49-2泳池式反應(yīng)堆非能動(dòng)虹吸破壞孔方案設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

岳芷廷，宋云鵬，劉興民，鄒 耀，吳園園

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413)

49-2泳池式反應(yīng)堆(簡稱49-2泳池堆)是一個(gè)輕水慢化、冷卻的研究型反應(yīng)堆，是我國自行設(shè)計(jì)、建造、安裝、調(diào)試和運(yùn)行的，其設(shè)計(jì)額定功率為3 500 kW，加強(qiáng)功率為5 000 kW。1965年3月開始大功率運(yùn)行，至今已有48年[1]。

一般情況下，池式反應(yīng)堆的出水管入口設(shè)置在堆水池底部，為防止一回路的出水管發(fā)生破口事故，產(chǎn)生虹吸作用，最終導(dǎo)致堆芯裸露，在出水管最高處設(shè)置虹吸破壞閥，來防止虹吸作用。與其他池式反應(yīng)堆相同，49-2泳池堆也設(shè)置了虹吸破壞閥，但該閥門為手動(dòng)閥，且處于堆水池蓋板下方，蓋板需要吊車才能提起，嚴(yán)重事故下很可能工作人員無法進(jìn)入該區(qū)域提起蓋板再手動(dòng)開啟閥門。自福島核電站事故后，我國對現(xiàn)有核設(shè)施進(jìn)行了全面的安全檢查。為了提高49-2泳池堆應(yīng)對地震災(zāi)害等極端事故的能力，提出對其一回路冷卻劑管增設(shè)一個(gè)非能動(dòng)的虹吸破壞孔。當(dāng)發(fā)生一回路失流事故時(shí)，由于游泳池內(nèi)水位的降低，該虹吸破壞孔便會(huì)自然露出水面，從而破壞虹吸作用，避免產(chǎn)生堆芯裸露的嚴(yán)重后果。

1 虹吸破壞孔設(shè)計(jì)

1.1 虹吸現(xiàn)象及虹吸破壞

虹吸是一種流體力學(xué)現(xiàn)象，可不借助泵而抽吸液體。如圖1所示，49-2泳池堆的一回路出口管的結(jié)構(gòu)為倒U形的管狀結(jié)構(gòu)(稱為虹吸管)，這種結(jié)構(gòu)下，管子兩端的液體壓差能推動(dòng)液體越過最高點(diǎn)，向另一端排放。當(dāng)一回路出口段低于堆芯的位置發(fā)生破口時(shí)，在虹吸力的作用下，游泳池內(nèi)的水位會(huì)不斷降低，直至水位與破口處于同一水平線上。

圖1 虹吸原理圖

虹吸破壞原理是在出水管最高處設(shè)置虹吸破壞孔，當(dāng)發(fā)生一回路失流事故時(shí)，由于游泳池內(nèi)水位的降低，該虹吸破壞孔便會(huì)自然露出水面，在壓差的作用下，氣體開始由該孔進(jìn)入一回路系統(tǒng)，隨著氣體在回路中的不斷積累，壓力逐漸平衡，從而阻斷了液體的流動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了虹吸破壞。

1.2 開孔位置及尺寸選擇

正常情況下，為了能及時(shí)起到破壞虹吸現(xiàn)象的作用，虹吸破壞孔應(yīng)設(shè)置在冷卻劑出水管的制高點(diǎn)，但由于此次設(shè)計(jì)的虹吸破壞孔為非能動(dòng)的，虹吸破壞孔始終處于開啟狀態(tài)，因此需考慮對反應(yīng)堆正常運(yùn)行的影響。

在設(shè)計(jì)中，由于反應(yīng)堆冷卻劑出水管的制高點(diǎn)距堆水池液面只有5 cm，正常運(yùn)行時(shí)水位的波動(dòng)也較大；并且管道轉(zhuǎn)彎處有彎頭，不適宜開孔，因此將開孔位置設(shè)置在彎頭下方，此點(diǎn)距正常運(yùn)行液面下方65 cm。

