“華龍一號(hào)”非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)研究

邢繼, 孫中寧, 于勇, 丁銘

(1.中國(guó)核電工程有限公司, 北京 100840; 2.哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

發(fā)展核電是既定的國(guó)家戰(zhàn)略,保證核安全是實(shí)現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略的基石。日本福島核事故發(fā)生后,國(guó)務(wù)院于2012年10月24日召開了常務(wù)會(huì)議,討論通過了《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》。規(guī)劃要求“按照全球最高安全要求新建核電項(xiàng)目,新建核電機(jī)組必須符合三代安全標(biāo)準(zhǔn)”。核安全監(jiān)管當(dāng)局也在2012年發(fā)布了《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》,要求“十三五”及以后新建核電機(jī)組力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)上實(shí)際消除大量放射性物質(zhì)釋放的可能性。要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),其關(guān)鍵是：當(dāng)發(fā)生全廠停電事故時(shí),仍能高效排出安全殼內(nèi)的巨量衰變熱,保證電站的最后一道實(shí)體屏障——安全殼不會(huì)超壓破壞。

“華龍一號(hào)”(Hua-long pressurized reactor 1000,HPR1000)是我國(guó)自主設(shè)計(jì)的首個(gè)百萬千瓦級(jí)第三代核電機(jī)組,采用了能動(dòng)與非能動(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念[1-3]。其中,非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)(passive containment heat removal system,PCS)是HPR1000三大非能動(dòng)安全系統(tǒng)之一,其運(yùn)行不依賴于外部動(dòng)力,僅通過利用重力和流體密度差等自然力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)流動(dòng),保證即使發(fā)生全廠斷電事故,也能為安全殼空間提供有效冷卻,實(shí)現(xiàn)對(duì)安全殼的“全天候”守護(hù),確保安全殼的完整性即使是在堆芯熔化的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(design extension conditions B,DEC-B)下也不會(huì)被突破[4-6]。

為了滿足HPR1000建設(shè)的需要,中國(guó)核電工程有限公司與哈爾濱工程大學(xué)組成了聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì),對(duì)PCS開展了大量、深入、系統(tǒng)的研究工作,成功完成了PCS的研制。

1 PCS方案設(shè)計(jì)

HPR1000采用的是雙層混凝土安全殼結(jié)構(gòu)?；谶@一設(shè)計(jì)特點(diǎn),本文初步設(shè)計(jì)了開式PCS和閉式PCS這2個(gè)方案(系統(tǒng)原理示意如圖1所示)。其中,開式PCS主要由下降管、內(nèi)部換熱器、上升管、汽水分離器和換熱水箱組成;閉式PCS主要由下降管、內(nèi)部換熱器、上升管、外部換熱器、穩(wěn)壓器和換熱水箱組成。當(dāng)發(fā)生堆芯熔化的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(DEC-B)時(shí),大量的蒸汽被釋放至安全殼內(nèi),這些蒸汽會(huì)以冷凝的方式將熱量傳遞給內(nèi)部換熱器,然后通過冷卻水的自然循環(huán)流動(dòng)將熱量帶至換熱水箱,使水箱里的水蒸發(fā),最終將熱量散失到大氣環(huán)境,進(jìn)而達(dá)到使安全殼降溫、降壓的目的。對(duì)于所設(shè)計(jì)的2個(gè)PCS方案,開展了一系列數(shù)值模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究,主要包括[7-8]：

圖1 開式和閉式PCS設(shè)計(jì)方案Fig.1 Schematic of open loop and closed loop PCS

1)開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的系統(tǒng)性能對(duì)比分析。開式設(shè)計(jì)方案只設(shè)置內(nèi)部換熱器,其優(yōu)點(diǎn)是傳熱環(huán)節(jié)少,系統(tǒng)排熱能力強(qiáng),影響自然循環(huán)的因素少,運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠,系統(tǒng)不存在失效的風(fēng)險(xiǎn);其缺點(diǎn)是一旦有傳熱管發(fā)生破損,則意味著安全殼的隔離密封性受到破壞,可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)外泄,不過這一缺點(diǎn)可以通過在上升管和下降管上設(shè)置安全殼隔離閥予以解決。

