高志超,曹學(xué)武
(上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院,上海 200240)
當(dāng)反應(yīng)堆發(fā)生事故時,如果安全殼內(nèi)的熱量不能導(dǎo)出,殼內(nèi)壓力將會持續(xù)上升。此時,安全殼過濾排放系統(tǒng)將是一種可能采用的卸壓手段[1]。安全殼過濾排放系統(tǒng)有很多種,包括沙床式過濾排放系統(tǒng)、干式過濾排放系統(tǒng)、濕式與金屬纖維聯(lián)合過濾排放系統(tǒng)等[2-3]。除此之外,將安全殼內(nèi)的氣體直接排放到乏燃料水池中也是一種卸壓方式。
在開展實驗設(shè)計時,往往需要進行?;治觥R虼?,需對安全殼卸壓排放過程的?;治龇椒ㄟM行研究。Ishii等[4]在研究簡化沸水堆中不同于沸水堆的獨特安全系統(tǒng)的性能和相互作用時,開發(fā)了三尺度縮放方法。Jose等[5]在研究AP600的ADS卸壓過程時,以H2TS方法為基礎(chǔ),開發(fā)了ASM?;治龇椒?。除此之外,對于池內(nèi)蒸汽噴射冷凝現(xiàn)象,國內(nèi)外已開展了大量的實驗研究。Chun等[6]和Zhang等[7]分別對單孔鼓泡器的噴射長度和ADS卸壓過程中水池內(nèi)的混合現(xiàn)象進行了研究。Song[8]在研究APR1400內(nèi)置換料水箱中的熱交換過程時認(rèn)為,池內(nèi)的整體熱力學(xué)狀態(tài)、鼓泡器附近的凝結(jié)和混合、蒸汽射流長度、射流特性、池表面擾動和凝結(jié)狀態(tài)等現(xiàn)象為描述蒸汽噴射冷凝過程的重要現(xiàn)象。
本文對安全殼卸壓排放過程?;治龇椒ㄟM行探討,并結(jié)合文獻中的實驗研究結(jié)果,對該過程中的重要現(xiàn)象及相似準(zhǔn)則進行討論。
以乏燃料水池作為洗滌過濾裝置的安全殼卸壓排放過程是將乏燃料水池作為熱阱,將安全殼內(nèi)的混合氣體通過鼓泡器排入乏燃料水池中,通過高溫氣體與過冷水的直接接觸進行能量交換,如圖1所示。安全殼卸壓排放過程涉及到多種熱工水力現(xiàn)象,在對實驗原型進行比例縮放之前需對這些現(xiàn)象進行分析、評估,以保證實驗裝置與原型在現(xiàn)象上的相似。
現(xiàn)象過程識別與排序表(PIRT)能向研究人員提供反應(yīng)堆特定事故場景下的各種現(xiàn)象及其重要程度等信息,以方便研究人員在研究過程中對事故場景進行適當(dāng)?shù)摹⒂袀?cè)重的簡化[9]。為得到真實可靠的安全殼卸壓排放過程中涉及的熱工水力現(xiàn)象及其重要程度,利用現(xiàn)有的類似卸壓過程PIRT中涉及的現(xiàn)象及相關(guān)驗證性試驗裝置搭建經(jīng)驗和實驗研究結(jié)果,開發(fā)了一套針對安全殼卸壓排放過程的關(guān)鍵現(xiàn)象識別及重要性的分析方法。
PIRT的主要內(nèi)容包括兩部分,一部分是通過甄別分析得到關(guān)鍵現(xiàn)象,另一部分是關(guān)鍵現(xiàn)象的重要度排序結(jié)果。PIRT根據(jù)每個現(xiàn)象的重要程度由高至低依次將其分為H、M、L、I 4級[10],分別代表高重要度現(xiàn)象、中等重要度現(xiàn)象、低重要度現(xiàn)象及不相干現(xiàn)象。
本文采用的分析方法建立在現(xiàn)有類似過程的PIRT分析結(jié)果和相關(guān)模化實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,考慮以下3個問題,來對安全殼卸壓排放過程中的關(guān)鍵現(xiàn)象進行識別與重要度排序:1) 在安全殼卸壓排放過程中是否會發(fā)生這個現(xiàn)象;2) 這種現(xiàn)象是否會影響所研究的內(nèi)容,如果影響會有多大;3) 對這一現(xiàn)象是否有足夠的理解,目前的研究結(jié)果如何。
