堆芯補水箱內(nèi)熱工水力現(xiàn)象識別與研究

劉宇生，王庶光，李東陽，*，唐濟林，譚思超

（1. 國家環(huán)境保護核與輻射安全審評模擬分析與驗證重點實驗室 生態(tài)環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江省核動力裝置性能與設(shè)備重點實驗室，哈爾濱 150001；3. 哈爾濱工程大學(xué) 核安全與先進核能技術(shù)工信部重點實驗室，哈爾濱 150001；4. 中國核動力研究設(shè)計院，成都 610213）

AP1000是由美國西屋公司設(shè)計研發(fā)的非能動安全壓水堆核電技術(shù)，其安全系統(tǒng)全部采用非能動安全的設(shè)計理念，即基于重力、熱傳遞、慣性等非能動的方式驅(qū)動安全系統(tǒng)運行，在簡化系統(tǒng)設(shè)計的同時提高了安全系統(tǒng)的可靠性，提高了核電廠的經(jīng)濟性。堆芯補水箱（Core Make-up Tank，CMT）是其最具特色的非能動部件之一，主要用于高壓階段的堆芯補水和冷卻［1］。

1 CMT設(shè)計及功能概述

AP1000機組共配置兩臺堆芯補水箱，該水箱內(nèi)充滿低溫濃硼水，暴露在安全殼中，無加熱或隔熱裝置，水溫與安全殼環(huán)境溫度一致。非能動安注系統(tǒng)示意圖如圖1所示，堆芯補水箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。CMT設(shè)計為帶有半球形上、下封頭的鋼制鍛焊容器，內(nèi)壁堆焊不銹鋼，上、下封頭開設(shè)帶安全端的進、出口接管各1個，筒體開設(shè)1個人孔，筒身和封頭開設(shè)17個測量儀表接管，下封頭焊接8個支承柱用于支承殼體。此外，為避免筒體內(nèi)部出現(xiàn)快速冷凝，CMT上方入口處還安裝了周向開孔而頭部堵住的蒸汽分配器［2］。

圖1 AP1000非能動安注系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the AP1000 passive safety injection system schematic

圖2 堆芯補水箱結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of the CMT

CMT的運行對于非能動堆芯冷卻系統(tǒng)（Passive Core Cooling System，PXS）完成其應(yīng)急堆芯冷卻功能至關(guān)重要，因為CMT的注入直接取代了傳統(tǒng)壓水堆中使用的高壓注射泵，屬于高壓安全注射階段唯一的冷卻劑源。CMT的工作原理主要是利用堆芯補水箱與堆芯的高度差和密度差，在重力作用下形成驅(qū)動壓頭，驅(qū)動堆芯補水箱內(nèi)的含硼冷水向反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)注入，實現(xiàn)堆芯的補水和冷卻。

根據(jù)事故類型和事故嚴(yán)重程度的不同，CMT運行主要存在兩種模式，分別為水循環(huán)模式和蒸汽替代模式［2］，其中水循環(huán)模式是指堆芯的熱水經(jīng)壓力平衡管線流入CMT，CMT內(nèi)儲存的含硼冷水通過直接注入管線注入反應(yīng)堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV），CMT內(nèi)部逐漸被熱水充滿，冷水逐步被置換，自然循環(huán)驅(qū)動力逐步減弱，整個循環(huán)過程以水為工質(zhì)進行，不涉及蒸汽；蒸汽替代模式是指堆芯內(nèi)蒸汽經(jīng)壓力平衡管線（Pressure Balance Line，PBL）流入CMT，在CMT液體表面和低溫壁面處發(fā)生冷凝，冷凝水隨即補償CMT液位，該循環(huán)模式下，涉及蒸汽-水相變、CMT排水、液位持續(xù)下降等現(xiàn)象。在破口失水事故（Loss of Coolant Accident，LOCA）中，CMT兩種運行模式及其運行時間主要由破口大小決定，當(dāng)破口尺寸較小時，水循環(huán)模式可以維持較長時間；當(dāng)破口尺寸較大時，水循環(huán)過程會很短，隨著CMT排水，系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽就會持續(xù)流入CMT，進入蒸汽替代運行模式。

2 基于CMT整體效應(yīng)試驗的現(xiàn)象識別

CMT工作過程與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)狀態(tài)密切相關(guān)，同時其內(nèi)部還存在復(fù)雜的蒸汽冷凝流動、熱分層等過程，因此國內(nèi)外學(xué)者對CMT相關(guān)的熱工水力現(xiàn)象開展了大量研究，本文基于已有的研究結(jié)果，識別了其中的關(guān)鍵熱工水力現(xiàn)象，分析了現(xiàn)象發(fā)生的機理，并根據(jù)現(xiàn)象層次的不同，進行了熱工水力現(xiàn)象的梳理。

