CFR600冷停堆工況下主系統(tǒng)熱量平衡分析

曹玲

【摘 要】反應(yīng)堆主熱傳輸系統(tǒng)需要考慮系統(tǒng)散熱的影響，根據(jù)散熱情況設(shè)置保溫。壓水堆電廠在冷停堆工況下只需要維持在較低的溫度下，而鈉冷快堆以液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，其熱傳輸性能遠(yuǎn)高于水，且其溫度必須維持在一定溫度以上不能使鈉凝固。本文通過分析CFR600冷停堆工況下主系統(tǒng)的熱源和散熱情況，建立主系統(tǒng)熱平衡分析模型，編制計算程序，為后續(xù)進(jìn)行熱平衡計算、為CFR600維持穩(wěn)定運行工況提供技術(shù)參考。

【關(guān)鍵字】散熱;熱平衡;主系統(tǒng);鈉冷快堆

中圖分類號： TH243文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）18-0096-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.047

Analysis of Main System of CFR600 Heat Balance under Cold Shutdown Condition

CAO Ling

（CNNP XiaPu Nuclear Power Co，Ltd. Operations Branch， Ningde Fujian 352000， China）

【Abstract】The reactor cooling system needs to consider the influence of the heat dissipation and set the insulation. The pressurized water reactor power plant only needs to be maintained at a lower temperature under the cold shutdown condition. But sodium cooled fast reactor uses liquid metal sodium as the coolant， and its heat transfer performance is much higher than water， and its temperature must be maintained at a higher temperature. This paper analyzes the heat source and heat dissipation of the reactor cooling system under the CFR600 cold shutdown condition， and establishes the heat balance analysis model and writes calculation program to provide a technical reference for heat balance calculation and reactor operation.

【Key words】Heat dissipation; Heat balance; Main system; Sodium cold fast reactor

0 概述

鈉冷快堆使用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，鈉的熔點低、沸點高，是具有良好導(dǎo)熱性的金屬，熔點為97.8℃，在常溫下為固態(tài)，在同樣的工作溫度下（鈉250℃，水280℃、15.5MPa），鈉的導(dǎo)熱系數(shù)為水的130倍左右。此外，鈉還具有活潑的化學(xué)性質(zhì)，與水、空氣都會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這就導(dǎo)致鈉冷快堆與壓水堆電廠有較大的區(qū)別。壓水堆核電廠在大修換料期間可以將冷卻劑排出主系統(tǒng)，在冷停堆和換料工況下，由于其冷卻劑是水，也不存在冷凍凝固的風(fēng)險。而鈉冷快堆冷卻劑充入主系統(tǒng)后運行階段不能將冷卻劑排出主系統(tǒng)，必須始終維持鈉溫在其熔點之上，再考慮到鈉中雜質(zhì)的影響、主系統(tǒng)中各個部位鈉溫分布不均勻的情況，冷停堆工況下鈉溫必須維持在比較高的水平，CFR600的設(shè)計溫度為250℃。冷停堆工況下，堆芯發(fā)熱很少（衰變熱），主冷卻劑系統(tǒng)的散熱對鈉溫的影響很大，通過建立冷停堆工況下的熱平衡分析模型，掌握影響主冷卻劑系統(tǒng)鈉溫穩(wěn)定的主要因素，可以為反應(yīng)堆鈉溫的有效控制提供技術(shù)參考。

1 主系統(tǒng)熱平衡分析

CFR600一回路主冷卻系統(tǒng)為池式結(jié)構(gòu)，一回路主要設(shè)備均布置在反應(yīng)堆容器中，為了防止一回路的放射性物質(zhì)進(jìn)入水汽循環(huán)回路，同時也為防止蒸汽發(fā)生器發(fā)生鈉水反應(yīng)后，水/蒸汽進(jìn)入反應(yīng)堆主容器造成破壞，鈉冷快堆設(shè)置了起隔離作用的二回路主冷卻劑系統(tǒng)。在冷停堆工況下，反應(yīng)堆運行應(yīng)滿足熱平衡的要求，即

Q加熱=Q散熱

停堆工況下的加熱源主要取決于核功率的剩余衰變和主泵的加熱功率，另外，當(dāng)二回路鈉溫高于一回路鈉溫時，中間熱交換器則向一回路冷卻劑系統(tǒng)反向加熱。在計算中若中間熱交換器的散熱量為負(fù)值，則表示中間熱交換器反向加熱。而熱量喪失主要是反應(yīng)堆容器表面散熱和事故余熱排出、一回路鈉凈化系統(tǒng)、二回路主冷卻劑系統(tǒng)從主系統(tǒng)帶走的熱量。