圖2示出關(guān)鍵現(xiàn)象識別及重要度分析方法框圖。如果待分析現(xiàn)象不會在給定位置的給定事故階段發(fā)生,則類似現(xiàn)象的PIRT結(jié)果不適用,判斷該現(xiàn)象為不相干現(xiàn)象,為I級。如果一個現(xiàn)象會發(fā)生,但不會對熱工水力過程產(chǎn)生影響,則認(rèn)為其重要性較低,為L級。如果這種現(xiàn)象會對熱工水力過程產(chǎn)生影響,則需根據(jù)目前對這種現(xiàn)象的理解,來判斷這種現(xiàn)象對熱工水力過程的影響程度,對于影響程度小的,根據(jù)目前研究對其理解,將其重要性認(rèn)定為L級或M級。如果這一現(xiàn)象會對蒸汽冷凝相關(guān)現(xiàn)象產(chǎn)生很大影響,那么需根據(jù)目前的研究成果進行判斷,假設(shè)對該現(xiàn)象已研究透徹,則根據(jù)實際情況認(rèn)定其為M級或H級;若該現(xiàn)象研究不透徹,則認(rèn)定其為H級。
圖2 關(guān)鍵現(xiàn)象識別及重要度分析方法框圖Fig.2 Flowchart of key phenomena identification and ranking analysis method
安全殼卸壓排放過程與壓水堆一回路卸壓、沸水堆卸壓、蒸汽與水直接接觸冷凝等過程類似,這些卸壓及冷凝過程所涉及的部件結(jié)構(gòu)及流動工質(zhì)與安全殼卸壓排放過程基本一致,因此可為安全殼卸壓過程的PIRT分析提供借鑒意義。參考AP系列壓水堆一回路卸壓過程的PIRT[9],對比相關(guān)縮放實驗及實驗研究結(jié)果[4-8,11-13],對在安全殼卸壓排放過程中所涉及現(xiàn)象的重要程度進行評級,得到了安全殼卸壓排放過程的PIRT,結(jié)果列于表1、2。
表1 排放管線及鼓泡器中相關(guān)現(xiàn)象的PIRTTable 1 PIRT of phenomena in vent line and sparger
表2 乏燃料水池相關(guān)現(xiàn)象的PIRTTable 2 PIRT of phenomena in spent fuel pool
以排放管線及鼓泡器中相關(guān)現(xiàn)象的PIRT中的幾何尺寸現(xiàn)象為例,對排放管線及鼓泡器中每個現(xiàn)象的重要度評級過程進行舉例說明:幾何尺寸是指組件的幾何形狀、大小對流出組件的臨界流量有顯著影響的過程。鼓泡器作為排放管線的一部分,是排放管線中幾何結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部分,鼓泡器的幾何形狀對流出組件的臨界流量有顯著影響,故安全殼卸壓排放過程中會發(fā)生復(fù)雜幾何現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)實驗[11-13],鼓泡器的孔數(shù)、孔徑均會對水池中的高壓氣體排放產(chǎn)生較大影響,不同幾何結(jié)果會影響到氣體進入水池后的傳熱情況,因此該現(xiàn)象會影響熱工水力過程,且影響較大,故其重要度為H級。
以影響乏燃料水池中冷凝現(xiàn)象的鼓泡器深度為例,對乏燃料水池中每個現(xiàn)象的重要度評級過程進行舉例說明:鼓泡器深度會影響噴口處壓力及氣泡最大上升距離,進而影響鼓泡器的噴射流量和氣泡遷移過程,因此鼓泡器深度會影響熱工水力過程,且影響較大,故其重要度為H級。
由表1、2可看出:排放管線及鼓泡器中對安全殼卸壓排放過程影響程度較高的現(xiàn)象有臨界和摩擦流、兩相壓降、幾何尺寸及流動狀態(tài);乏燃料水池中對安全殼卸壓排放過程影響程度較高的現(xiàn)象有冷凝、傳熱、幾何尺寸、流體混合、不凝性氣體及熱分層。
根據(jù)表1、2中的結(jié)果及相關(guān)實驗臺架搭建經(jīng)驗和研究結(jié)果[4-8],為準(zhǔn)確表征以上過程中所涉及的現(xiàn)象,安全殼卸壓排放過程驗證性試驗裝置需滿足以下準(zhǔn)則數(shù):