2)系統(tǒng)的啟動(dòng)特性。無論是采用開式PCS設(shè)計(jì),還是閉式PCS設(shè)計(jì),系統(tǒng)都能快速啟動(dòng),整個(gè)啟動(dòng)過程經(jīng)歷單相自然循環(huán)階段、單相-兩相過渡階段和和兩相自然循環(huán)階段,且第1階段的自然循環(huán)流量遠(yuǎn)低于第3階段,但由于具有高得多的傳熱溫差,因此前一階段系統(tǒng)的排熱能力一般會(huì)高于后一階段。

3)系統(tǒng)的自然循環(huán)流動(dòng)特性與傳熱特性。PCS屬典型的低熱負(fù)荷排熱系統(tǒng),自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭比較低,對(duì)回路阻力很敏感,因此在布置允許的條件下,應(yīng)盡量減小回路阻力。只要管路布置得當(dāng),就可以保證系統(tǒng)有足夠的自然循環(huán)能力。一般情況下,上升管路直徑應(yīng)大于下降管路直徑,并合理分配系統(tǒng)中各部分的流動(dòng)阻力占比。

4)系統(tǒng)管路直徑對(duì)自然循環(huán)和排熱能力的影響。閉式設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的內(nèi)、外2個(gè)換熱器與管路構(gòu)成閉合回路,單一內(nèi)部換熱器或外部換熱器發(fā)生傳熱管破損,不影響安全殼的整體完整性,不會(huì)發(fā)生放射性物質(zhì)外泄;其缺點(diǎn)是系統(tǒng)傳熱環(huán)節(jié)多,整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,影響自然循環(huán)的因素多,系統(tǒng)的排熱能力相對(duì)較弱,需要更多的傳熱面積。如果外部換熱器的換熱能力不足,在極端情況下,回路中的冷卻水會(huì)因系統(tǒng)壓力過度升高而被排擠進(jìn)入穩(wěn)壓器,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的排熱能力降低。隨著事故的進(jìn)一步擴(kuò)大,可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失去排熱能力。

5)內(nèi)部換熱器與外部換熱器的匹配特性。無論采用開式PCS設(shè)計(jì),還是閉式PCS設(shè)計(jì),系統(tǒng)在單相自然循環(huán)和高功率兩相自然循環(huán)階段的流動(dòng)都很穩(wěn)定,但在單相-兩相過渡階段和低負(fù)荷兩相運(yùn)行階段,系統(tǒng)一般會(huì)發(fā)生流動(dòng)波動(dòng),這些波動(dòng)可能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響需要在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中予以關(guān)注。

6)換熱水箱與換熱器間的布置高度差對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。換熱水箱與換熱器間的布置高差對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響具有非線性特征：當(dāng)高度差較低時(shí),高度差大小對(duì)系統(tǒng)的自然循環(huán)流量有顯著影響;當(dāng)高度差大于某一臨界值后,則系統(tǒng)的運(yùn)行基本不受高度差變化影響。

7)水箱水位對(duì)系統(tǒng)排熱能力的影響。水箱水位對(duì)開式PCS的排熱能力和流動(dòng)穩(wěn)定性都有顯著影響,尤其是當(dāng)換熱水箱的水位較低時(shí),系統(tǒng)可能面臨流動(dòng)停滯的風(fēng)險(xiǎn),需要視具體情況采取措施予以克服;閉式PCS本身的自然循環(huán)流動(dòng)基本不受水箱水位的影響,但一旦外部換熱器露出水面,則PCS的排熱能力就會(huì)隨著水位的下降而大幅度降低。

