重力注水过程流动不稳定现象关键影响因素研究

杜政瑀，佟立丽，曹学武,*，王小吉，侯丽强

(1.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240；2.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041)

核反应堆对抗失水事故的能力是评价其安全性能的最重要的指标之一，向堆芯注水实现再淹没是核反应堆应对失水事故最重要的缓解策略之一。

研究人员对核反应堆失水事故后的冷却水再淹没过程一直给予了高度关注。从20世纪60年代开始，各国开展了大量的针对性实验研究。美国西屋公司开展了针对压水堆失水事故的再淹没实验研究(PWR-FLECHT)，研究了入口流量、系统压力、初始加热棒温度以及加热方式对再淹没过程传热特性的影响[1-2]，发现冷却水流经下降段时，下降段壁面的释热提高了冷却水的温度，并在下降段内产生了大量蒸汽，可能导致流动不稳定现象的发生[3]。日本原子能研究所(JAERI)针对压水堆失水事故，建立了大型实验研究平台CCTF和SCTF，发现再淹没过程中随着骤冷前沿的推进，下降段内蒸汽逆向流速增大，产生的大量蒸汽将导致压力容器内压力升高，降低了冷却水的注入速率，减弱了堆芯冷却效果[4]。德国卡尔斯鲁厄核子研究中心(KfK)采用强迫注水方式，分别在1×5棒束和5×5棒束上开展了FEBA和SEFLEX实验研究，发现在再淹没过程初期，过热蒸汽与燃料元件发生对流传热将导致燃料元件表面温度升高[5-8]。俄罗斯联邦原子能机构(IBRAE)针对WWER-1000压水堆实施了研究，发现由于冷却水与高温燃料加热棒作用产生了大量的水蒸气，燃料棒束流道中出现了气液两相逆向流动的现象(CCFL)，从而减缓了冷却水的注入[9]。

近年来，美国AP1000、德国SWR1000、俄罗斯VK-50以及日本HSBWR和LSBWR等采用非能动安全技术的堆型不断得到发展[10]。非能动安全技术仅依靠重力、密度差等自然力为驱动力实现堆芯余热排出，提高了事故情况下核反应堆的安全性和可靠性，是减轻事故后果的重要手段。在依靠自然力为驱动力的冷却水再淹没过程中，由于冷却水注入流量较小，且冷却水与高温燃料加热棒相接触将产生大量蒸汽在压力容器内聚集，会阻碍冷却水的持续注入，导致流动不稳定现象的出现，对核反应堆的安全运行带来了严重影响。西安交通大学针对超临界水冷堆CSR1000采用频域法分析了堆芯平均通道和热通道在额定功率和流量范围内的流动不稳定性，结果表明热通道中第1流程较第2流程更易发生流动不稳定现象[11]。同时，针对并联通道流动不稳定性分析了不同轴向功率加热方式、入口过冷度和系统压力对稳定性边界和三维不稳定性空间的影响[12]。本文通过实验研究的方法研究重力驱动注水过程流动不稳定现象，分析不同出口形阻、高位储水箱水位和加热棒初始温度条件下的流动不稳定现象行为特性，可为新一代核电厂非能动系统的安全评估提供参考。

1 实验装置

1.1 实验装置结构

实验装置主要由高位储水箱、实验本体、冷凝水箱以及相关管线组成，如图1所示。高位储水箱用于储存冷却水并提供冷却水重力压头。实验本体由下降腔和内筒体组成，内筒体内安装有加热棒束组件。加热棒束组件由20根加热棒和1根非加热棒组成，如图2所示，加热棒和非加热棒的直径均为9.5 mm，栅距为13 mm，加热棒束组件最大加热功率为10 kW。冷凝水箱用于冷凝实验本体内产生的蒸汽和高温水。实验本体、蒸汽排放管线均采用空心玻璃棉管进行保温。采用φ1.0 mm T型针状热电偶测量高位储水箱和管道内流体的温度，采用φ0.8 mm K型铠装热电偶测量加热棒表面和流道内流体的温度；使用压力变送器和压差变送器测量实验回路各处的压力和压差。所有信号均由NI cDAQ数据采集系统采集、处理和存储。实验过程中重要参数的测量仪器的量程、精度和响应时间列于表1。表1中，g表示相对压力。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