由于該虹吸破壞孔始終開啟，反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)會(huì)使一回路的冷卻劑發(fā)生旁通，為保證流經(jīng)堆芯的冷卻劑流量，開孔直徑應(yīng)在滿足破壞虹吸的條件下盡量小。由于49-2泳池堆一回路中原有的手動(dòng)開啟虹吸破壞孔直徑為1.8 cm，因此此次計(jì)算孔徑分別選擇1.5 cm和2.0 cm。

2 系統(tǒng)建模

本工作中非能動(dòng)虹吸破壞孔的計(jì)算采用RELAP5程序。該程序已成為核電廠熱工水力及安全分析的基礎(chǔ)，其適用范圍幾乎可覆蓋核電廠所有熱工水力瞬變和事故譜。在RELAP5/MOD3.3這個(gè)版本中，集中了在兩相流理論研究、數(shù)值求解方法、計(jì)算機(jī)編程技巧以及各種規(guī)模實(shí)驗(yàn)等方面取得的研究成果。該程序已被應(yīng)用于分析大量工程實(shí)例并與各國許多實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證和比較，證實(shí)了其計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。

運(yùn)用RELAP5/MOD3.3程序的建模方法，針對49-2泳池堆一回路主要系統(tǒng)進(jìn)行了建模[2]，主要包括堆水池和熱管段，模型如圖2所示。堆水池部分包括堆芯和堆芯上方水池。堆芯上方水池自下而上劃分為160和170兩部分。水池上方與大氣相通。由于計(jì)算中只考慮堆芯的進(jìn)出口壓差，因此堆芯部分只模擬為水力部件。倒U形的堆芯出口熱管段被劃分為11段，以分析虹吸破壞孔起作用時(shí)各管段的密度變化。熱管段110的第6段與堆芯上方水池170的水平連接處表示虹吸破壞孔的開孔位置。120、130、140分別為連接3臺(tái)主泵的分管段。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算分析分為兩部分：1) 由于該非能動(dòng)虹吸破壞孔始終開啟，反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)一回路的冷卻劑會(huì)發(fā)生旁通，即會(huì)有流體不流經(jīng)堆芯而直接由堆水池流入一回路管段，為保證流經(jīng)堆芯的冷卻劑流量，對每個(gè)尺寸的虹吸破壞孔均要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，以驗(yàn)證開孔的旁通流量對堆芯冷卻的影響程度；2) 計(jì)算在停堆工況下一回路發(fā)生大破口事故，當(dāng)其他專設(shè)安全設(shè)施都失效時(shí)，在無需工作人員干預(yù)的情況下，虹吸破壞孔的設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

100——堆芯；110——一回路冷卻劑熱管段；120、130、140——連接3臺(tái)主泵的分管段；160、170——堆芯上方游泳池；110-6——虹吸破壞孔；180——游泳池上方大氣空間

3.1 穩(wěn)態(tài)工況下計(jì)算結(jié)果及分析

在反應(yīng)堆正常運(yùn)行狀態(tài)下，堆芯進(jìn)出口壓差約為8 950 Pa，流經(jīng)堆芯的流量為277.76 kg/s。

當(dāng)虹吸破壞孔孔徑取1.5 cm時(shí)，虹吸破壞孔處的壓力約為87 485 Pa，流經(jīng)虹吸破壞孔的旁通流量約為1.60 kg/s，流經(jīng)堆芯的冷卻劑流量為277.51 kg/s，其對堆芯流量的影響只有0.09%。

當(dāng)虹吸破壞孔孔徑取2.0 cm時(shí)，虹吸破壞孔處的壓力約為87 505 Pa，流經(jīng)虹吸破壞孔的旁通流量約為2.84 kg/s，流經(jīng)堆芯的冷卻劑流量為277.31 kg/s，其對堆芯流量的影響只有0.16%。