2 內(nèi)部換熱器管間流量分配與管外冷凝傳熱特性

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

HPR1000的PCS采用了開式設(shè)計(jì)方案,整個(gè)系統(tǒng)的排熱能力主要取決于內(nèi)部換熱器的性能,因此,內(nèi)部換熱器是PCS的最核心設(shè)備。與常規(guī)的換熱器應(yīng)用場(chǎng)景不同,HPR1000巨大的安全殼空間、含有大量不凝性氣體的管外冷凝傳熱以及PCS的低驅(qū)動(dòng)壓頭特征,決定了常用的集中大管束列管換熱器在這里不再適用,這些苛刻條件對(duì)PCS換熱器的研發(fā)構(gòu)成很大挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)了Z型、U型和中心型展開式集管換熱器,采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法開展了一系列研究,主要包括[9-12]：

1)換熱器結(jié)構(gòu)型式對(duì)流量分配的影響;

2)分流聯(lián)箱和匯流聯(lián)箱幾何尺寸對(duì)流量分配的影響;

3)不凝性氣體對(duì)管外冷凝傳熱的影響;

4)傳熱管幾何參數(shù)對(duì)管外冷凝傳熱的影響;

5)傳熱管管束排列對(duì)管外冷凝傳熱的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由實(shí)驗(yàn)段、汽(氣)體供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個(gè)部分組成,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍Table 1 Range of experimental parameters

圖2 PCS機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Mechanism research experimental device of PCS

實(shí)驗(yàn)段主要由冷凝罐和傳熱管組成。冷凝罐用直徑為0.416 m,高度為3.55 m的304不銹鋼制成;傳熱管豎直安裝在冷凝罐內(nèi),并沿管高度方向均勻設(shè)置了9個(gè)溫度測(cè)量截面和5個(gè)氦氣濃度測(cè)量取樣點(diǎn),每個(gè)溫度測(cè)量截面安裝3對(duì)熱電偶,其中2對(duì)用于測(cè)量傳熱管外壁溫度,1對(duì)用于測(cè)量主流氣體溫度。凝液罐連接在容器底部,用于收集和測(cè)量凝液量。實(shí)驗(yàn)時(shí),蒸汽、空氣和氦氣可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要從實(shí)驗(yàn)段上部或下部注入冷凝罐。

汽(氣)體供應(yīng)系統(tǒng)包括蒸汽供應(yīng)子系統(tǒng)、壓縮空氣供應(yīng)子系統(tǒng)與氦氣供應(yīng)子系統(tǒng)3個(gè)部分。其中,蒸汽供應(yīng)子系統(tǒng)由電功率為240 kW、最高運(yùn)行壓力為0.7 MPa的電加熱蒸汽鍋爐和相關(guān)管路、閥門組成;壓縮空氣供應(yīng)子系統(tǒng)由排氣壓力為1.0 MPa、排氣量為0.9 m3/min的空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐、減壓閥、油水分離器以及相關(guān)管路、閥門組成;為了保證安全,實(shí)驗(yàn)中采用氦氣模擬事故中產(chǎn)生的氫氣,氦氣供應(yīng)系統(tǒng)由高壓氦氣瓶、減壓閥,及相關(guān)管路和閥門組成。

冷卻水系統(tǒng)主要由冷卻水池、冷卻水泵、過濾器、穩(wěn)壓罐以及相關(guān)管路和閥門組成,可以采用強(qiáng)迫循環(huán)或自然循環(huán)方式對(duì)傳熱管進(jìn)行冷卻。