图2 加热棒布置示意图Fig.2 Bundle cross-section with marked rods

1.2 实验参数范围

实验在系统压力为0.1 MPa(a)条件下进行(a表示绝对压力)，保持冷却水初始温度以及冷却水入口形阻不变，在不同高位储水箱水位、蒸汽出口形阻和加热棒初始温度条件下进行实验，实验参数列于表2。

表1 测量仪器的量程、精度和响应时间Table 1 Range, accuracy and response time of measuring instrument

表2 实验参数Table 2 Experimental parameter

2 重力注水流动不稳定现象及机理分析

2.1 重力注水流动不稳定现象分析

实验结果表明，重力驱动注水过程流动不稳定现象分为3个典型的阶段：冷却水初次注入阶段、注入水逐出阶段和冷却水再注入阶段。图3示出了高位储水箱水位为1.6 m、加热棒初始温度为400 ℃、冷却水初始温度为25 ℃、冷却水入口流量调节阀开度为1/2、蒸汽出口流量调节阀开度为1/54、系统压力为0.1 MPa(a)、单根加热棒衰变热加热功率为20 W时，加热棒温度和实验本体内筒顶部压力的变化。冷却水初次注入开始后，冷却水淹没了加热棒轴向400 mm以下的部分，加热棒相应部分温度降低，产生了蒸汽在实验本体内筒顶部聚集，导致实验本体内筒顶部压力上升，并在52.5 s时达到峰值28 kPa(g)。冷却水初次注入阶段结束后，顶部压力将注入水逐出实验本体。图4示出了相同条件下，实验本体入口冷却水流量和流体温度的变化。从54 s开始，实验本体入口处流体温度上升到100 ℃以上，流量下降至0 L/h左右，据此可判断，实验本体内筒内产生的蒸汽将高温水逐出了实验本体。由于加热棒分为加热区和非加热区，而轴向350 mm处热电偶是能反映加热区壁面温度的轴向位置最高的热电偶。因此，当冷却水因实验本体内筒顶部压力快速升高发生逐出、加热棒上部不再被冷却水淹没时，轴向350 mm处的温度可反映加热棒在衰变热的作用下温度出现回升的现象。由图3可见，加热棒轴向350 mm位置附近受衰变热作用再次升温至253 ℃。随蒸汽的排出，实验本体内筒顶部压力下降，冷却水再次注入实验本体冷却加热棒，并产生蒸汽。但由于加热棒已经过1次冷却，冷却水再注入阶段产生的蒸汽的量小于冷却水初次注入阶段产生的蒸汽的量，导致实验本体内筒顶部压力峰值减小，冷却水再逐出阶段持续时间由8 s缩短为4 s。最终，冷却水完全淹没实验本体内筒，加热棒温度也保持在40～50 ℃，不再出现实验本体内筒顶部压力峰值和注入水逐出现象。

图3 加热棒温度及实验本体内筒顶部压力随时间的变化Fig.3 Temperature of selected heated rod and pressure at the top of inner cylinder vs. time

图4 冷却水流量及实验本体出入口流体温度随时间的变化Fig.4 Flow rate of cooling water and temperatures of fluid at inlet and outlet of test section vs. time