由計(jì)算結(jié)果可知，虹吸破壞孔孔徑為1.5 cm和2.0 cm時(shí)，對堆芯冷卻劑的旁通作用非常小，即對堆芯的正常運(yùn)行基本無影響。

3.2 停堆工況下大破口事故計(jì)算結(jié)果及分析

分析時(shí)作如下基本假設(shè)：1) 反應(yīng)堆停堆期間一回路泵前發(fā)生大破口事故，破口直徑為265 mm的管道雙端斷裂，此處標(biāo)高為0.07 m；2) 所有專設(shè)安全設(shè)施全部失效；3) 發(fā)生虹吸時(shí)，管道內(nèi)無局部阻力。

虹吸破壞孔孔徑為1.5 cm時(shí)的大破口事故計(jì)算結(jié)果如圖3所示。0 s時(shí)發(fā)生大破口事故，破口處的流量接近400 kg/s，堆水池內(nèi)的水位由最初的距離堆芯上表面5.91 m開始迅速下降，虹吸破壞孔的壓力迅速下降；約10 s時(shí)，虹吸破壞孔露出水面，有氣體開始進(jìn)入回路，此時(shí)虹吸破壞孔處壓力約為6 500 Pa，隨著虹吸破壞孔的作用和堆水池內(nèi)水位的下降，破口處冷卻劑的流量也隨之下降；約180 s時(shí)，破口處的流量幾乎為0，虹吸破壞孔也不再有氣體進(jìn)入，虹吸破壞孔的壓力約為大氣壓，此后堆水池水位基本穩(wěn)定維持在距離堆芯上方0.98 m的位置，即實(shí)現(xiàn)了破壞虹吸作用，從而確保游泳池內(nèi)的水位將堆芯淹沒，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 虹吸破壞孔孔徑為1.5 cm時(shí)的大破口事故計(jì)算結(jié)果

虹吸破壞孔孔徑為2.0 cm時(shí)的大破口事故計(jì)算結(jié)果如圖4所示。與1.5 cm虹吸破壞孔結(jié)果相似，0 s時(shí)發(fā)生事故，堆水池水位下降；約10 s時(shí)，虹吸破壞孔露出水面，此時(shí)虹吸破壞孔處壓力約為7 000 Pa；約130 s時(shí)，破口處的流量幾乎為0，虹吸破壞孔幾乎不再有氣體進(jìn)入，虹吸破壞孔的壓力約為大氣壓，此后堆水池水位維持在距離堆芯約1.83 m的位置，即實(shí)現(xiàn)了破壞虹吸作用，滿足設(shè)計(jì)要求。

以上計(jì)算結(jié)果表明，在停堆停泵狀態(tài)下，一回路大破口事故時(shí)，1.5 cm和2.0 cm的虹吸破壞孔均能滿足設(shè)計(jì)要求，但1.5 cm的虹吸破壞孔在實(shí)現(xiàn)破壞虹吸作用時(shí)，水位距離堆芯上表面只有0.98 m，而2.0 cm的虹吸破壞孔在實(shí)現(xiàn)破壞虹吸作用時(shí)，水位距離堆芯上表面有1.83 m。出于保守考慮，最終將虹吸破壞孔孔徑選擇為2.0 cm。

圖4 虹吸破壞孔孔徑為2.0 cm時(shí)的大破口事故計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文對增設(shè)的非能動(dòng)一回路虹吸破壞孔進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，根據(jù)堆的實(shí)際情況，確定了開孔位置；并在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及停堆的大破口事故工況下對兩種不同孔徑的虹吸破壞孔進(jìn)行了計(jì)算分析，分析結(jié)果表明，兩種孔徑均能滿足設(shè)計(jì)要求，但為了保守起見，最終選擇開孔孔徑為2.0 cm。

本次計(jì)算分析，可為49-2泳池堆虹吸破壞孔的改造提供理論依據(jù)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]儲(chǔ)紹初. 49-2游泳池反應(yīng)堆(追溯性)安全分析報(bào)告[R]. 北京：中國原子能科學(xué)研究院，1990.

[2]The RELAP5 Code Development Team. RELAP5/MOD3.3 code manual, volume Ⅱ, Appendix A: Input requirements[M]. USA: Idaho National Engineering Laboratory, 2010.