重力注水過(guò)程流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象關(guān)鍵影響因素研究

杜政瑀，佟立麗，曹學(xué)武,*，王小吉，侯麗強(qiáng)

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

核反應(yīng)堆對(duì)抗失水事故的能力是評(píng)價(jià)其安全性能的最重要的指標(biāo)之一，向堆芯注水實(shí)現(xiàn)再淹沒(méi)是核反應(yīng)堆應(yīng)對(duì)失水事故最重要的緩解策略之一。

研究人員對(duì)核反應(yīng)堆失水事故后的冷卻水再淹沒(méi)過(guò)程一直給予了高度關(guān)注。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，各國(guó)開(kāi)展了大量的針對(duì)性實(shí)驗(yàn)研究。美國(guó)西屋公司開(kāi)展了針對(duì)壓水堆失水事故的再淹沒(méi)實(shí)驗(yàn)研究(PWR-FLECHT)，研究了入口流量、系統(tǒng)壓力、初始加熱棒溫度以及加熱方式對(duì)再淹沒(méi)過(guò)程傳熱特性的影響[1-2]，發(fā)現(xiàn)冷卻水流經(jīng)下降段時(shí)，下降段壁面的釋熱提高了冷卻水的溫度，并在下降段內(nèi)產(chǎn)生了大量蒸汽，可能導(dǎo)致流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生[3]。日本原子能研究所(JAERI)針對(duì)壓水堆失水事故，建立了大型實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)CCTF和SCTF，發(fā)現(xiàn)再淹沒(méi)過(guò)程中隨著驟冷前沿的推進(jìn)，下降段內(nèi)蒸汽逆向流速增大，產(chǎn)生的大量蒸汽將導(dǎo)致壓力容器內(nèi)壓力升高，降低了冷卻水的注入速率，減弱了堆芯冷卻效果[4]。德國(guó)卡爾斯魯厄核子研究中心(KfK)采用強(qiáng)迫注水方式，分別在1×5棒束和5×5棒束上開(kāi)展了FEBA和SEFLEX實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在再淹沒(méi)過(guò)程初期，過(guò)熱蒸汽與燃料元件發(fā)生對(duì)流傳熱將導(dǎo)致燃料元件表面溫度升高[5-8]。俄羅斯聯(lián)邦原子能機(jī)構(gòu)(IBRAE)針對(duì)WWER-1000壓水堆實(shí)施了研究，發(fā)現(xiàn)由于冷卻水與高溫燃料加熱棒作用產(chǎn)生了大量的水蒸氣，燃料棒束流道中出現(xiàn)了氣液兩相逆向流動(dòng)的現(xiàn)象(CCFL)，從而減緩了冷卻水的注入[9]。

