大功率先进压水堆IVR-ERVC旁通流道冷却强化研究

李 飞，张圣君，陈 薇，程 旭

（国核（北京）科学技术研究院有限公司，北京 100029）

大功率先进压水堆在严重事故工况下，IVR-ERVC（熔融物堆内滞留-压力容器外部冷却）措施是保证压力容器完整性的重要措施［1］。ERVC依靠底部加热流体发生相变导致密度变化、上下冷热流体间产生的密度差驱动流体，在回路内形成单相到两相的自然循环流动［2］。IVR 措施能否成功，取决于压力容器内熔池行为和压力容器外的流动传热条件，当压力容器下封头处热负荷低于其外表面对应位置的临界热流密度（CHF）时，可保证压力容器得到充分冷却［3］。随着堆芯功率的增加，由熔融物释热造成的外表面热流密度和对应位置的CHF之间的余量减小，传统的IVR-ERVC实施方案对大型压水堆的可行性受到质疑。国际上普遍认为，在严重事故条件下，由于金属层的热聚焦效应，压力容器失效位置通常发生在金属层［4］。

压力容器外壁临界热流密度强化措施的研究主要集中在提高自然循环流量、改善压力容器表面条件及水化学特性上。表面条件影响加热表面的气泡动力学特性，从而能够显著影响CHF。Theofanous和Augelini等［5-6］发现对加热表面进行喷砂处理后，CHF 显著增加。这是因为经过喷砂处理后，加热表面粗糙度增加，不仅增加了汽化核心，同时有利于气泡脱离。Yang等［7］在SBLB 实验装置上研究了压力容器外表面涂层对CHF的影响，结果表明有涂层时，CHF 显著提高。安全壳喷淋溶液中含有硼酸和磷酸三钠溶液，水化学特性可改变换热表面的润湿性及表面分子状况，进而影响到CHF。

本文针对IVR-ERVC 系统加旁通流道冷却强化利用系统程序RELAP5进行建模，在假定事故工况下对该系统流动参数和边界条件进行敏感性分析。

1 模型及研究方法

1.1 系统概述

严重事故条件下，自堆芯出口温度超温触发信号至堆芯熔融物未掉落至下封头，安全壳内置换料水箱（IRWST）中的冷却水淹没反应堆冷却剂系统环路隔间、冷却剂输排水箱隔间和堆腔室，并进入由保温层与压力容器外壁形成的流道中。在此过程中，冷却水被加热汽化，受浮升力驱动向上流动，最终从排气口流出；堆腔外的冷却水受压差驱动从进水孔和旁通流道补充进来，形成两相自然循环。ERVC 加旁通流道冷却强化的系统结构如图1所示，在周向平均布置8根旁通管道。

图1 旁通流道示意图Fig.1 Schematic of bypass flow

表1列出ERVC系统的主要几何参数，根据集总参数程序和抽样结果，发生严重事故时压力容器失效的区域集中在60°～70°范围，也就是金属层所在位置，本文选择65°为计算基准工况。

表1 ERVC系统的主要几何参数Table 1 Main geometry parameter of ERVC system

1.2 RELAP5建模

根据以上物理过程建立系统节点图，如图2所示。

1.3 计算边界条件

根据严重事故分析程序计算选定的典型事故（即与IVR 有关的大LOCA 合并安注失效始发的堆芯损毁），熔融物重定位至下封头的主要概率时间区间为4～5h，不大可能与很不可能时间区间为5～6h、6～7h［8］。在本文中模拟计算以4.5h 为熔池形成稳定熔池起点时间，熔池内热源功率随时间的变化如图3所示。压力容器外壁的热流分布是随下封头角度变化的函数，热流分布随下封头角度的变化计算采用mini-ACOPO 关系式，得到下封头加热面热流分布如图4所示。在计算的过程中，其他的条件为：1）忽略背压变化保持为253 312Pa（2.5个大气压）；2）堆腔冷却水初始温度为50 ℃；3）计算时间为20 000s；4）计算中所用的旁流入口位置角度及射流角度如图5所示，后面提到的射流角度0°是指旁通流道水平进入主流道。

图2 系统节点图Fig.2 System nodalization

图3 下封头熔池内热源功率随时间的变化Fig.3 Heat power of molten pool vs.time

1.4 程序验证

RELAP5计算程序是美国Idaho国家工程实验室（INEL）为核管会（NRC）开发的轻水堆 瞬 态 热 工 水 力 分 析 程 序［9］。RELAP5 对ERVC特殊条件下计算两相自然循环的适用性问题已在REPEC实验装置中得到验证［10］。该实验回路流道采用切片结构，高度按照1∶1比例设计，全尺寸（～7m）模拟压力容器外部冷却循环回路。文献［10］建立了相对应于实验回路的RELAP5 模型，对比结果显示误差控制在理想范围内。因此，RELAP5 程序可用来分析严重事故下ERVC 系统的两相自然循环特性。

图4 热流密度随下封头角度的分布Fig.4 Heat flux vs.inclination angleof lower head

图5 旁通流道示意图Fig.5 Schematic of bypass channel

2 结果与分析

为研究流动参数和边界条件对大功率先进压水堆IVR-ERVC 旁通流道冷却强化自然循环流动和换热能力的影响，结合旁通流道冷却强化的特点，选取了旁通流道直径、入口位置、射流角度等参数对ERVC 系统的流动和传热进行敏感性分析。

