一体化压水堆板状燃料元件流道堵塞事故特性分析
9页1、 一体化压水堆板状燃料元件流道堵塞事故特性分析 李 昂,陈玉清,蔡 琦,傅晟威,赵 鑫(1. 海军工程大学 核科学技术学院, 湖北 武汉 430033;2. 海军大连舰艇学院, 辽宁 大连 116016)0 引 言一体化压水堆较传统分散布置压水堆,具有系统布置紧凑、可节约空间占用、降低一回路管道破口事故概率等优点,是一类有发展前景和应用潜力的新型反应堆,特别适合配备于大中型舰船、浮动平台、小型孤岛电站等领域1 3。本文研究的板状燃料元件一体化压水堆,堆芯燃料板之间的冷却剂流道是独立的,无法交混,流道截面尺寸相对较小。如果出现因燃料板肿胀、弯曲或外来异物进入流道导致流道堵塞,将对反应堆的运行安全造成威胁。因此,需要对板状燃料元件压水堆,开展堆芯流道堵塞事故分析研究,评估该事故可能带来的影响。目前针对板状燃料元件堆芯的流道堵塞事故,宋磊4针对IAEA 10 MW 池式材料测试堆进行研究,使用CFD 手段分析了燃料组件流道不同位置、不同程度堵塞后的安全特征;郭玉川等5 7针对日本JRR-3M 池式研究堆,使用RELAP5/MOD3.4 及Fluent 研究了不同程度的流道堵塞事故特性,并分析
2、了存在全部失流事故叠加时的影响;李建全等8针对JRR-3 池式研究堆,使用RETRAN-02 研究了堆芯5 个流道全部堵塞时的事故进程。以上研究多基于低功率研究堆,而针对动力或发电堆类似问题的研究还缺乏公开成果。本文基于RELAP5/MOD3.0 程序,建立某小型船用一体化压水堆系统热工水力分析模型,对其系统进行整体热工水力分析,进而在其满功率运行工况下,模拟仿真该堆型的堆芯热管区域流道入口堵塞事故的影响,给出堵塞区域冷却剂温度、流量变化,及燃料板的温度变化、流道内DNBR 等特征,分析流道堵塞事故可能带来的后果。1 堆芯热工水力分析模型的建立本文所研究的某小型船用一体化压水堆,其基本布置如图1 所示,除稳压器外的所有一回路装置均布置在压力容器内6,9。堆内蒸汽发生器采为套管式直流蒸汽发生器,中心管内与环形流道外为一回路流体,环形流道内为二回路流体,这种换热方式能够加强一二回路流体间的换热效果7。堆芯采用板状燃料元件,其换热特征等与棒状燃料元件堆有较大差异,但基于目前发表的相关文献5, 6, 10, 11,RELAP5 程序仍能够对板状堆的热工水力特性有较合理的模拟,故本文同样采用RE
3、LAP5/mod3.0 程序进行该堆型的建模分析。图1 一体化压水堆结构示意图Fig. 1 Schematic of integrated pressurized water reactor1.1 场方程R E L A P 5/M O D 3.0 采用两流体模型,包含两相质量连续性方程、两相动量方程、两相能量方程2, 12, 13。1.2 系统及堆芯热工水力模型针对该一体化压水堆的结构参数及运行特性,基于RELAP5 对系统进行建模及控制体划分,在分析功率运行期间堆芯单个流道入口堵塞事故时,需重点考虑堆芯处的建模。对于板状元件,某一流道出现一定程度的堵塞,导致冷却剂流量降低时,相应热工参数的变化可根据傅里叶导热定律推导分析14,15。根据对称性,为分析堵塞流道内冷却剂的温度变化,只需重点分析其一侧燃料板的热源及加热特性。对该板而言,未堵塞时其两侧边界温度分布与向两侧传导的热流密度分布关于z轴对称。而一侧流道堵塞时,温度与热流密度分布的对称性被破坏,需重新计算与堵塞流道相邻侧的相应参数。而在发生单流道堵塞事故时,一般仅有与堵塞流道相邻的燃料板及相邻流道会受到较为明显的影响。通过计算验证,
4、在仅有一个流道堵塞的影响下,采用3 个、5 个、7 个并联通道的建模计算获得堵塞时的冷却剂宏观温度变化等没有明显区别,因此采用简化的3 个并联通道模拟堵塞区域,堆芯其他部分以1 个平均通道、1 个旁流通道表示,如图2 所示。图2 堆芯及燃料板建模示意图Fig. 2 Schematic of modeling for reactor core and fuel plate3 个热通道两侧共有4 个热构件,其中热构件2 与3 均设定相同的几何参数及功率分布,其功率参数参照堆芯寿期内最大核焓升因子给出。热构件1 与4 设定有2 的一半厚度及一半功率,这样能够较为准确地模拟燃料板并排分布,冷却剂从燃料板间隙流过的堆芯实际特性。各热通道与相邻热构件部分用于模拟单流道堵塞位置及其附近的区域,平均通道起到计算的对照参考作用,旁流通道模拟必要的旁流效应,这部分未在图2 中表示。每个流道控制体及燃料板热构件均在轴向划分为10 个控制体,在冷却剂入口处(堆芯下方)控制体编号为1,至出口处编号为10。热构件2 与3 在径向划分11 个网格点,相应地1 与4 划分6 个网格点。2 流道堵塞下的响应特性分析2.
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