核電廠安全殼外壓分析

馬秀歌+林琳+李漢辰+宋煒

【摘 要】在極寒外部環(huán)境條件下，并喪失所有交流（AC）電源事故下，鋼安全殼內(nèi)部熱負(fù)荷會(huì)減少，安全殼內(nèi)部的溫度和壓力也隨之減小，導(dǎo)致鋼安全殼承受較大外部壓力荷載。本文基于有限體積法求解多組分、多相的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，計(jì)算分析了典型核電廠極寒條件下安全殼可能受到的最大外壓。計(jì)算結(jié)果表明典型核電廠最大壓差不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)值。本文計(jì)算的安全殼負(fù)壓對(duì)鋼安全殼設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

【關(guān)鍵詞】外壓；鋼安全殼；安全殼；極寒

安全殼是用來(lái)密封反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，防止事故時(shí)放射性裂變產(chǎn)物大量釋放的最后一道屏障。在安全殼設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了保證安全殼的完整性，需要對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后的安全殼內(nèi)壓力和溫度進(jìn)行計(jì)算，確保其值滿足現(xiàn)行的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，從而保證安全殼的完整性。

徐大堡核電廠安全殼設(shè)計(jì)為鋼制安全殼。鋼安全殼具有良好的密封性，能在假想的實(shí)際基準(zhǔn)事故后包容釋放的懸浮放射性物質(zhì)。鋼安全殼具有良好的導(dǎo)熱性，其外表面不僅可提供設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故條件下液膜的蒸發(fā)冷卻，并且通過(guò)與外層屏蔽廠房、導(dǎo)流板等物項(xiàng)形成了冷卻通道，降低安全殼內(nèi)的溫度和壓力。

因?yàn)殇摪踩珰ぞ哂休^好的導(dǎo)熱性，在極寒天氣條件下，安全殼外環(huán)境溫度低于安全殼內(nèi)環(huán)境溫度，導(dǎo)致熱量從安全殼內(nèi)導(dǎo)出，可使安全殼鋼殼內(nèi)部壓力溫度降到很低，在鋼安全殼內(nèi)外產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓差。如果在這種極寒條件下假設(shè)，并喪失所有AC電源，會(huì)導(dǎo)致鋼安全殼內(nèi)部來(lái)自于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和其它能動(dòng)部件的熱負(fù)荷減少，引起安全殼內(nèi)部的溫度下降，壓力也隨之減??；最終鋼安全殼承受較大外部壓力荷載，可能威脅到安全殼的完整性。為了確保在極寒天氣安全殼的完整性，本文根據(jù)徐大堡廠址參數(shù)條件，計(jì)算了極寒天氣條件下鋼制安全殼最大壓差。

1 鋼安全殼功能介紹和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

徐大堡核電廠鋼安全殼是一個(gè)獨(dú)立的帶有橢圓上下封頭的圓柱形鋼制容器，外部由鋼筋混凝土構(gòu)筑的屏蔽廠房包圍。鋼安全殼的直徑約為40米、高度約為66米。鋼制安全殼作為最后一道安全屏障，是阻止事故后安全殼內(nèi)放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放的承壓邊界。同時(shí)鋼制安全殼也作為非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的換熱界面，提供安全級(jí)的最終熱阱用于導(dǎo)出反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)顯熱、堆芯衰變熱、事故源項(xiàng)的衰變熱。它的主要功能包括：

1）在正常運(yùn)行期間為反應(yīng)堆堆芯和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)提供屏蔽；

2）鋼安全殼也是整個(gè)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的組成部分，安全殼容器和非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)成能從安全殼排出足夠的能量，防止在假想設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后安全殼超出其設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度。

在極寒天氣條件下鋼制安全殼的最大外壓差設(shè)計(jì)值為0.0117·MPa（表壓）。

2 計(jì)算模型介紹

2.1 計(jì)算程序和模型控制體

本文程序基于有限體積法求解多組分、多相的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程。程序求解的流體包括連續(xù)液體、液滴及水蒸氣-氣體混合物，在同一控制體內(nèi)，這些流體可處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài)，從而可以模擬過(guò)冷液滴在飽和蒸汽中的降落。水蒸汽-氣體流場(chǎng)的氣體組分可以包含多達(dá)8種非凝性氣體。此外，該程序中還包含了大量的設(shè)備部件模型，如泵和風(fēng)扇、閥門(mén)和門(mén)、熱交換器、爆破閥、噴淋管嘴、冷卻器和加熱器、氫氣復(fù)合器及氫氣點(diǎn)火器等。

在本文計(jì)算模型中，安全殼模型包含126個(gè)控制體，控制體100表示外部大氣環(huán)境，控制體126表示屏蔽廠房外圍的大氣環(huán)境，控制體125表示屏蔽廠房空氣入口，控制體92～98和124表示空氣導(dǎo)流板和屏蔽廠房之間的下降通道，控制體85～91和123表示空氣導(dǎo)流板和鋼制安全殼之間的上升通道。在外壓分析中為了模擬真空泄壓閥，模擬了邊界條件、流道、閥門(mén)以及開(kāi)關(guān)函數(shù)參數(shù)。