2.1 旁通流道直径

在旁流入口位置为65°、射流角度为75°保持不变的前提下，分别选取旁通流道直径为20、40、50cm 以及无旁通流道时对ERVC系统的流动与传热过程进行计算分析。

图6示出旁通流道直径对系统循环流量的影响。由图6可知，有旁通流道与无旁通流道时ERVC系统自然循环总流量基本相同，总的循环流量在1 400kg／s左右。这是由于ERVC系统的自然循环总驱动压头是一致的，旁通流道设置虽然减小总流阻，但是总流量增大不大。随旁通流道直径的增大，旁流回路质量流量增大。

图6 旁通流道直径对系统循环流量的影响Fig.6 Effect of bypass channel diameter on system circulation flow rate

图7示出旁通流道直径对下封头流道空泡份额的影响。由图7可见，随下封头角度的增加，流道空泡份额逐渐增大。无旁通流道与有旁通流道相比，在旁通流道入口位置65°以下时，空泡份额偏小；在65°以上时，空泡份额偏大。这是由于65°以下时，无旁通流道质量流量偏大，对流换热增强；在65°以上，旁流进入流道，对流动产生一定扰动，对流换热增强。这样造成有旁通流道比无旁通流道时在下封头流道出口处空泡份额偏小，相差0.06左右。图7还显示，随旁通流道直径的增加，上部流道内空泡份额降低，当旁通流道直径增大到50cm 时其影响变小。

图7 旁通流道直径对下封头流道空泡份额的影响Fig.7 Effect of bypass channel diameter on void fraction at lower head

图8示出旁通流道直径对压力容器外壁面温度的影响。由图8可看出，无旁通流道时压力容器外壁面温度偏低，由于旁流的增加，在下封头上部有旁通流道时壁面温度略微降低。

图8 旁通流道直径对压力容器外壁面温度的影响Fig.8 Effect of bypass channel diameter on RPV outer wall temperature

2.2 旁通流道入口位置

在旁通流道直径为40cm、射流角度为75°保持不变的前提下，分别选取旁通流道入口位置为45°、65°、85°以及无旁通流道时对ERVC系统的流动与传热过程进行计算分析。

图9 流道入口位置对系统循环流量的影响Fig.9 Effect of inlet position on system circulation flow rate

图9示出旁通流道入口位置对系统循环流量的影响。由图9可知：有旁通流道与无旁通流道时ERVC系统自然循环总流量变化不大；不同的旁通流道入口位置对旁流循环流量的影响不大。

图10示出旁通流道入口位置对压力容器外壁面温度的影响。与前面分析相似，在旁流入口位置之下，由于循环流量减小造成有旁通流道时压力容器外壁面温度偏高约2℃。在入口位置之上，总循环流量与无旁通流道时总流量变化较小，压力容器外壁面温度逐渐一致。在图10中，可以看到3个不同位置造成的外壁面温度的变化。

图10 旁通流道入口位置对压力容器外壁面温度的影响Fig.10 Effect of inlet position on RPV outer wall temperature

2.3 旁通流道射流角度

在旁通流道直径为40cm、入口位置为65°保持不变的前提下，分别选取旁通流道射流角度为45°、65°、75°以及无旁通流道时对ERVC系统的流动与传热过程进行计算分析。

图11 旁通流道射流角度对系统循环流量的影响Fig.11 Effect of jet angle on system circulation flow rate

图11示出有无旁通流道及流道射流角度对系统循环流量的影响。由图11可知：有旁通流道与无旁通流道时ERVC 系统自然循环总流量变化较小；不同的旁流射流角度对旁流循环流量的影响不大。

图12示出旁通流道射流角度对下封头流道内空泡份额的影响。由图12可见，无旁通流道与有旁通流道相比，下封头流道空泡份额偏大。有旁通流道时，在入口位置之上射流角度越大，造成下封头流道空泡份额越小，有利于其对流换热。

图12 射流角度对下封头流道内空泡份额的影响Fig.12 Effect of jet angle on void fraction at lower head

3 结论

本文采用RELAP5对大功率先进压水堆IVR-ERVC旁通流道冷却强化措施的自然循环能力及瞬态行为进行了分析，得出以下结论。

1）IVR-ERVC系统有旁通流道的存在对系统总循环流量的增加影响较小，对下封头流道内局部的流道和换热产生影响，造成旁流入口位置之上区域换热增强，流道空泡份额偏低，冷却水温度偏低。

2）旁通流道直径的增加有利于系统流道内局部换热，直径越大，上部空泡份额越低，但增大到一定水平，其影响不大。旁通流道入口位置的不同对系统流道内局部换热有影响。旁通流道射流角度的增加也有利于系统流道内局部换热。

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［4］ THEOFANOUS T G，OH S J.In-vessel retention technology development and use for advanced PWR designs in the USA and Korea［R］.United States：International Nuclear Energy Research Initiative，2004.

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［6］ ANGELINI S，TU J P，BUYEVICH A，et al.The mechanism and prediction of critical heat flux in inverted geometries［J］.Nuclear Engineering and Design，2000，200：83-94.

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［9］ 李飞，李永春，程旭.针对REPEC 加热实验的RELAP5程序模拟与分析［J］.原子能科学技术，2012，46（7）：815-820.LI Fei，LI Yongchun，CHENG Xu.Simulation and analysis on REPEC heating experimental mechanism［J］. Atomic Energy Science and Technology，2012，46（7）：815-820（in Chinese）.

［10］The RELAP5 Code Development Team.RELAP5 code manual［M］.America：Idaho National Engineering Laboratory，1995.