實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的參數(shù)主要有溫度、壓力、流量和氦氣濃度。其中,冷卻水進(jìn)、出口溫度,冷凝罐蒸汽進(jìn)口溫度以及凝液溫度采用Ⅰ級(jí)T型熱電偶測(cè)量,實(shí)驗(yàn)管壁面溫度和冷凝罐氣體主流溫度采用Ⅰ級(jí)K型熱電偶進(jìn)行測(cè)量,冷凝罐和蒸汽壓力使用精度等級(jí)為0.1級(jí)的壓力變送器測(cè)量,蒸汽流量用精度等級(jí)為1級(jí)的渦街流量計(jì)測(cè)量,冷卻水流量用精度等級(jí)為0.5級(jí)的渦輪流量計(jì)測(cè)量,氦氣濃度用精度為0.1%的氦氣純度儀進(jìn)行測(cè)量。

2.3 研究結(jié)果

1)相比較而言,Z型換熱器的管間流量分配最不均勻,中心型換熱器換熱器流量分配最均勻,分流聯(lián)箱進(jìn)口三通附近產(chǎn)生的旋渦是造成中心型換熱器管間流量不均勻的主要因素,適當(dāng)增加中心管節(jié)距可顯著改善換熱器管間流量分配,進(jìn)而降低換熱器流動(dòng)阻力,并提高換熱器的換熱能力。

2)分流聯(lián)箱和匯流聯(lián)箱幾何尺寸對(duì)換熱器的流動(dòng)阻力和管間流量分配的均勻性有顯著影響,同時(shí)增大分配聯(lián)箱和匯流聯(lián)箱橫截面積可增強(qiáng)換熱器流量分配的均勻性。在單相流動(dòng)條件下,中心型換熱器傳熱管總流通面積與聯(lián)箱橫截面積之比低于3.6時(shí)的流量分配均勻性較好。

3)不凝性氣體的存在使蒸汽冷凝傳熱系數(shù)大幅度下降,不凝性氣體在傳熱管附近的濃縮聚集是導(dǎo)致冷凝傳熱系數(shù)顯著下降的主要原因。與純蒸汽冷凝相比,含不凝性氣體冷凝時(shí),壁面過冷度對(duì)傳熱系數(shù)的影響更顯著,并表現(xiàn)出多變特征,凝結(jié)液膜的導(dǎo)熱熱阻多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)。

4)傳熱管徑和傳熱管長(zhǎng)對(duì)含不凝性氣體的蒸汽管外冷凝傳熱有顯著影響：當(dāng)傳熱管徑比較小時(shí),平均冷凝傳熱系數(shù)隨管徑的增加而快速下降;當(dāng)傳熱管徑達(dá)到40 mm后,再繼續(xù)增加管徑,則傳熱系數(shù)下降的幅度很小。傳熱管長(zhǎng)度對(duì)管外冷凝傳熱的影響表現(xiàn)出多變特征,即當(dāng)傳熱管長(zhǎng)度小于2 m,傳熱系數(shù)隨管長(zhǎng)的增加而快速下降。當(dāng)傳熱管長(zhǎng)大于3 m時(shí),傳熱系數(shù)又會(huì)隨管長(zhǎng)的增加而呈上升趨勢(shì),但上升的幅度不大。

5)在管束條件下,不同傳熱管周圍的不凝性氣體層會(huì)在部分區(qū)域發(fā)生疊加,導(dǎo)致傳熱進(jìn)一步變差,而在另一些區(qū)域又會(huì)產(chǎn)生抽吸作用,使傳熱得到顯著增強(qiáng)。因此,傳熱管排列節(jié)距和排數(shù)對(duì)含不凝性氣體管外冷凝有顯著影響,通過合理地優(yōu)化傳熱管布置,可使換熱器的整體傳熱性能顯著改善。

3 PCS綜合性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在前期方案設(shè)計(jì)和單項(xiàng)基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上,研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了用于HPR1000的工程級(jí)PCS。開展本實(shí)驗(yàn)的目的就是為了測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際排熱能力和運(yùn)行穩(wěn)定性,考核設(shè)備性能是否滿足系統(tǒng)需要,并校核自主開發(fā)的系統(tǒng)分析程序。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括[13-14]：