CMT的兩種運行模式均是以冷熱端密度差作為驅(qū)動力進行的自然循環(huán)過程。其中水循環(huán)模式為單相自然循環(huán)過程，驅(qū)動力為CMT內(nèi)冷水與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（Reactor Coolant System，RCS）熱水之間的密度差；蒸汽替代模式為兩相自然循環(huán)過程，驅(qū)動力為CMT內(nèi)儲水與RCS內(nèi)飽和蒸汽之間的密度差。兩種循環(huán)模式下，循環(huán)流量均由冷熱端密度差產(chǎn)生的驅(qū)動力和回路阻力匹配的結(jié)果決定。對于CMT不同的運行模式，國內(nèi)外科研機構(gòu)基于整體效應(yīng)試驗裝置（Integral Effect Test Facility，IETF），開展了大量的試驗研究。

歐盟利用PACTEL裝置開展了多項CMT實驗研究［3］。PACTEL是以Loviisa型VVER-440作為參考原型設(shè)計的IETF。PACTEL試驗裝置上先后開展了一系列熱管段小破口失水 事 故（Small Break Loss of Coolant Accident，SBLOCA），重點模擬CMT水循環(huán)模式中重力驅(qū)動的堆芯冷卻過程。試驗中觀察到，CMT頂部的蒸汽快速冷凝會多次中斷應(yīng)急堆芯冷卻的流量。在“先進輕水反應(yīng)堆非能動安全注射系統(tǒng)評估”項目中，歐盟進一步研究了破口尺寸和位置、CMT尺寸和位置、蒸汽分配器的移除、CMT和PBL的初始水溫、PBL連接位置和安注管線流動阻力等因素對LOCA期間非能動安全注射系統(tǒng)熱工水力行為的影響。此外，該試驗還研究了CMT壁面的熱傳遞及其內(nèi)部流體的熱分層現(xiàn)象。該試驗表明，CMT頂部的蒸汽分配器對于限制快速冷凝具有重要作用。

日本利用ROSA-AP600裝置開展了西屋非能動核電廠CMT的實驗研究［4］，ROSAAP600是日本原子力研究所（Japan Atomic Energy Research Institute，JAERI）在 模 擬 西 屋四環(huán)路壓水堆的大型試驗裝置（Large-scale Test Facility，LSTF）基礎(chǔ)上，針對AP600設(shè)計改造得到的1/48體積比例、全高、全壓力的IETF。利用ROSA-AP600，日本開展了多種LOCA模擬試驗，其結(jié)果表明，除壓力平衡管線（PBL）破口試驗和壓力容器直接注入（Direct Vessel Injection，DVI）破口試驗外，在其他位置的LOCA中，兩列CMT的熱工水力行為幾乎相同。ROSA-AP600-CMT試驗證實：在堆芯與CMT的自然循環(huán)流動過程中，CMT內(nèi)部出現(xiàn)了顯著的熱分層現(xiàn)象，因為來自冷管段的熱水聚集在CMT上部區(qū)域，但由于西屋非能動核電廠CMT內(nèi)的軸向熱傳導(dǎo)和擴散非常微弱，熱分層的運動基本上是一維向下的；該試驗還表明，除PBL破口外，破口大小及位置對CMT自然循環(huán)速率的影響并不顯著；LOCA期間，自動卸壓系統(tǒng)（Automatic Depressurization System，ADS）投入后，RCS的卸壓過程會使CMT上部的熱水層產(chǎn)生閃蒸，并在一定程度上增加CMT的排水速率。

針對自主開發(fā)的AC600設(shè)計，中國核動力院開展了全壓CMT實驗［5］，實驗在CMT模擬體中設(shè)置了36支熱電偶測量鋼壁和流體的溫度，通過電接點水位計和差壓水位計同時測量水位，渦輪流量計測量排放流量，此外還測量了CMT內(nèi)壓力。試驗結(jié)果表明：CMT投入后的排放初期，因受到CMT冷壁面和冷水表面強烈的冷凝作用，從穩(wěn)壓器進入CMT模擬體內(nèi)的蒸汽會導(dǎo)致CMT模擬體內(nèi)出現(xiàn)壓力脈動，造成排放管內(nèi)質(zhì)量流速呈短期低位脈動平臺特性；破口尺寸較小時，進入穩(wěn)定排放期后CMT模擬體處于重力排放過程；蒸汽替代模式下，CMT向RPV內(nèi)注水，從穩(wěn)壓器向CMT內(nèi)流入蒸汽，CMT內(nèi)、外壁面間會形成很大的溫差。

