CEFR事故余熱排出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱工流體計算

邰永　余華金

摘 要：論述了CEFR事故余熱排出系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理，給出了該系統(tǒng)熱工流體計算的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，并由此編制了該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱工水力計算程序，計算結(jié)果與已有數(shù)據(jù)吻合較好，驗證了數(shù)學模型的正確性，對后續(xù)的快堆事故余熱排出系統(tǒng)的設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：CEFR；事故余熱排出系統(tǒng)；穩(wěn)態(tài)；熱工流體

中圖分類號：TL353.13 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0146-03

1 事故余熱排出系統(tǒng)的作用

中國實驗快堆（以下簡稱CEFR）是我國第一座快堆，相比于壓水堆，快堆具有增殖和嬗變的兩大優(yōu)勢，是第四代核能系統(tǒng)的優(yōu)選堆型。

事故余熱排出系統(tǒng)作為CEFR快堆最重要的專設安全設施之一，是實現(xiàn)反應堆在事故工況下余熱排出的安全功能的主要手段，對保持堆的各屏障的完整性，避免放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境釋放具有重要作用。

當快堆運行中遭遇地震作用、系統(tǒng)供電全部中斷以及所有蒸汽發(fā)生器供水中斷的情況時，其堆芯熱量無法通過主熱傳輸系統(tǒng)的一、二、三回路正常導出，為了能夠有效導出堆芯余熱，避免發(fā)生堆芯熔化等重大事故，在快堆中設置了專門用于堆芯余熱排出的事故余熱排出系統(tǒng)，依靠這個系統(tǒng)使堆芯和整個反應堆得到冷卻，保證燃料棒、堆內(nèi)構(gòu)件和堆容器處于可接受的溫度限值范圍內(nèi)，從而保障反應堆的安全。

2 CEFR事故余熱排出系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理

CEFR事故余熱排出系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。由圖中可以看出，系統(tǒng)包含3個回路，即堆芯回路、中間回路和空冷器冷卻回路。堆芯回路包括堆芯、熱鈉池、中間熱交換器、冷池、泵和柵板聯(lián)箱；中間回路包括獨立熱交換器管側(cè)和空冷器管側(cè)；空冷器冷卻回路包括風門、空冷器殼側(cè)和通風塔。

堆芯回路由堆芯、熱鈉池、中間熱交換器、冷池、泵和柵板聯(lián)箱組成。一次鈉泵從冷池吸入冷鈉，由泵加壓后送到柵板聯(lián)箱，經(jīng)過堆芯加熱后，冷鈉變成熱鈉，在熱鈉池交混后進入中間熱交換器，重新流入冷池，這樣就完成一個回路的循環(huán)。

中間回路由獨立熱交換器管側(cè)、空冷器管側(cè)和回路管道構(gòu)成。獨立熱交換器安放在熱鈉池主容器和擋板構(gòu)成的環(huán)隙內(nèi)，它為管殼結(jié)構(gòu)，一次鈉從殼的上部窗口進入，經(jīng)管間向下流，然后從殼的下部窗口回到環(huán)隙下部。二次鈉從獨立熱交換器頂部進入中央下降管，流到底部腔室后轉(zhuǎn)向進入傳熱管內(nèi)，鈉從傳熱管內(nèi)自下而上流過，進入上腔室，然后進入回路管，流到空冷器的上集流管，再經(jīng)傳熱管流向下集流管，最后經(jīng)回路管回到獨立熱交換器，構(gòu)成一個封閉回路。

空冷器冷卻回路包括風門、空冷器殼側(cè)和通風塔?？諝鈴目绽淦飨虏匡L門進入，經(jīng)空冷器傳熱管間隙流過，最后由通風塔排到大氣，可近似看作一個回路。為了模擬衰變熱排放過程，建立了系統(tǒng)計算的簡化模型如圖2所示[1-3]。

3 事故余熱排出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)換熱計算

為了驗證系統(tǒng)以及系統(tǒng)內(nèi)主要設備的設計是否滿足預先的要求，需要對系統(tǒng)在名義冷卻工況下的主要技術特性和參數(shù)進行計算。

4 事故余熱排出系統(tǒng)推動力和阻力計算

獨立熱交換器置于反應堆鈉池中，處于熱態(tài)?？諝鉄峤粨Q器是通過空氣將熱散入大氣，處于冷態(tài)。兩者之間形成溫差。同時由于兩者標高不同，形成位差。因此，溫差和位差形成自然循環(huán)驅(qū)動力。此推動力克服在回路中流經(jīng)管道和設備時產(chǎn)生的阻力。在穩(wěn)態(tài)工況下，系統(tǒng)的自然循環(huán)推動力與系統(tǒng)的管道和設備阻力總是相等的，即P動=P阻。

在計算系統(tǒng)中間回路的驅(qū)動力時，做了如下近似假設：

回路時絕熱的，即上行管道時等溫的熱態(tài)溫度，下行管道是等溫的冷態(tài)溫度。

在熱交換器的管道中溫度沿高度呈線性變化。

自然循環(huán)的推動力公式為：

P動=g×β×ρc×（T2out-T2in）×（ZX-ZF）

g為重力加速度，β為鈉體積膨脹系數(shù)，ρc為冷態(tài)流體密度，T2out為熱態(tài)流體溫度，T2in為冷態(tài)流體溫度，ZX為空氣熱交換器散熱段中心標高，ZF為獨立熱交換器吸熱段中心標高。

系統(tǒng)中獨立熱交換器和空氣熱交換器的阻力計算在前面已經(jīng)給出，本節(jié)只給出管道的阻力計算。系統(tǒng)中間回路的管道可以看作是許多直管和彎管的組合，因此管道內(nèi)的流動阻力將由摩擦壓降和局部壓降來決定。

4.1 由摩擦力引起的壓力損失

計算按下列公式進行：

5 CEFR事故余熱排出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)果

根據(jù)上節(jié)給出數(shù)學模型，利用Fortran語言編制了CEFR事故余熱排出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱工水力計算程序，通過對獨立熱交換器和空氣熱交換器以及相對應的三條回路進行建模和計算，得到CEFR事故余熱排出系統(tǒng)名義冷卻工況下的熱工水力參數(shù)如表2所示。

通過上表可以看出，三條回路的流量和溫度參數(shù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)的誤差都在1%以內(nèi)，結(jié)果吻合較好。這就驗證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型和計算方法的正確性?？梢詫⑦@種數(shù)學模型和計算方法應用到后續(xù)的大型商業(yè)快堆的事故余熱排出系統(tǒng)的設計計算，可以將設計的獨立熱交換器和空冷器放入到程序中進行計算，以驗證設備的設計是否滿足系統(tǒng)的性能要求，也可以通過程序?qū)υO備的相關結(jié)構(gòu)參數(shù)以及系統(tǒng)整體參數(shù)進行修改，最終得到滿足系統(tǒng)要求的設計結(jié)果，這對于后期的示范快堆事故余熱排出系統(tǒng)的設計具有很好的指導意義。

參考文獻

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[2]廖智杰，任玉新，沈孟育，楊福昌，楊志明.中國實驗快堆事故停堆后余熱排放過程的數(shù)值模擬[J].核科學與工程，1999，19（3）：201-209.

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