2.2 真空泄壓閥

對(duì)于鋼制安全殼，為了防止極寒條件下安全殼最大負(fù)壓差，在安全殼空氣過(guò)濾系統(tǒng)通風(fēng)管道上增加了真空泄壓閥，可以在可能出現(xiàn)極大負(fù)壓差時(shí)開(kāi)啟真空泄壓閥，使得空氣進(jìn)入安全殼，避免負(fù)壓差過(guò)大。為了模擬真空泄壓閥，增加了邊界、流道、閥門(mén)以及開(kāi)關(guān)函數(shù)參數(shù)，真空泄壓開(kāi)啟壓力為0.093·MPa（絕壓），延遲時(shí)間為20秒，流通面積0.01864m2。

2.3 擴(kuò)散和傳質(zhì)：IRWST水蒸發(fā)

由于安全殼外壓瞬態(tài)過(guò)程中安全殼的壓力和溫度降低，內(nèi)置換料水箱（IRWST）中的一些水會(huì)通過(guò)質(zhì)能擴(kuò)散而蒸發(fā)。在分析中，通過(guò)接管的質(zhì)能擴(kuò)散不包括在質(zhì)量能量守恒中。由于IRWST（控制體8·s，分成一個(gè)子控制體，使用接管與其他控制體相連）在模型等效于一個(gè)集總參數(shù)模型，所以計(jì)算中未考慮IRWST的水蒸發(fā)，這將減小安全殼的壓力從而使計(jì)算模型更保守。

2.4 安全殼內(nèi)部熱阱

由于在外壓分析瞬態(tài)過(guò)程中大氣的溫度降低，內(nèi)部熱構(gòu)件便成為了熱源。湍流的換熱系數(shù)很小，并且在模型中已經(jīng)考慮了許多保守的假設(shè)。因此，所有的安全殼內(nèi)部熱阱使用新的換熱系數(shù)，包括非ITAAC（檢查、試驗(yàn)、分析和驗(yàn)收準(zhǔn)則）結(jié)構(gòu)、地板和死隔間。

在輸入文件中，采用一側(cè)的面積和全部厚度對(duì)大多數(shù)的熱阱進(jìn)行描述。對(duì)于這些熱阱，認(rèn)為其兩側(cè)均與安全殼大氣環(huán)境進(jìn)行換熱。結(jié)果，傳熱系數(shù)類型1、4和5更改為湍流自然對(duì)流。增加傳熱系數(shù)類型7取代4，僅用于混凝土熱阱的一側(cè)和兩外部金屬熱構(gòu)件（熱阱4和214）。另外，控制參數(shù)中的自然對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為0.4。

3 初始假設(shè)條件

3.1 安全殼內(nèi)主要假設(shè)條件

為了得到壓差最大的瞬態(tài)條件，使得外壓分析計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守，在分析中安全殼內(nèi)環(huán)境主要假設(shè)條件如下：

1）失去交流電源，正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)入安全殼的熱量減少；

2）無(wú)空氣向殼內(nèi)泄漏；

3）非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)（PCS）水膜冷卻不動(dòng)作；

4）安全殼初始?jí)翰顬?.0014·MPa（表壓）；

5）安全殼內(nèi)熱結(jié)構(gòu)初始溫度為48.9℃；

6）安全殼內(nèi)初始相對(duì)濕度為70%；

7）安全殼內(nèi)大氣初始溫度在48.9℃；

8）安全殼內(nèi)部熱結(jié)構(gòu)初始溫度為30.6℃；

3.2 安全殼外環(huán)境的主要假設(shè)條件

（1）假設(shè)外部環(huán)境相對(duì)濕度0%；

（2）安全殼外風(fēng)速；

徐大堡廠址50年一遇最大風(fēng)速33.9·m/s。采用關(guān)系式（1）折算成環(huán)形上升空間的風(fēng)速。

Va = V*（C_P/Kloss）0.5 （1）

其中V：表示測(cè)量大氣風(fēng)速；

Va：環(huán)腔上升段速度；

C_P：風(fēng)速系數(shù)；

Kloss：阻力系數(shù)。

折合成環(huán)形上升空間風(fēng)速為9.6m/s。

安全殼環(huán)形通道空氣流速修改邊界條件PCS出口的壓力使空氣流速接近33.9·m/s。通過(guò)降低此邊界條件的壓力產(chǎn)生了使空氣在環(huán)形通道內(nèi)向上流動(dòng)的壓差。經(jīng)過(guò)計(jì)算當(dāng)壓力降低至0.101·MPa（絕壓）時(shí)，環(huán)形通道風(fēng)速為9.6·m/s。

（3）安全殼外溫度

對(duì)于徐大堡廠址氣象數(shù)據(jù)，百年極端最低溫度為-30.9℃。假設(shè)徐大堡安全殼外初始外部環(huán)境溫度-3.9℃，并以16.7℃/h的速度降溫，保守考慮減低到-31.7℃。

4 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

通過(guò)計(jì)算徐大堡廠址安全殼計(jì)算的最大壓差為0.0108MPa（表壓），不超過(guò)設(shè)計(jì)值0.0117MPa（表壓）。計(jì)算結(jié)果表明，徐大堡核電廠可以保證在極冷條件下安全殼內(nèi)外壓差不超過(guò)設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：張濤]