韓國利用SMART-ITL裝置開展了針對模塊化小型堆SMART CMT的實驗研究［6］。SMART模塊化小型堆是韓國設(shè)計研發(fā)的一體式反應(yīng)堆，其主冷卻劑系統(tǒng)的主要部件均包含在壓力容器中，如穩(wěn)壓器、堆芯、蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆冷卻劑泵。SMART-ITL開展的CMT試驗表明：SMART CMT的安注過程存在三個階段，即循環(huán)階段、振蕩階段和穩(wěn)定注入階段，PBL溫度及其接口位置、CMT水位等因素對每個階段都存在重要影響；PBL溫度和CMT水位兩個參數(shù)決定了CMT及其支路的運行階段，即再循環(huán)階段主要取決于CMT水位，振蕩階段主要由PBL蒸發(fā)現(xiàn)象主導(dǎo)，當(dāng)PBL和CMT上部區(qū)域的流體溫度相等時，則進入穩(wěn)定注入階 段。Lee［7］對CARR Passive反 應(yīng) 堆（CP1300）中非能動高壓注入系統(tǒng)（Passive High Pressure Injection System，PHPIS） CMT中直接接觸冷凝的能力進行了試驗分析。試驗采用蒸汽發(fā)生器提供蒸汽，并將蒸汽直接注入CMT冷水。試驗監(jiān)測了CMT排放的流量以及水位，并采用熱電阻測量CMT軸向水溫。研究結(jié)果表明：水的過冷度越大，CMT注水啟動時間越晚，蒸汽分配器和熱水自然循環(huán)均能夠加速重力驅(qū)動注水行為的啟動。Lee將直接接觸冷凝現(xiàn)象分為聲速噴射、亞音速噴射和蒸汽空腔三種模式，并提出了適用于CMT的冷凝模型［8］。

中國在國核一號的研發(fā)過程中，利用ACME試驗裝置研究了小破口失水事故下CMT的瞬態(tài)響應(yīng)和熱工水力行為［9］，其研究結(jié)果表明：在不同的實驗過程中，CMT內(nèi)流體的熱分層模式是類似的，熱流體層可將熱蒸汽和冷流體分開；ADS降壓會導(dǎo)致CMT閃蒸，進而增加CMT-RCS壓差，同時也會顯著縮小熱分層區(qū)域，但系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，熱分層會恢復(fù)，并持續(xù)到長期冷卻階段；閃蒸過程可以冷卻CMT壁面，引起CMT壁面的反向傳熱，在CMT循環(huán)和排放過程中，CMT壁面儲熱將在ADS啟動后逐步釋放。

對上述不同整體試驗裝置的CMT試驗進行歸納總結(jié)，其結(jié)果表明：LOCA事故條件下，CMT的瞬態(tài)響應(yīng)可以分為兩個存在顯著區(qū)別的階段，即自然循環(huán)階段和蒸汽替代階段，在自然循環(huán)階段中，可識別的較為明顯的現(xiàn)象或參數(shù)包括系統(tǒng)自然循環(huán)速率、硼的遷移、冷熱分層和破口位置；在蒸汽替代階段，可識別的較為明顯的現(xiàn)象或參數(shù)包括閃蒸、蒸汽冷凝、壁面儲熱釋放等。

3 CMT內(nèi)熱工水力現(xiàn)象分析

在不同運行模式下，堆芯-CMT間的自然循環(huán)過程會同時受到如2.1節(jié)所述CMT內(nèi)部局部現(xiàn)象或局部參數(shù)的影響，如CMT內(nèi)部因溫差導(dǎo)致的冷熱分層、硼的遷移及混合、蒸汽與CMT自由液面的冷凝、蒸汽與CMT壁面的冷凝、壁面儲熱等?；贑MT的工作模式和運行參數(shù)條件，可對CMT內(nèi)的主要局部現(xiàn)象開展進一步的分析討論。