近年來(lái)，美國(guó)AP1000、德國(guó)SWR1000、俄羅斯VK-50以及日本HSBWR和LSBWR等采用非能動(dòng)安全技術(shù)的堆型不斷得到發(fā)展[10]。非能動(dòng)安全技術(shù)僅依靠重力、密度差等自然力為驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)堆芯余熱排出，提高了事故情況下核反應(yīng)堆的安全性和可靠性，是減輕事故后果的重要手段。在依靠自然力為驅(qū)動(dòng)力的冷卻水再淹沒(méi)過(guò)程中，由于冷卻水注入流量較小，且冷卻水與高溫燃料加熱棒相接觸將產(chǎn)生大量蒸汽在壓力容器內(nèi)聚集，會(huì)阻礙冷卻水的持續(xù)注入，導(dǎo)致流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重影響。西安交通大學(xué)針對(duì)超臨界水冷堆CSR1000采用頻域法分析了堆芯平均通道和熱通道在額定功率和流量范圍內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定性，結(jié)果表明熱通道中第1流程較第2流程更易發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象[11]。同時(shí)，針對(duì)并聯(lián)通道流動(dòng)不穩(wěn)定性分析了不同軸向功率加熱方式、入口過(guò)冷度和系統(tǒng)壓力對(duì)穩(wěn)定性邊界和三維不穩(wěn)定性空間的影響[12]。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法研究重力驅(qū)動(dòng)注水過(guò)程流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，分析不同出口形阻、高位儲(chǔ)水箱水位和加熱棒初始溫度條件下的流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象行為特性，可為新一代核電廠非能動(dòng)系統(tǒng)的安全評(píng)估提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置主要由高位儲(chǔ)水箱、實(shí)驗(yàn)本體、冷凝水箱以及相關(guān)管線組成，如圖1所示。高位儲(chǔ)水箱用于儲(chǔ)存冷卻水并提供冷卻水重力壓頭。實(shí)驗(yàn)本體由下降腔和內(nèi)筒體組成，內(nèi)筒體內(nèi)安裝有加熱棒束組件。加熱棒束組件由20根加熱棒和1根非加熱棒組成，如圖2所示，加熱棒和非加熱棒的直徑均為9.5 mm，柵距為13 mm，加熱棒束組件最大加熱功率為10 kW。冷凝水箱用于冷凝實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽和高溫水。實(shí)驗(yàn)本體、蒸汽排放管線均采用空心玻璃棉管進(jìn)行保溫。采用φ1.0 mm T型針狀熱電偶測(cè)量高位儲(chǔ)水箱和管道內(nèi)流體的溫度，采用φ0.8 mm K型鎧裝熱電偶測(cè)量加熱棒表面和流道內(nèi)流體的溫度；使用壓力變送器和壓差變送器測(cè)量實(shí)驗(yàn)回路各處的壓力和壓差。所有信號(hào)均由NI cDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、處理和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中重要參數(shù)的測(cè)量?jī)x器的量程、精度和響應(yīng)時(shí)間列于表1。表1中，g表示相對(duì)壓力。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

圖2 加熱棒布置示意圖Fig.2 Bundle cross-section with marked rods

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍

實(shí)驗(yàn)在系統(tǒng)壓力為0.1 MPa(a)條件下進(jìn)行(a表示絕對(duì)壓力)，保持冷卻水初始溫度以及冷卻水入口形阻不變，在不同高位儲(chǔ)水箱水位、蒸汽出口形阻和加熱棒初始溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于表2。

表1 測(cè)量?jī)x器的量程、精度和響應(yīng)時(shí)間Table 1 Range, accuracy and response time of measuring instrument

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameter

2 重力注水流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象及機(jī)理分析

2.1 重力注水流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，重力驅(qū)動(dòng)注水過(guò)程流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象分為3個(gè)典型的階段：冷卻水初次注入階段、注入水逐出階段和冷卻水再注入階段。圖3示出了高位儲(chǔ)水箱水位為1.6 m、加熱棒初始溫度為400 ℃、冷卻水初始溫度為25 ℃、冷卻水入口流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為1/2、蒸汽出口流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為1/54、系統(tǒng)壓力為0.1 MPa(a)、單根加熱棒衰變熱加熱功率為20 W時(shí)，加熱棒溫度和實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力的變化。冷卻水初次注入開(kāi)始后，冷卻水淹沒(méi)了加熱棒軸向400 mm以下的部分，加熱棒相應(yīng)部分溫度降低，產(chǎn)生了蒸汽在實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部聚集，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力上升，并在52.5 s時(shí)達(dá)到峰值28 kPa(g)。冷卻水初次注入階段結(jié)束后，頂部壓力將注入水逐出實(shí)驗(yàn)本體。圖4示出了相同條件下，實(shí)驗(yàn)本體入口冷卻水流量和流體溫度的變化。從54 s開(kāi)始，實(shí)驗(yàn)本體入口處流體溫度上升到100 ℃以上，流量下降至0 L/h左右，據(jù)此可判斷，實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽將高溫水逐出了實(shí)驗(yàn)本體。由于加熱棒分為加熱區(qū)和非加熱區(qū)，而軸向350 mm處熱電偶是能反映加熱區(qū)壁面溫度的軸向位置最高的熱電偶。因此，當(dāng)冷卻水因?qū)嶒?yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力快速升高發(fā)生逐出、加熱棒上部不再被冷卻水淹沒(méi)時(shí)，軸向350 mm處的溫度可反映加熱棒在衰變熱的作用下溫度出現(xiàn)回升的現(xiàn)象。由圖3可見(jiàn)，加熱棒軸向350 mm位置附近受衰變熱作用再次升溫至253 ℃。隨蒸汽的排出，實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力下降，冷卻水再次注入實(shí)驗(yàn)本體冷卻加熱棒，并產(chǎn)生蒸汽。但由于加熱棒已經(jīng)過(guò)1次冷卻，冷卻水再注入階段產(chǎn)生的蒸汽的量小于冷卻水初次注入階段產(chǎn)生的蒸汽的量，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力峰值減小，冷卻水再逐出階段持續(xù)時(shí)間由8 s縮短為4 s。最終，冷卻水完全淹沒(méi)實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒，加熱棒溫度也保持在40～50 ℃，不再出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力峰值和注入水逐出現(xiàn)象。