式中:Eu為歐拉數(shù),表征的是排放管線中的臨界和摩擦流、兩相壓降;Δp為排放管線進出口處壓差,Pa;ρg為排放管線內(nèi)混合流體密度,kg/m3;uline為排放管線中流體表觀速度,m/s;Πb為管內(nèi)流動準(zhǔn)則數(shù),表征排放管線中的臨界和摩擦流、兩相壓降、幾何尺寸現(xiàn)象;Gin為鼓泡器進口處混合氣體質(zhì)量流速,kg/(m2·s);ain為鼓泡器噴射面積,m2;τsys為系統(tǒng)時間縮放比值;ρp,0為穩(wěn)定狀態(tài)下管道內(nèi)混合流體密度,kg/m3;Vp,0為穩(wěn)定狀態(tài)下管道內(nèi)混合流體體積,m3;ΠG為鼓泡器噴射長度縮放準(zhǔn)則數(shù),表征排放管線中的鼓泡器幾何尺寸、流動狀態(tài)現(xiàn)象;l為氣流噴射長度,m;d為鼓泡器單孔孔徑,m;G0為鼓泡器出口處混合氣體質(zhì)量流速,kg/(m2·s);Gm為混合氣體從被噴射出到完全冷凝過程中的平均質(zhì)量流速,kg/(m2·s);Sm為運輸系數(shù);B為冷凝驅(qū)動勢;Πd為水池中蒸汽冷凝現(xiàn)象準(zhǔn)則數(shù),表征排放管線中的鼓泡器幾何尺寸、臨界和摩擦流以及乏燃料水池中的冷凝、傳熱、流體混合現(xiàn)象;Qc為蒸汽凝結(jié)功率;Eg為蒸汽潛熱通量;LTR為鼓泡器淹沒深度縮放比值;Qg為混合氣體體積流量,m3/s;n為鼓泡器孔數(shù);g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋沪癳為水池排氣過程準(zhǔn)則數(shù),表征乏燃料水池中的熱分層、水池幾何尺寸、不凝性氣體現(xiàn)象;nR為鼓泡器孔數(shù)縮放比值;DJ,R為噴射區(qū)域當(dāng)量直徑縮放比值;QgR為混合氣體體積流量縮放比值;Ri為理查森數(shù);β為冷卻水的熱膨脹系數(shù);Tg與Tl分別為混合氣體與冷卻水溫度,℃;ug為混合氣體的流速,m/s;Ls為鼓泡器到底部壁面的距離;ρl為冷卻水密度,kg/m3。
表3總結(jié)了每個準(zhǔn)則數(shù)所針對的現(xiàn)象、參數(shù)及依據(jù)來源,所有準(zhǔn)則數(shù)均參考已搭建并測試成功的實驗裝置在模擬類似過程所采用的準(zhǔn)則數(shù),通過現(xiàn)象的相似性對比,進而選取為安全殼卸壓排放過程模型實驗的縮放準(zhǔn)則。這些準(zhǔn)則數(shù)分別表征了PIRT分析中的重要度較高的現(xiàn)象,根據(jù)《AP1000的PIRT分析和模化評估報告》[9]中的要求,以上相似準(zhǔn)則數(shù)在縮放過程中應(yīng)保證在0.5~2之間,才能認(rèn)為實驗裝置的縮放失真是可以接受的。
表3 縮放準(zhǔn)則數(shù)總結(jié)Table 3 Summary of scaling criteria
本文基于已有的PIRT和實驗研究,對大型非能動先進壓水堆安全殼卸壓排放過程進行了系統(tǒng)性的分析,探索性地討論了一套適用于該過程的現(xiàn)象識別及重要性分析方法,得到如下結(jié)果。
1) 利用開發(fā)的關(guān)鍵現(xiàn)象識別及重要性分析方法,得到了安全殼卸壓排放過程中排放管線和鼓泡器及乏燃料水池中相關(guān)現(xiàn)象的PIRT。
2) 根據(jù)安全殼卸壓排放過程的PIRT,結(jié)合類似實驗臺架的搭建經(jīng)驗及實驗結(jié)果,得到了驗證性試驗裝置模擬實驗原型所需滿足的縮放準(zhǔn)則。
根據(jù)本文的研究,給出了模擬安全殼卸壓排放過程需要滿足的準(zhǔn)則數(shù),為驗證性試驗裝置的搭建提供設(shè)計基礎(chǔ)和理論依據(jù),為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。