1.1 一回路加熱源

一回路主冷卻劑系統(tǒng)的加熱源主要為以下幾項：

1.1.1 反應(yīng)堆堆芯衰變熱

反應(yīng)堆停堆后主要由裂變產(chǎn)物和錒系元素的放射性衰變對剩余功率作貢獻(xiàn)。這部分能量就是衰變熱。根據(jù)博斯特-惠勒函數(shù)可以近似計算出反應(yīng)堆停堆后的衰變熱。

P（t，T）=6.65×10-2P[t-0.2-（t+T）-0.2][1]

其中，P為停堆前反應(yīng)堆運行功率，MW

T為反應(yīng)堆運行時間，s

t為反應(yīng)堆停堆時間，s

對于首次充鈉后的反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)，由于尚未進(jìn)行核裂變反應(yīng)，該項加熱源加熱功率為零。

1.1.2 一回路主冷卻劑鈉循環(huán)泵加熱功率

一回路主冷卻系統(tǒng)主循環(huán)泵用于驅(qū)動主容器內(nèi)的液態(tài)鈉冷卻劑循環(huán)，冷卻劑首先通過堆芯，冷卻堆芯，帶走熱量，然后經(jīng)過中間熱交換器冷卻再進(jìn)入一回路主循環(huán)鈉泵。隨流體流動，主循環(huán)泵機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，具備一定的加熱能力。這也是冷停堆工況下主系統(tǒng)的主要熱源。

根據(jù)泵的工作原理，泵的電機(jī)功率中有一部分轉(zhuǎn)換成了一回路主冷卻劑的熱量，其他部分則由于損耗而釋放到環(huán)境中，即

泵的電機(jī)功率=泵的機(jī)械功率+電機(jī)損失

=泵的加熱功率+泵的機(jī)械損失+電機(jī)損失

泵的機(jī)械損失可以通過下式計算：

N機(jī)械損失=N1+N2+N3+N4+N5

其中N電機(jī)=f（n），根據(jù)泵與轉(zhuǎn)速的實際對應(yīng)關(guān)系得出，ηe為電機(jī)效率。

一回路主冷卻系統(tǒng)設(shè)置兩臺主循環(huán)泵，每臺泵電機(jī)額定功率4000kW，在冷停堆工況下，主泵轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的15%。根據(jù)主循環(huán)泵的設(shè)備參數(shù)和調(diào)試結(jié)果可以得出冷停堆工況下主循環(huán)泵的加熱功率。

1.1.3 二回路主冷卻劑系統(tǒng)反向加熱功率

二回路主冷卻劑系統(tǒng)也設(shè)置有兩臺鈉循環(huán)泵，還布置有電加熱系統(tǒng)，在冷停堆工況下為系統(tǒng)提供加熱以平衡系統(tǒng)散熱。并且可以維持鈉溫在250℃以上，通過中間熱交換器反向加熱一回路冷卻劑。

根據(jù)熱交換器的換熱原理，得出二回路向一回路反向加熱的熱量為：

式中，cp為鈉的定壓比熱容2為二回路質(zhì)量流量，ΔT為中間熱交換器二回路側(cè)進(jìn)、出口溫差。中間熱交換器二次側(cè)進(jìn)口鈉溫10JGB10CT002（10JGB20CT002），中間熱交換器二次側(cè)出口鈉溫10JGB10CT006（10JGB20CT006），系統(tǒng)工作壓力10JGB10CP001（10JGB20CP001），環(huán)路流量10JGB11CF002～10JGB18CF002（10JGB21CF002～10JGB28CF002）。

在堆容器首次充鈉時，若二回路尚未充鈉，則該項為零。

1.2 一回路散熱

CFR600一回路設(shè)備均布置在反應(yīng)堆容器中，在堆容器頂部有管道分別與二回路主冷卻系統(tǒng)、事故余熱排出系統(tǒng)、一回路鈉凈化系統(tǒng)連接。因此，一回路系統(tǒng)的散熱也主要通過堆容器、二回路主冷卻系統(tǒng)、事故余熱排出系統(tǒng)和一回路鈉凈化系統(tǒng)。

1.2.1 通過反應(yīng)堆容器散熱

CFR600反應(yīng)堆容器是雙層結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部為主容器、外部為保護(hù)容器，從形狀結(jié)構(gòu)上來看，可以分為橢球形底部、圓柱形筒體和錐形頂蓋三部分，錐形頂蓋上部設(shè)置有旋塞;從容器內(nèi)部介質(zhì)來看，底部和圓柱形筒體下部為液態(tài)金屬鈉、圓柱形筒體上部和錐形頂蓋部分為氬氣。堆容器的總散熱量可表示為