圖3 加熱棒溫度及實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力隨時(shí)間的變化Fig.3 Temperature of selected heated rod and pressure at the top of inner cylinder vs. time

圖4 冷卻水流量及實(shí)驗(yàn)本體出入口流體溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 Flow rate of cooling water and temperatures of fluid at inlet and outlet of test section vs. time

2.2 重力注水流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理分析

當(dāng)冷卻水注入開(kāi)始后，實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒加熱棒束間流道氣體溫度降低，實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒壓力逐漸降低。冷卻水在注入過(guò)程中水位不斷升高，并因吸收加熱棒的熱量導(dǎo)致溫度不斷升高，開(kāi)始產(chǎn)生小氣泡(圖5a)。此后，加熱棒表面附近冷卻水溫度較高，加熱棒表面出現(xiàn)了沸騰，開(kāi)始產(chǎn)生氣泡(圖5b)。但由于主流尚未過(guò)熱，氣泡產(chǎn)生量較少，冷卻水繼續(xù)注入。隨加熱棒的繼續(xù)冷卻，冷卻水主流溫度達(dá)到飽和溫度，使得冷卻水快速蒸發(fā)，產(chǎn)生大量氣泡。如此，管道內(nèi)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量蒸汽，使得流道內(nèi)流體空泡系數(shù)迅速增大、密度迅速降低(圖5c)，而密度波傳播的速度遠(yuǎn)快于流量響應(yīng)的速度，因此導(dǎo)致冷卻水流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象(圖5d)。由于實(shí)驗(yàn)本體下部冷卻水溫度較低，只有當(dāng)上部高溫冷卻水全部蒸發(fā)后，過(guò)熱沸騰才會(huì)結(jié)束，蒸汽產(chǎn)生才會(huì)停止。大量水蒸氣在向上流動(dòng)過(guò)程中，也會(huì)由于對(duì)流換熱作用導(dǎo)致加熱棒上部壁面溫度降低。隨蒸汽的逐步排出，實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力迅速下降，使得冷卻水又重新注入，且流量很快接近冷卻水初次注入時(shí)的流量(圖5e)。

圖5 流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理示意圖Fig.5 Schematic diagram of mechanism of flow instability

3 重力注水特性影響因素分析

各組實(shí)驗(yàn)工況的具體參數(shù)列于表3。其中，工況1、2、3、4研究出口形阻對(duì)重力注水過(guò)程流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響；工況2、5研究高位儲(chǔ)水箱水位對(duì)重力驅(qū)動(dòng)注水過(guò)程流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響；工況6、7、8研究加熱棒初始溫度對(duì)重力驅(qū)動(dòng)注水過(guò)程流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響。