1)系統(tǒng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn);

2)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下的排熱能力和運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn);

3)系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)工況下的排熱能力和運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn);

4)換熱水箱水位下降對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響實(shí)驗(yàn);

5)設(shè)備性能考核實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了完成相關(guān)實(shí)驗(yàn),研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2012年在哈爾濱工程大學(xué)按全壓、全高度1∶1比例建造了PCS性能綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3所示)。該裝置主要由冷凝罐組件、換熱水箱組件、自然循環(huán)回路、汽-氣供應(yīng)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5個(gè)部分組成,主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)裝置主要參數(shù)Table 2 Main parameters of experimental device

圖3 PCS性能綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Comprehensive performance verification experimental device of PCS

3.3 研究結(jié)果

1)PCS能夠從長(zhǎng)期備用狀態(tài)順利啟動(dòng),不會(huì)出現(xiàn)滯流或倒流的情況。當(dāng)反應(yīng)堆處于設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(DEC-B)時(shí),應(yīng)盡早打開PCS的隔離閥,最遲須在換熱器管外環(huán)境溫度達(dá)到換熱器管內(nèi)出口壓力下的飽和溫度之前開啟,否則有可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的“汽錘”振動(dòng)。

2)PCS具有較強(qiáng)的排熱能力,其在設(shè)計(jì)工況下,系統(tǒng)的排熱功率遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求,有充足的設(shè)計(jì)余量。當(dāng)內(nèi)部換熱器環(huán)境溫度降至120 ℃時(shí),系統(tǒng)的排熱能力仍能達(dá)到長(zhǎng)期事故工況要求值的50%以上。

3)PCS從啟動(dòng)至穩(wěn)定運(yùn)行工況,經(jīng)歷單相自然循環(huán)、單相-兩相過渡循環(huán)和兩相自然循環(huán)3個(gè)階段。其中,在單相自然循環(huán)階段,流量較低,流動(dòng)穩(wěn)定;在過渡階段,流量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而快速增加,并伴隨周期性流動(dòng)波動(dòng);在兩相自然循環(huán)階段,流量遠(yuǎn)高于單相自然循環(huán)階段,流動(dòng)可以是穩(wěn)定的,也可以是不穩(wěn)定的,具體情況主要受加熱負(fù)荷的影響。當(dāng)流動(dòng)不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí),系統(tǒng)的排熱能力會(huì)有所下降,但壓力和溫度的波動(dòng)周期一般都比較長(zhǎng),波動(dòng)幅度也都比較小,因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

4)換熱水箱水位對(duì)PCS的排熱能力和自然循環(huán)有顯著影響,本文通過合理設(shè)計(jì)有效克服了水箱水位對(duì)系統(tǒng)自然循環(huán)的不利影響,尤其在低負(fù)荷條件下,隨著水箱水位的下降,系統(tǒng)的自然循環(huán)流量和排熱功率會(huì)大幅度上升,增幅一般能達(dá)到40%以上,這一特性對(duì)系統(tǒng)的后期運(yùn)行非常有利。

5)所研制的內(nèi)部換熱器流動(dòng)阻力小,換熱能力強(qiáng),流量分配均勻,非常適合在自然循環(huán)流動(dòng)條件下使用;所設(shè)計(jì)的汽水分離器能夠?qū)CS出口的汽-水兩相進(jìn)行有效分離,能有效防止“汽錘”振動(dòng)的發(fā)生,保證系統(tǒng)在各種工況下都能順利建立自然循環(huán)。

6)利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)自主開發(fā)的PCS分析程序進(jìn)行了核驗(yàn)和修正,修正后的程序?qū)Ψ€(wěn)態(tài)工況預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值間的相對(duì)偏差在±10%以內(nèi),并能對(duì)流動(dòng)不穩(wěn)定性起始點(diǎn)和波動(dòng)特性做出較好的預(yù)測(cè),為后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有力工具。