Q堆容器=Q旋塞+Q錐形頂蓋+Q圓筒體+Q底部封頭

對各部位采用一維平板散熱近似計算。

旋塞兩側(cè)未設(shè)置壁面溫度測點，采用錐形頂蓋上部的壁溫來替代旋塞底部溫度，旋塞上部溫度使用堆頂防護(hù)罩內(nèi)空氣溫度，則

其中αair表示空氣換熱系數(shù)。

對于其他部位熱端溫度取保護(hù)容器壁溫，圓筒體部分在溫度偏差較大的情況下采用分段計算散熱量，冷端溫度取堆腔坑溫度。則

1.2.2 通過二回路主冷卻劑系統(tǒng)散熱

通過中間熱交換器的熱量傳遞取決于一、二回路的溫度，當(dāng)一回路鈉溫高于二回路時為散熱項，低于二回路時為加熱源。故該項同QIHX。

1.2.3 通過事故余熱排出系統(tǒng)散熱

事故余熱排出系統(tǒng)由4條相互獨立的環(huán)路構(gòu)成，每一條由獨立熱交換器、鈉-空氣熱交換器、鈉緩沖罐、拔風(fēng)煙囪、鈉接收罐及連接它們的管道組成。它依靠自然循環(huán)驅(qū)動力為一回路主冷卻系統(tǒng)提供冷卻，通過該系統(tǒng)的散熱量可以根據(jù)換熱器模型進(jìn)行計算表示為：

該系統(tǒng)的參數(shù)可以通過系統(tǒng)儀表讀取，獨立熱交換器二次側(cè)進(jìn)口鈉溫10JNB10（20/30/40）CT003，獨立熱交換器二次側(cè)出口鈉溫10JNB10（20/30/40）CT004，獨立熱交換器二次側(cè)鈉流量10JNB10（20/30/40）CF001，事故余熱排出系統(tǒng)工作壓力10JNB10（20/30/40）CP001，在堆容器首次充鈉階段，由于該系統(tǒng)尚未充鈉，散熱量可視為零。

1.2.4 通過一回路鈉凈化系統(tǒng)散熱

一回路鈉凈化系統(tǒng)正常運行工況下，以穩(wěn)定的流量對一回路冷卻劑進(jìn)行凈化，一回路冷卻劑由電磁泵驅(qū)動、經(jīng)過省熱器冷卻、冷阱凈化、省熱器加熱然后回到主系統(tǒng)。該系統(tǒng)還與一回路鈉分析監(jiān)測系統(tǒng)、一回路鈉充排系統(tǒng)連接。忽略中間過程，只關(guān)注鈉凈化系統(tǒng)的進(jìn)出口溫度和流量，可以將該系統(tǒng)等效為一個熱交換器，因此其散熱量可簡化計算為

其中凈化流量、系統(tǒng)壓力、進(jìn)出口鈉溫通過以下儀表測量獲?。?/p>

一回路鈉凈化流量10KBE10CF001，一回路鈉凈化系統(tǒng)進(jìn)口鈉溫10KBECT001、一回路鈉凈化系統(tǒng)工作壓力10KBE20CP001（10KBE20CP002）、一回路鈉凈化系統(tǒng)出口鈉溫10KBE30CT015（10KBE40CT015或10KBE50CT015）。

上述鈉的比熱容可以通過下式計算得到：

cp=38.121-6.9×104T-2-1.949×10-2T+1.024×10-5T2[3]

其中371.02K？燮T？燮2300K。

2 結(jié)論

根據(jù)鈉冷快堆一回路主冷卻劑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布置情況，分析了加熱源和散熱項，利用泵的工作原理和傳熱學(xué)基本知識對各項的熱量建立了計算方法，通過編制計算程序，在堆容器進(jìn)鈉后利用系統(tǒng)參數(shù)作為輸入進(jìn)行計算，將計算結(jié)果和實際運行情況進(jìn)行對比，并對計算模型進(jìn)行修正，一方面可以驗證設(shè)計是否滿足冷停堆工況下主系統(tǒng)的熱量平衡需求，另一方面也可以為反應(yīng)堆溫度控制提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李澤華.快中子反應(yīng)堆物理，北京：原子能出版社，2011.

[2]劉尚波.中國實驗快堆堆本體和一回路系統(tǒng)熱平衡分析，核科學(xué)與工程，2013（3）：225-230.

[3]徐銤，洪順章.鈉工藝基礎(chǔ)，北京：原子能出版社，2011.