表3 實(shí)驗(yàn)工況Table 3 Experimental condition

3.1 蒸汽出口形阻

圖6示出了出口形阻對(duì)實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力的影響情況。實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力表征了蒸汽產(chǎn)生量和壓力振蕩強(qiáng)度，決定了是否發(fā)生注水過(guò)程流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象及發(fā)生次數(shù)。圖6表明工況1～4實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力峰個(gè)數(shù)分別為4、4、3、1個(gè)，第1壓力峰峰值分別為25.71、29.71、20.40、5.77 kPa(g)。每組壓力峰中，壓力峰峰值逐漸降低。工況1～3中，壓力振蕩周期分別為23.38、27.41、26.37 s。可看出，隨出口形阻的減小，壓力峰峰值降低、振蕩周期變長(zhǎng)。圖7示出了出口形阻對(duì)實(shí)驗(yàn)本體入口流體溫度的影響情況。表明工況1～4分別發(fā)生了3、2、1、0次注入水逐出現(xiàn)象。說(shuō)明減小出口形阻可防止蒸汽聚集，有利于防止注入水逐出和流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的出現(xiàn)。工況1～3中，第1次注入水逐出現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間分別為49、51、57 s。當(dāng)出口形阻較大時(shí)，由于高溫加熱棒與冷卻水作用產(chǎn)生的蒸汽不能夠及時(shí)排出，實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部可在更短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大于冷卻水重力壓頭的壓頭，因此注入水逐出現(xiàn)象更早發(fā)生。圖8示出了出口形阻對(duì)加熱棒軸向350 mm處溫度的影響情況。當(dāng)出口形阻較小時(shí)，高溫加熱棒與冷卻水作用產(chǎn)生的蒸汽易于排出，在實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部滯留的蒸汽較少，延緩了注入水逐出過(guò)程的發(fā)生，加熱棒潛熱得到了較充分的釋放，因此，隨出口形阻的減小，加熱棒溫度回升幅度減小。

圖6 出口形阻對(duì)實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力的影響Fig.6 Pressures at the top of inner cylinder under different resistances of steam outlet

圖7 出口形阻對(duì)實(shí)驗(yàn)本體入口流體溫度的影響Fig.7 Temperatures of fluid at inlet of test section under different resistances of steam outlet

3.2 高位儲(chǔ)水箱水位

圖9示出了高位儲(chǔ)水箱水位對(duì)加熱棒軸向350 mm處溫度的影響情況。由于高位儲(chǔ)水箱水位提高，冷卻水初始流速加快，加熱棒冷卻過(guò)程起始時(shí)間提前。此外，由于高位儲(chǔ)水箱水位提高、冷卻水重力壓頭增大，加熱棒軸向350 mm處始終淹沒(méi)在冷卻水中，該處加熱棒溫度未出現(xiàn)回升現(xiàn)象。表明提高高位儲(chǔ)水箱水位、增大冷卻水重力壓頭，可有效增大加熱棒淹沒(méi)率，防止加熱棒受衰變熱作用溫度再次升高。此外，冷卻水完全淹沒(méi)加熱棒所需要的時(shí)間由105 s縮短為89 s，說(shuō)明提高高位儲(chǔ)水箱水位，可在更短的時(shí)間內(nèi)注入所需的冷卻水，迅速降低加熱棒的溫度。圖10示出了高位儲(chǔ)水箱水位對(duì)實(shí)驗(yàn)本體入口流體溫度的影響情況。當(dāng)高位儲(chǔ)水箱水位由1.6 m提升至2.0 m后，整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段注入水逐出現(xiàn)象由2次變?yōu)?次，逐出現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間由9 s減為8 s。由于高位儲(chǔ)水箱水位提高，要發(fā)生注入水逐出現(xiàn)象，需要實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部具有更高的壓力，因此冷卻水需吸收更多加熱棒的熱量以產(chǎn)生足夠的蒸汽，這推遲了注入水逐出現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)間。同時(shí)，第1次注入水逐出現(xiàn)象發(fā)生后，由于高位儲(chǔ)水箱水位提高，實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部已不能積聚起足夠的壓力，因此不再發(fā)生注入水逐出現(xiàn)象。圖11示出了高位儲(chǔ)水箱水位對(duì)實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力的影響情況，工況5實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部?jī)H出現(xiàn)1次壓力峰，且壓力峰出現(xiàn)的時(shí)間偏晚，這與對(duì)注入水逐出現(xiàn)象的分析是相符的。