4 安全殼熱工水力特性?；瘜?shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在安全殼內(nèi)配置 PCS,會(huì)對(duì)殼內(nèi)氣體的流動(dòng)與分層等熱工水力行為產(chǎn)生影響;同時(shí),安全殼內(nèi)的熱工水力行為又會(huì)反過來影響 PCS的排熱能力和運(yùn)行特性。本實(shí)驗(yàn)的目的就是通過模化實(shí)驗(yàn)?zāi)M典型的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(DEC-B),檢驗(yàn)PCS的有效性,確認(rèn)安全殼是否存在超溫、超壓風(fēng)險(xiǎn),了解殼內(nèi)的流動(dòng)與分層特性,分析主要影響因素,為進(jìn)一步改進(jìn)PCS和安全殼設(shè)計(jì)提供依據(jù)。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括[15]：

1)典型事故模擬實(shí)驗(yàn);

2)安全殼內(nèi)熱工參數(shù)不均勻性模擬實(shí)驗(yàn);

3)內(nèi)部換熱器布置高度影響實(shí)驗(yàn);

4)內(nèi)部換熱器周向非均勻布置影響實(shí)驗(yàn);

5)凝水收集裝置影響及收集率實(shí)驗(yàn);

6)內(nèi)部換熱器防護(hù)裝置影響實(shí)驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了完成本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在中國(guó)核電工程有限公司廊坊先進(jìn)核電研究中心建造了安全殼熱工水力綜合實(shí)驗(yàn)裝置(platform for integral behaviour of containment,PANGU),如圖4所示。其主要系統(tǒng)包括安全殼模擬體、汽-氣供應(yīng)系統(tǒng)、 PCS、控制系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以及其他附屬設(shè)施。實(shí)驗(yàn)裝置模擬比例如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)裝置模擬比例Table 3 Simulation scale of experimental device

圖4 安全殼熱工水力綜合實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Thermal hydraulic experimental device for containment

4.3 研究結(jié)果

1)在事故工況下,所設(shè)計(jì)的PCS 有較強(qiáng)的排熱能力,能夠使反應(yīng)堆事故后安全殼內(nèi)的壓力上升趨勢(shì)得到有效抑制,壓力峰值低于0.52 MPa。即使有30%的PCS失效,剩余的PCS仍可保證安全殼不超壓,PCS設(shè)計(jì)有充足的裕量?jī)?chǔ)備。

2)在事故工況下,PCS內(nèi)部換熱器的冷凝作用會(huì)強(qiáng)化安全殼內(nèi)的氣體流動(dòng),即使在反應(yīng)堆事故后的長(zhǎng)期冷卻階段,實(shí)驗(yàn)中仍在內(nèi)部換熱器管束區(qū)測(cè)量到0.35 m/s左右的縱向流速,在靠近安全殼壁面附近的流速也達(dá)到0.2 m/s左右,這些流動(dòng)一方面可以改善換熱器管外側(cè)的冷凝傳熱,另一方面對(duì)抑制空間溫度分層和氫氣聚集也有很大幫助。

3)在事故工況下,在殼內(nèi)隔間和操作平臺(tái)以上空間(包括穹頂區(qū)域)均沒有明顯的氦氣聚集,各處氦氣濃度分布比較均勻;發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期冷卻工況下,換熱器管束區(qū)附近會(huì)出現(xiàn)一定程度的氦氣濃縮,但由于管束區(qū)的氣體流速比較高,氦氣的濃縮程度很低,在工程中,一般不會(huì)帶來額外的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。

