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非能動專設(shè)安全設(shè)施應(yīng)急余熱排出試驗研究

文檔作者：許世杰劉遜聶常華卓文彬文檔來源：中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆工程研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月08日
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非能動專設(shè)安全設(shè)施應(yīng)急余熱排出試驗研究
許世杰劉遜聶常華卓文彬
(中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆工程研究所，四川成都610213)
【摘要l根據(jù)海水淡化堆的原型，本文建立了海水淡化堆非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置，并開展了應(yīng)急余熱排出試驗研究，分析了蓄壓
水池的初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。本文建立了海水淡化堆非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置，并
開展了應(yīng)急余熱排出試驗研究，分析了蓄壓水池的初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。
I關(guān)鍵詞】海水淡化自然循環(huán)應(yīng)急余熱排出
1引言
海水淡化是解決未來人類淡水危機(jī)的一個可靠途徑。目前世界
上在運(yùn)行的海水淡化裝置以燃燒化石燃料為主，為了保護(hù)環(huán)境，繼
續(xù)建造燃燒化石燃料的大型海水淡化裝置是不可行的，未來的海水
淡化必須使用核能或者其他可再生能源。核反應(yīng)堆能夠提供海水淡
化需要的熱能和電能，同時，核能海水淡化已經(jīng)積累了超過150堆年
的運(yùn)行經(jīng)驗，其中，日本有八座配有海水淡化工程的核反應(yīng)堆，印
度、墨西哥和巴基斯坦等國都建造了核能海水淡化裝置。
隨著世界范圍內(nèi)核能海水淡化技術(shù)的發(fā)展和需求的增長，中國
也開始發(fā)展自己的核能海水淡化反應(yīng)堆。某核能海水淡化廠的反應(yīng)
堆系統(tǒng)由中國核動力研究設(shè)計院設(shè)計，該反應(yīng)堆采用池殼式布置，
在低溫、常壓下運(yùn)行，具有設(shè)備簡化、系統(tǒng)簡單、運(yùn)行方便的特點(diǎn)，其
專設(shè)安全設(shè)施包括應(yīng)急堆芯冷卻分系統(tǒng)、應(yīng)急余熱排出分系統(tǒng)以及
應(yīng)急注硼分系統(tǒng)，具有良好的固有安全性。
海水淡化堆非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置(以下簡稱
綜合模擬試驗裝置)能夠模擬該核能海水淡化廠的非能動專設(shè)安全
設(shè)施，試驗內(nèi)容主要包括模擬斷電事故工況下，反應(yīng)堆功率的堆芯
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圖1綜合模擬試驗裝置系統(tǒng)流程圖
圖2自然循環(huán)流量與壓頭關(guān)系圖
衰變熱下自然循環(huán)投入的過渡過程和自然循環(huán)能力，驗證非能動專
設(shè)安全設(shè)施的余熱導(dǎo)出能力。本文在綜合模擬試驗裝置上，對應(yīng)急
余熱排出瞬態(tài)工況進(jìn)行了模擬，對比了蓄壓水池初始水位分別在23
米和18米的2個不同工況計算結(jié)果，分析了蓄壓水池的初始水位對
應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響，為海
水淡化堆非能動專設(shè)安全設(shè)施初步設(shè)計提供試驗參考。
2試驗裝置
綜合模擬試驗裝置采用修正的功率容積比例法進(jìn)行設(shè)計，并采
用實時模擬方法，即試驗裝置功率容積比滿足同一個比例因子(本試
驗裝置為1／45)，試驗裝置采用與原型相同的工質(zhì)、運(yùn)行工況，試驗
裝置在高度和相對高度上保持與原型一致。
試驗裝置主回路由兩條并聯(lián)運(yùn)行的閉合回路組成，用于模擬海
水淡化堆的一回路系統(tǒng)。每條回路包括主管道、主泵、反應(yīng)堆容器模
擬體(堆芯模擬容器和環(huán)腔模擬容器)、主換熱器模擬體、堆外環(huán)腔及
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圖3堆芯功率衰變曲線
0 500 1000 1500 2000 2500
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圖4自然循環(huán)流量
萬方數(shù)據(jù)2016牟-124下第24期總第252期33
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爹爹工藝設(shè)計改造及檢測檢修、cm曲sd一&amp;amp;Te曲肋·。韶Overview
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圖5堆芯出口溫度
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Time(s)
圖6余熱排除上升管進(jìn)出口壓差
表1綜合模擬試驗的不同工況初始條件表
工況CASE l CASE 2
Experiment Experiment
初始堆芯出口壓力(MPa) 0．406 0．352
初始堆芯出口溫度(℃) 106 106
蓄壓水池與堆芯上表面初始位差(m) 22．2 16．9