（1）硼的遷移和混合

在事故條件下，CMT內(nèi)含硼冷水會隨著安注流動出現(xiàn)遷移和混合等現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要發(fā)生在水循環(huán)模式的初期。根據(jù)趙婷杰等的研 究［10］，硼酸在水中跟隨性較好，其濃度變化主要受到安注流體的流速和溫度兩個因素的影響。從影響因素來看，安注流速主要由堆芯-CMT間的自然循環(huán)現(xiàn)象決定，即由密度差驅(qū)動力與CMT支路的阻力匹配決定；CMT內(nèi)的溫度分布，主要由冷熱分層現(xiàn)象決定。因此硼酸的遷移和混合現(xiàn)象，主要是受到CMT內(nèi)熱工水力現(xiàn)象的影響，該現(xiàn)象本身對CMT內(nèi)流動和溫度分布的影響可以忽略。因此可以將該現(xiàn)象與CMT內(nèi)其他的熱工水力現(xiàn)象解耦，單獨予以研究。

（2） CMT混合液位

CMT內(nèi)的混合液位具有比較重要的作用，因為該參數(shù)往往與安注系統(tǒng)整定值相關(guān)［2，6］，對LOCA事故的進程具有顯著影響。但就CMT熱工水力研究而言，該參數(shù)同時受到CMT內(nèi)蒸汽冷凝、流體冷熱混合、CMT-堆芯自然循環(huán)等多個物理過程的影響，是這些過程耦合共同作用的結(jié)果，因此對CMT混合液位的研究，應(yīng)依賴于蒸汽冷凝、冷熱流體混合、CMT-堆芯自然循環(huán)等現(xiàn)象的準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)和耦合運行，單獨開展試驗研究的意義不大。

（3）閃蒸

CMT中的閃蒸現(xiàn)象主要發(fā)生在自動卸壓系統(tǒng)工作階段，其作用機理在于閃蒸會導(dǎo)致熱水瞬間蒸發(fā)從而產(chǎn)生大量蒸汽，其直接作用結(jié)果為CMT內(nèi)的熱流體因汽化而減少，冷熱分層現(xiàn)象會受到影響；其間接作用結(jié)果為CMT熱流體層形成的蒸汽會改變CMT-堆芯間的密度差，在重力作用下，該密度差會影響CMT支路的循環(huán)驅(qū)動力。閃蒸現(xiàn)象直接影響作用的特征時 間［11］與降壓過程的時間尺度一致，間接影響作用的特征時間與自然循環(huán)的時間尺度相當(dāng)。

閃蒸現(xiàn)象是一個復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，至今尚未有一個理想的關(guān)聯(lián)式，已有文獻研究表明［12］，影響閃蒸的主要參數(shù)為壓降、降壓率和初始溫度，因此針對原型設(shè)計的試驗驗證，無論是開展整體效應(yīng)試驗研究還是單項效應(yīng)試驗研究，均應(yīng)采用等壓模式方式，否則獲得的閃蒸試驗現(xiàn)象與原型設(shè)計會存在比較大的差異。

（4）蒸汽冷凝

蒸汽替代循環(huán)模式下，根據(jù)冷凝發(fā)生位置的不同，分為CMT熱液層冷凝和壁面冷凝兩類［13］。

對于CMT頂部未配置蒸汽分配器的設(shè)計，冷凝現(xiàn)象以自由液面冷凝為主，蒸汽與水的直接接觸冷凝占主導(dǎo)地位［14］。由于直接接觸冷凝的換熱系數(shù)十分依賴于流動狀態(tài)，需要正確地識別流動狀態(tài)，才可能對相關(guān)的換熱速率做出正確的預(yù)測，針對此類現(xiàn)象的研究應(yīng)單獨開展試驗研究。直接接觸冷凝的速率與持續(xù)時間受到CMT液體冷熱分層的影響，因此針對CMT中直接接觸冷凝的研究通常還需要考慮冷熱分層。同時已有研究表明［3］，該設(shè)計方案中蒸汽冷凝過程對CMT排水的驅(qū)動壓頭會產(chǎn)生比較大的影響，導(dǎo)致其排水過程產(chǎn)生波動，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致安注過程停滯。為了避免快速冷凝的不良影響，CMT頂部配置了蒸汽分配器以改變蒸汽注入方向從而避免蒸汽集中加熱CMT上部液體。

對于CMT頂部配置蒸汽分配器的設(shè)計，蒸汽進入CMT后，其流動方向被改變?yōu)橹苯酉虮诿鎳姺帕鲃?，蒸汽趨向與壁面優(yōu)先接觸，導(dǎo)致壁面冷凝量遠大于熱液層的冷凝量；同時，由于金屬壁面的導(dǎo)熱系數(shù)更高，相較于熱液層冷凝來說，蒸汽在壁面的冷凝量更占優(yōu)勢，因此可以認(rèn)為該類設(shè)計中，CMT內(nèi)的冷凝主要是壁面冷凝過程［15］。

