīng)堆安全停堆，整個(gè)過程中堆芯各部件最高溫度都低于鈉的沸點(diǎn)（1"155"K），并且留有足夠的安全裕量，證明EBR-Ⅱ反應(yīng)堆具有良好的固有安全性。

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