4)在事故工況下,當(dāng)安全殼內(nèi)壓力處于上升階段時(shí),空間溫度分布會(huì)比較均勻,一般不會(huì)發(fā)生明顯分層;當(dāng)殼內(nèi)壓力由上升轉(zhuǎn)為下降并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間時(shí),氣體溫度會(huì)發(fā)生分層并逐漸加重,且壓力下降的速度越快,則溫度分層也會(huì)越嚴(yán)重。不過,如果持續(xù)的時(shí)間足夠長(zhǎng),且壓力下降比較緩慢或基本不變,則溫度分層將不明顯,且分層的程度會(huì)隨著時(shí)間逐漸減小,直至基本消失。最重要、明顯的溫度分層發(fā)生在操作平臺(tái)與穹頂之間區(qū)域,測(cè)量到的最大溫差約為16 ℃。

5)事故破口的位置和方向、內(nèi)部換熱器的安裝位置,以及換熱器周圍設(shè)施的布置情況,對(duì)PCS的排熱能力沒有明顯影響,工程中可根據(jù)實(shí)際情況比較靈活地選擇換熱器的安裝位置。凝水收集裝置對(duì)PCS凝水的收集率在90%以上。

5 結(jié)束語

2011年啟動(dòng)PCS研究工作以來,中國(guó)核電工程有限公司與哈爾濱工程大學(xué)組成聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì),緊密合作,進(jìn)行了一系列方案篩選和基礎(chǔ)研究探索。通過大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析,完成了系統(tǒng)和設(shè)備的研制,設(shè)計(jì)出了可供工程使用的PCS,并通過1∶1大型實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)所研制系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠順利啟動(dòng),平穩(wěn)運(yùn)行,系統(tǒng)的排熱能力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在完成上述工作的基礎(chǔ)上,研發(fā)團(tuán)隊(duì)還利用綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置,協(xié)助生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心(代表核安全監(jiān)管當(dāng)局)和福建福清核電有限公司(代表HPR1000首堆業(yè)主),完成了PCS的第三方獨(dú)立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,即使在實(shí)際極不可能發(fā)生的事故模擬工況下,系統(tǒng)仍能順利啟動(dòng)并保持正常運(yùn)行,系統(tǒng)的優(yōu)越性能得到第三方的充分肯定。

雖然實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明所研制的PCS有很強(qiáng)的排熱能力,但HPR1000設(shè)計(jì)配備的PCS數(shù)量是否夠,配備有PCS的安全殼是否真的能夠應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(DEC-B),在安全殼內(nèi)配備PCS是否會(huì)帶來不可接受的負(fù)面影響,這些仍是許多人心中的疑慮,更是核安全監(jiān)管當(dāng)局的關(guān)注焦點(diǎn)。為了打消這些疑慮,研發(fā)團(tuán)隊(duì)在中國(guó)核電工程有限公司廊坊先進(jìn)核電研究中心建造了自由容積達(dá)到1 000 m3的安全殼熱工水力綜合實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)PCS-安全殼的耦合響應(yīng)特性進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,即使失去30%的排熱能力,PCS仍在假想的最嚴(yán)重事故下確保安全殼的完整性,PCS的設(shè)計(jì)和配備數(shù)量是合理的,有充足的工程余量,且不會(huì)帶來有害的負(fù)面作用。

目前,所研制的PCS已在福清5、6號(hào)機(jī)組、漳州1、2號(hào)機(jī)組和巴基斯坦卡拉奇核電站的2、3號(hào)機(jī)組獲得應(yīng)用,并確定在華龍系列機(jī)型建設(shè)中繼續(xù)使用。與此同時(shí),進(jìn)一步的研究工作也沒有停止,追求更高、更好是研究團(tuán)隊(duì)不變的信念,努力爭(zhēng)取在不久的將來能夠研制出新一代的PCS,將系統(tǒng)的排熱能力大幅提高至足以應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)事故的水平。

致謝：

感謝國(guó)家能源局、科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司給予的資金支持,感謝中國(guó)核電工程有限公司和哈爾濱工程大學(xué)的信任與支持,感謝研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員的不懈努力和辛勤付出,感謝所有提供支持和幫助的人們。