圖8 出口形阻對(duì)加熱棒軸向350 mm處溫度的影響Fig.8 Temperatures at height of 350 mm of selected heated rod under different resistances of steam outlet

圖9 高位儲(chǔ)水箱水位對(duì)加熱棒軸向350 mm處溫度的影響Fig.9 Temperatures at height of 350 mm of selected heated rod under different water levels

圖10 高位儲(chǔ)水箱水位對(duì)實(shí)驗(yàn)本體入口流體溫度的影響Fig.10 Temperatures of fluid at inlet of test section under different water levels

圖11 高位儲(chǔ)水箱水位對(duì)實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力的影響Fig.11 Pressures at the top of inner cylinder under different water levels

3.3 加熱棒初始溫度

圖12示出了加熱棒初始溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力的影響情況。加熱棒初始溫度由300 ℃升高至600 ℃，實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力峰值由9.25 kPa(g)上升至24.77 kPa(g)。實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力的變化對(duì)冷卻水流量產(chǎn)生了影響。圖13示出了加熱棒初始溫度對(duì)冷卻水流量的影響情況。隨加熱棒初始溫度的升高，冷卻水流量的振蕩更加頻繁、劇烈。當(dāng)加熱棒初始溫度低于300 ℃時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽較少，盡管冷卻水流量有所波動(dòng)，但始終保持注入狀態(tài)，流量也始終保持在200 L/h以上。當(dāng)加熱棒初始溫度高于400 ℃且低于500 ℃時(shí)，冷卻水注入會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，最小流量低于100 L/h。當(dāng)溫度高于600 ℃時(shí)，冷卻水注入發(fā)生了多次停滯，在冷卻水開(kāi)始注入后150 s，冷卻水流量才能穩(wěn)定保持在100 L/s以上。冷卻水注入的波動(dòng)和停滯影響了加熱棒的冷卻時(shí)間。圖14示出了加熱棒初始溫度對(duì)加熱棒軸向350 mm處溫度的影響情況。當(dāng)加熱棒初始溫度分別為300、500、600 ℃時(shí)，加熱棒分別需要72、113、164 s冷卻至100 ℃以下。升高加熱棒溫度導(dǎo)致冷卻水注入發(fā)生波動(dòng)，使加熱棒需要更長(zhǎng)時(shí)間冷卻。

圖12 加熱棒初始溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部壓力的影響Fig.12 Pressures at the top of inner cylinder under different temperatures of heated rods

圖13 加熱棒初始溫度對(duì)冷卻水流量的影響Fig.13 Flow rates of cooling water under different temperatures of heated rods

圖14 加熱棒初始溫度對(duì)加熱棒軸向350 mm處溫度的影響Fig.14 Temperatures at height of 350 mm of selected heated rod under different temperatures of heated rods

4 結(jié)論

重力驅(qū)動(dòng)注水過(guò)程流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象是由于蒸汽聚集并產(chǎn)生大于冷卻水重力壓頭的壓頭導(dǎo)致的注入水逐出現(xiàn)象，注入水逐出現(xiàn)象發(fā)生的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間取決于出入口形阻、高位儲(chǔ)水箱水位和加熱棒初始溫度等多種因素。

出口形阻影響了蒸汽的聚集和排出，減小出口形阻加快了蒸汽排出速度，減少了蒸汽在實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)筒頂部的聚集以及注入水逐出現(xiàn)象發(fā)生的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱棒的冷卻。

高位儲(chǔ)水箱水位影響了冷卻水的注入，提高高位儲(chǔ)水箱水位加快了冷卻水的注入速率，縮短了再淹沒(méi)時(shí)間，降低了流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生次數(shù)和持續(xù)時(shí)間。

加熱棒初始溫度直接決定了實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽的量，對(duì)冷卻加熱棒所需要的時(shí)間具有重大影響，隨加熱棒初始溫度的升高，冷卻水流量出現(xiàn)了波動(dòng)向停滯的轉(zhuǎn)變，流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)。