2.2 重力注水流动不稳定现象发生机理分析

当冷却水注入开始后，实验本体内筒加热棒束间流道气体温度降低，实验本体内筒压力逐渐降低。冷却水在注入过程中水位不断升高，并因吸收加热棒的热量导致温度不断升高，开始产生小气泡(图5a)。此后，加热棒表面附近冷却水温度较高，加热棒表面出现了沸腾，开始产生气泡(图5b)。但由于主流尚未过热，气泡产生量较少，冷却水继续注入。随加热棒的继续冷却，冷却水主流温度达到饱和温度，使得冷却水快速蒸发，产生大量气泡。如此，管道内在短时间内产生大量蒸汽，使得流道内流体空泡系数迅速增大、密度迅速降低(图5c)，而密度波传播的速度远快于流量响应的速度，因此导致冷却水流动不稳定现象(图5d)。由于实验本体下部冷却水温度较低，只有当上部高温冷却水全部蒸发后，过热沸腾才会结束，蒸汽产生才会停止。大量水蒸气在向上流动过程中，也会由于对流换热作用导致加热棒上部壁面温度降低。随蒸汽的逐步排出，实验本体内筒顶部压力迅速下降，使得冷却水又重新注入，且流量很快接近冷却水初次注入时的流量(图5e)。

图5 流动不稳定现象发生机理示意图Fig.5 Schematic diagram of mechanism of flow instability

3 重力注水特性影响因素分析

各组实验工况的具体参数列于表3。其中，工况1、2、3、4研究出口形阻对重力注水过程流动不稳定现象的影响；工况2、5研究高位储水箱水位对重力驱动注水过程流动不稳定现象的影响；工况6、7、8研究加热棒初始温度对重力驱动注水过程流动不稳定现象的影响。

表3 实验工况Table 3 Experimental condition

3.1 蒸汽出口形阻

图6示出了出口形阻对实验本体内筒顶部压力的影响情况。实验本体内筒顶部压力表征了蒸汽产生量和压力振荡强度，决定了是否发生注水过程流动不稳定现象及发生次数。图6表明工况1～4实验本体内筒顶部压力峰个数分别为4、4、3、1个，第1压力峰峰值分别为25.71、29.71、20.40、5.77 kPa(g)。每组压力峰中，压力峰峰值逐渐降低。工况1～3中，压力振荡周期分别为23.38、27.41、26.37 s。可看出，随出口形阻的减小，压力峰峰值降低、振荡周期变长。图7示出了出口形阻对实验本体入口流体温度的影响情况。表明工况1～4分别发生了3、2、1、0次注入水逐出现象。说明减小出口形阻可防止蒸汽聚集，有利于防止注入水逐出和流动不稳定现象的出现。工况1～3中，第1次注入水逐出现象发生时间分别为49、51、57 s。当出口形阻较大时，由于高温加热棒与冷却水作用产生的蒸汽不能够及时排出，实验本体内筒顶部可在更短时间内产生大于冷却水重力压头的压头，因此注入水逐出现象更早发生。图8示出了出口形阻对加热棒轴向350 mm处温度的影响情况。当出口形阻较小时，高温加热棒与冷却水作用产生的蒸汽易于排出，在实验本体内筒顶部滞留的蒸汽较少，延缓了注入水逐出过程的发生，加热棒潜热得到了较充分的释放，因此，随出口形阻的减小，加热棒温度回升幅度减小。

图6 出口形阻对实验本体内筒顶部压力的影响Fig.6 Pressures at the top of inner cylinder under different resistances of steam outlet

图7 出口形阻对实验本体入口流体温度的影响Fig.7 Temperatures of fluid at inlet of test section under different resistances of steam outlet

3.2 高位储水箱水位

图9示出了高位储水箱水位对加热棒轴向350 mm处温度的影响情况。由于高位储水箱水位提高，冷却水初始流速加快，加热棒冷却过程起始时间提前。此外，由于高位储水箱水位提高、冷却水重力压头增大，加热棒轴向350 mm处始终淹没在冷却水中，该处加热棒温度未出现回升现象。表明提高高位储水箱水位、增大冷却水重力压头，可有效增大加热棒淹没率，防止加热棒受衰变热作用温度再次升高。此外，冷却水完全淹没加热棒所需要的时间由105 s缩短为89 s，说明提高高位储水箱水位，可在更短的时间内注入所需的冷却水，迅速降低加热棒的温度。图10示出了高位储水箱水位对实验本体入口流体温度的影响情况。当高位储水箱水位由1.6 m提升至2.0 m后，整个实验阶段注入水逐出现象由2次变为1次，逐出现象持续时间由9 s减为8 s。由于高位储水箱水位提高，要发生注入水逐出现象，需要实验本体内筒顶部具有更高的压力，因此冷却水需吸收更多加热棒的热量以产生足够的蒸汽，这推迟了注入水逐出现象的发生时间。同时，第1次注入水逐出现象发生后，由于高位储水箱水位提高，实验本体内筒顶部已不能积聚起足够的压力，因此不再发生注入水逐出现象。图11示出了高位储水箱水位对实验本体内筒顶部压力的影响情况，工况5实验本体内筒顶部仅出现1次压力峰，且压力峰出现的时间偏晚，这与对注入水逐出现象的分析是相符的。