（5）壁面儲熱

壁面冷凝過程與壁面條件密切相關(guān)［15，16］，由于CMT罐體較大，承壓要求又導(dǎo)致其設(shè)計壁厚較大，事故條件下CMT的厚鋼壁會充當(dāng)冷凝蒸汽的良好介質(zhì)，CMT罐體本身形成了一個帶有較大容量的冷源，因此CMT壁面內(nèi)部的導(dǎo)熱現(xiàn)象及整體的儲熱釋放，對CMT內(nèi)的冷凝過程也存在較大影響，也需要在?；杏枰钥紤]。

在自動卸壓系統(tǒng)工作階段，隨著RCS系統(tǒng)壓力下降，CMT中出現(xiàn)閃蒸導(dǎo)致內(nèi)部熱流體溫度下降，此時可能發(fā)生壁面反向傳熱現(xiàn)象。考慮壁面反向?qū)岈F(xiàn)象時，也應(yīng)從導(dǎo)熱方面入手。不同于壁面冷凝時罐體鋼壁的冷源釋放，反向傳熱時熱流體與壁面溫差通常較小，儲熱釋放速率較慢，因此該現(xiàn)象對堆芯補水的影響極為有限。

從物理過程的時間特征考慮，冷凝過程的特征時間主要與壁面冷凝換熱的作用尺度有關(guān)，壁面儲熱釋放的特征時間主要與CMT壁面內(nèi)導(dǎo)熱過程的作用尺度有關(guān)。

（6）冷熱分層

根據(jù)2.1節(jié)所述試驗結(jié)果和李夔寧等人的研究［17］，在循環(huán)模式和蒸汽替代兩種運行模式下CMT內(nèi)均存在明顯的冷熱分層現(xiàn)象。在水循環(huán)運行模式中，熱液層的移動和增加主要由單相自然循環(huán)的流量決定，其特征時間與單相自然循環(huán)的特征時間一致；在蒸汽替代階段，熱液層的移動和增加主要受到蒸汽冷凝后的液體流量的影響。因此冷熱分層移動的過程主要受到CMT-堆芯自然循環(huán)和壁面冷凝的影響。

對于冷熱分層的穩(wěn)定性，根據(jù)于沛、王升飛等的研究［18，19］，CMT冷熱流體分層現(xiàn)象中，分層界面的穩(wěn)定程度主要與冷熱流體的溫差、冷熱流體區(qū)域初始的高度差和外部擾動速度相關(guān)，外部擾動速度可以認(rèn)為是CMT內(nèi)冷熱分層液面移動的速度，主要由CMT的重力排水過程決定。

4 CMT相關(guān)熱工水力現(xiàn)象總結(jié)及建議

將CMT水箱及其所在支路作為研究對象，對該支路進行系統(tǒng)分解，如圖3所示。

結(jié)合圖3，對于上述現(xiàn)象進行匯總分析，見表1。表1中同時劃分了各現(xiàn)象所在層次及其發(fā)揮作用的特征時間尺度，并對CMT熱工水力現(xiàn)象進行了總結(jié)說明。

圖3 CMT水箱及其所在支路分解圖Fig.3 Break down diagram of the CMT and its related loop

表1 CMT熱工水力現(xiàn)象分析Table 1 Analysis of thermal hydraulic phenomena in CMT

結(jié)合表1，對CMT相關(guān)熱工水力現(xiàn)象的研究建議如下：

（1） CMT及其支路的自然循環(huán)為系統(tǒng)級現(xiàn)象，開展試驗研究時應(yīng)優(yōu)先遵循該現(xiàn)象的相似準(zhǔn)則。

（2）閃蒸、硼的遷移和混合現(xiàn)象的物理特征時間與自然循環(huán)過程關(guān)系不大，可單獨開展試驗研究。

（3）直接接觸冷凝現(xiàn)象主要與冷熱分層相關(guān)，其物理特征與熱力參數(shù)相關(guān)，且與自然循環(huán)過程關(guān)系不大，可單獨開展試驗研究。

（4）壁面冷凝、壁面儲熱、冷熱分層和CMT混合液位現(xiàn)象均與自然循環(huán)過程相關(guān)，在研究上述現(xiàn)象或者分析相關(guān)試驗過程時，應(yīng)考慮設(shè)計原型自然循環(huán)過程特征時間與這些現(xiàn)象特征時間的相互作用。