堆芯電加熱元件初始功率(kW) 583 596
回路外部空間模擬水箱、閥門、文丘里流量計以及管道。
非能動專設(shè)安全設(shè)施主要包括蓄壓水池(也充當(dāng)系統(tǒng)的穩(wěn)壓
器，用于維持回路運(yùn)行壓力)、安注管、波動管、余熱排出上升管及相
應(yīng)的管路、附件等，堆芯外部空腔模擬水箱在破口事故時模擬堆外
環(huán)境。綜合模擬試驗裝置流程圖如圖1所示。
3試驗方法
事故信號發(fā)出后，通過變頻器控制主泵轉(zhuǎn)速，使其按預(yù)先設(shè)定
的轉(zhuǎn)速變化曲線變化(模擬主泵惰轉(zhuǎn)流量)，同時控制堆芯模擬容器
內(nèi)電加熱元件功率，從15％反應(yīng)堆功率(600kW)-Y[：始，使其按預(yù)先設(shè)
定的功率變化曲線變化(模擬堆芯余熱)。開啟余熱排出上升管及安
注管上氣動隔離閥，堆芯模擬容器出El一部分流體進(jìn)入應(yīng)急余熱排
出上升管，形成“堆芯出口一應(yīng)急余熱排出上升管一蓄壓水池模擬
體一波動管一一回路冷段管道一環(huán)腔模擬容器一堆芯模擬容器”的
與一回路并列的循環(huán)系統(tǒng)。
隨著主泵惰轉(zhuǎn)和慣性流量動壓頭的減小直至消失，反應(yīng)堆下降
環(huán)腔對安注管口的反向動壓頭也消失，最終形成“蓄壓水池模擬體
一安注管一環(huán)腔模擬容器一堆芯模擬容器一應(yīng)急余熱排出上升管
一蓄壓水池模擬體”、“蓄壓水池模擬體一波動管一一回路冷段一環(huán)
34 2016#-12)目下第24期總第252期
腔模擬容器一堆芯模擬容器一應(yīng)急余熱排出上升管一蓄壓水池模
擬體”和“堆芯模擬容器一一回路系統(tǒng)一堆芯模擬容器”三個并列的
自然循環(huán)系統(tǒng)，將堆芯的剩余釋熱導(dǎo)入蓄壓水池。
4結(jié)果及分析
本文在綜合模擬試驗裝置上，對應(yīng)急余熱排出瞬態(tài)工況進(jìn)行了
模擬，對比了蓄壓水池初始水位分別在23米和18米的2個不同工況
計算結(jié)果，分析了蓄壓水池的初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自
然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。瞬態(tài)試驗初始條件見表1，功率
衰變曲線見圖3。
自然循環(huán)的建立是依靠驅(qū)動壓頭克服回路上升段和下降段的壓
力而產(chǎn)生的。而自然循環(huán)的流量可以由水循環(huán)基本方程式來決定【1】’
即：
Ape2△pdc2APd一△Pup
如圖2，其中：△p。為有效驅(qū)動壓頭，Ap+為下降段的壓力損失，
△p^為總的驅(qū)動壓頭，△n。為上升段的驅(qū)動壓頭。因此，在應(yīng)急余熱
排出試驗中，堆芯出口溫度和自然循環(huán)流量是相互影響的，因為堆
芯出口溫度決定了上升段中流體的溫度和密度，進(jìn)而影響上升段的
壓力損失。當(dāng)堆芯出口溫度升高，自然循環(huán)流量增加，自然循環(huán)流量
增加又會促使堆芯出口溫度降低。
從圖3～圖5可以看出，CASE l和CASE 2工況在自然循環(huán)建
立之初，堆芯出口溫度略有升高，隨著自然循環(huán)的建立以及自然循
環(huán)流量的增加，堆芯出口溫度逐漸降低，堆芯衰變熱能夠被順利導(dǎo)
出。隨著堆芯出口溫度的降低，自然循環(huán)的流量也開始下降，最終趨
于穩(wěn)定。
同時還可以看出，CASE 1和CASE 2工況在自然循環(huán)建立之
初系統(tǒng)的瞬態(tài)特性有較大區(qū)別，自然循環(huán)流量和堆芯出口溫度的變
化趨勢都有明顯的差異，自然循環(huán)穩(wěn)定后，自然循環(huán)流量及堆芯出
Ill溫度的變化基本同步。在自然循環(huán)建立之初，由于CASE 2中蓄壓
水池水位較低，為18米，余熱排出上升管中壓力也較低，從堆芯經(jīng)自
然循環(huán)排出的熱水溫度很快超過了余熱排出上升管處的飽和溫度，
余熱排出上升管中出現(xiàn)了汽化現(xiàn)象，在試驗中觀察到了余熱排出上
升管中液體沸騰的“咕咕”聲，余熱排出上升管也因為熱沖擊而咔咔
作響。雖然此時CASE 2余熱排出上升管進(jìn)出口壓差有所降低(如圖
6所示)，但主要是由于有蒸汽的產(chǎn)生余熱排出上升管中重力壓頭降
低引起的，自然循環(huán)流的驅(qū)動壓頭卻是增加的，因此，自然循環(huán)流量
在汽化階段是明顯增加的(如圖4所示)。在CASE 1中，由于蓄壓水
池水位較高，沒有產(chǎn)生汽化現(xiàn)象。
5結(jié)語
根據(jù)海水淡化堆的原型，本文建立了海水淡化堆非能動專設(shè)安
全設(shè)施綜合模擬試驗裝置，并開展了應(yīng)急余熱排出試驗研究，分析
了蓄壓水池的初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立
和余熱的導(dǎo)出的影響。結(jié)果表明：非能動專設(shè)安全設(shè)施在應(yīng)急余熱
排出模擬試驗啟動之初，可以迅速建立自然循環(huán)；自然循環(huán)建立之
后，堆芯能動得到有效的冷卻，堆芯溫度逐漸降低；薔壓水池的初始
水位對自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出均有一定影響，蓄壓水池作為
回路的穩(wěn)壓器，過低的水位會使回路中產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，導(dǎo)致回路中
壓力及自然循環(huán)流量發(fā)生較大波動，對設(shè)備造成一定沖擊，應(yīng)予以
避免。
參考文獻(xiàn)：
[1]于平安。等．核反應(yīng)堆熱工分析[J]．上海交通大學(xué)出版社。2001．1 2．
萬方數(shù)據(jù)

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