图8 出口形阻对加热棒轴向350 mm处温度的影响Fig.8 Temperatures at height of 350 mm of selected heated rod under different resistances of steam outlet

图9 高位储水箱水位对加热棒轴向350 mm处温度的影响Fig.9 Temperatures at height of 350 mm of selected heated rod under different water levels

图10 高位储水箱水位对实验本体入口流体温度的影响Fig.10 Temperatures of fluid at inlet of test section under different water levels

图11 高位储水箱水位对实验本体内筒顶部压力的影响Fig.11 Pressures at the top of inner cylinder under different water levels

3.3 加热棒初始温度

图12示出了加热棒初始温度对实验本体内筒顶部压力的影响情况。加热棒初始温度由300 ℃升高至600 ℃，实验本体内筒顶部压力峰值由9.25 kPa(g)上升至24.77 kPa(g)。实验本体内筒顶部压力的变化对冷却水流量产生了影响。图13示出了加热棒初始温度对冷却水流量的影响情况。随加热棒初始温度的升高，冷却水流量的振荡更加频繁、剧烈。当加热棒初始温度低于300 ℃时，由于实验本体内产生的蒸汽较少，尽管冷却水流量有所波动，但始终保持注入状态，流量也始终保持在200 L/h以上。当加热棒初始温度高于400 ℃且低于500 ℃时，冷却水注入会出现波动，最小流量低于100 L/h。当温度高于600 ℃时，冷却水注入发生了多次停滞，在冷却水开始注入后150 s，冷却水流量才能稳定保持在100 L/s以上。冷却水注入的波动和停滞影响了加热棒的冷却时间。图14示出了加热棒初始温度对加热棒轴向350 mm处温度的影响情况。当加热棒初始温度分别为300、500、600 ℃时，加热棒分别需要72、113、164 s冷却至100 ℃以下。升高加热棒温度导致冷却水注入发生波动，使加热棒需要更长时间冷却。

图12 加热棒初始温度对实验本体内筒顶部压力的影响Fig.12 Pressures at the top of inner cylinder under different temperatures of heated rods

图13 加热棒初始温度对冷却水流量的影响Fig.13 Flow rates of cooling water under different temperatures of heated rods

图14 加热棒初始温度对加热棒轴向350 mm处温度的影响Fig.14 Temperatures at height of 350 mm of selected heated rod under different temperatures of heated rods

4 结论

重力驱动注水过程流动不稳定现象是由于蒸汽聚集并产生大于冷却水重力压头的压头导致的注入水逐出现象，注入水逐出现象发生的次数和持续时间取决于出入口形阻、高位储水箱水位和加热棒初始温度等多种因素。

出口形阻影响了蒸汽的聚集和排出，减小出口形阻加快了蒸汽排出速度，减少了蒸汽在实验本体内筒顶部的聚集以及注入水逐出现象发生的次数和持续时间，有利于实现对加热棒的冷却。

高位储水箱水位影响了冷却水的注入，提高高位储水箱水位加快了冷却水的注入速率，缩短了再淹没时间，降低了流动不稳定现象的发生次数和持续时间。

加热棒初始温度直接决定了实验本体内产生的蒸汽的量，对冷却加热棒所需要的时间具有重大影响，随加热棒初始温度的升高，冷却水流量出现了波动向停滞的转变，流动不稳定现象发生的次数和持续时间加长。