岳芷廷，宋云鵬，劉興民，鄒 耀，吳園園

(中國原子能科學研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計所，北京 102413)

49-2泳池式反應(yīng)堆(簡稱49-2泳池堆)是一個輕水慢化、冷卻的研究型反應(yīng)堆，是我國自行設(shè)計、建造、安裝、調(diào)試和運行的，其設(shè)計額定功率為3 500 kW，加強功率為5 000 kW。1965年3月開始大功率運行，至今已有48年[1]。

一般情況下，池式反應(yīng)堆的出水管入口設(shè)置在堆水池底部，為防止一回路的出水管發(fā)生破口事故，產(chǎn)生虹吸作用，最終導(dǎo)致堆芯裸露，在出水管最高處設(shè)置虹吸破壞閥，來防止虹吸作用。與其他池式反應(yīng)堆相同，49-2泳池堆也設(shè)置了虹吸破壞閥，但該閥門為手動閥，且處于堆水池蓋板下方，蓋板需要吊車才能提起，嚴重事故下很可能工作人員無法進入該區(qū)域提起蓋板再手動開啟閥門。自福島核電站事故后，我國對現(xiàn)有核設(shè)施進行了全面的安全檢查。為了提高49-2泳池堆應(yīng)對地震災(zāi)害等極端事故的能力，提出對其一回路冷卻劑管增設(shè)一個非能動的虹吸破壞孔。當發(fā)生一回路失流事故時，由于游泳池內(nèi)水位的降低，該虹吸破壞孔便會自然露出水面，從而破壞虹吸作用，避免產(chǎn)生堆芯裸露的嚴重后果。

1 虹吸破壞孔設(shè)計

1.1 虹吸現(xiàn)象及虹吸破壞

虹吸是一種流體力學現(xiàn)象，可不借助泵而抽吸液體。如圖1所示，49-2泳池堆的一回路出口管的結(jié)構(gòu)為倒U形的管狀結(jié)構(gòu)(稱為虹吸管)，這種結(jié)構(gòu)下，管子兩端的液體壓差能推動液體越過最高點，向另一端排放。當一回路出口段低于堆芯的位置發(fā)生破口時，在虹吸力的作用下，游泳池內(nèi)的水位會不斷降低，直至水位與破口處于同一水平線上。

圖1 虹吸原理圖

虹吸破壞原理是在出水管最高處設(shè)置虹吸破壞孔，當發(fā)生一回路失流事故時，由于游泳池內(nèi)水位的降低，該虹吸破壞孔便會自然露出水面，在壓差的作用下，氣體開始由該孔進入一回路系統(tǒng)，隨著氣體在回路中的不斷積累，壓力逐漸平衡，從而阻斷了液體的流動，即實現(xiàn)了虹吸破壞。

1.2 開孔位置及尺寸選擇

正常情況下，為了能及時起到破壞虹吸現(xiàn)象的作用，虹吸破壞孔應(yīng)設(shè)置在冷卻劑出水管的制高點，但由于此次設(shè)計的虹吸破壞孔為非能動的，虹吸破壞孔始終處于開啟狀態(tài)，因此需考慮對反應(yīng)堆正常運行的影響。

在設(shè)計中，由于反應(yīng)堆冷卻劑出水管的制高點距堆水池液面只有5 cm，正常運行時水位的波動也較大；并且管道轉(zhuǎn)彎處有彎頭，不適宜開孔，因此將開孔位置設(shè)置在彎頭下方，此點距正常運行液面下方65 cm。

由于該虹吸破壞孔始終開啟，反應(yīng)堆正常運行時會使一回路的冷卻劑發(fā)生旁通，為保證流經(jīng)堆芯的冷卻劑流量，開孔直徑應(yīng)在滿足破壞虹吸的條件下盡量小。由于49-2泳池堆一回路中原有的手動開啟虹吸破壞孔直徑為1.8 cm，因此此次計算孔徑分別選擇1.5 cm和2.0 cm。

2 系統(tǒng)建模

本工作中非能動虹吸破壞孔的計算采用RELAP5程序。該程序已成為核電廠熱工水力及安全分析的基礎(chǔ)，其適用范圍幾乎可覆蓋核電廠所有熱工水力瞬變和事故譜。在RELAP5/MOD3.3這個版本中，集中了在兩相流理論研究、數(shù)值求解方法、計算機編程技巧以及各種規(guī)模實驗等方面取得的研究成果。該程序已被應(yīng)用于分析大量工程實例并與各國許多實驗計劃的實驗數(shù)據(jù)進行了驗證和比較，證實了其計算的準確性和可靠性。

運用RELAP5/MOD3.3程序的建模方法，針對49-2泳池堆一回路主要系統(tǒng)進行了建模[2]，主要包括堆水池和熱管段，模型如圖2所示。堆水池部分包括堆芯和堆芯上方水池。堆芯上方水池自下而上劃分為160和170兩部分。水池上方與大氣相通。由于計算中只考慮堆芯的進出口壓差，因此堆芯部分只模擬為水力部件。倒U形的堆芯出口熱管段被劃分為11段，以分析虹吸破壞孔起作用時各管段的密度變化。熱管段110的第6段與堆芯上方水池170的水平連接處表示虹吸破壞孔的開孔位置。120、130、140分別為連接3臺主泵的分管段。

3 計算結(jié)果分析

計算分析分為兩部分：1) 由于該非能動虹吸破壞孔始終開啟，反應(yīng)堆正常運行時一回路的冷卻劑會發(fā)生旁通，即會有流體不流經(jīng)堆芯而直接由堆水池流入一回路管段，為保證流經(jīng)堆芯的冷卻劑流量，對每個尺寸的虹吸破壞孔均要進行穩(wěn)態(tài)計算，以驗證開孔的旁通流量對堆芯冷卻的影響程度；2) 計算在停堆工況下一回路發(fā)生大破口事故，當其他專設(shè)安全設(shè)施都失效時，在無需工作人員干預(yù)的情況下，虹吸破壞孔的設(shè)計是否滿足設(shè)計要求。

100——堆芯；110——一回路冷卻劑熱管段；120、130、140——連接3臺主泵的分管段；160、170——堆芯上方游泳池；110-6——虹吸破壞孔；180——游泳池上方大氣空間

3.1 穩(wěn)態(tài)工況下計算結(jié)果及分析

在反應(yīng)堆正常運行狀態(tài)下，堆芯進出口壓差約為8 950 Pa，流經(jīng)堆芯的流量為277.76 kg/s。

當虹吸破壞孔孔徑取1.5 cm時，虹吸破壞孔處的壓力約為87 485 Pa，流經(jīng)虹吸破壞孔的旁通流量約為1.60 kg/s，流經(jīng)堆芯的冷卻劑流量為277.51 kg/s，其對堆芯流量的影響只有0.09%。

當虹吸破壞孔孔徑取2.0 cm時，虹吸破壞孔處的壓力約為87 505 Pa，流經(jīng)虹吸破壞孔的旁通流量約為2.84 kg/s，流經(jīng)堆芯的冷卻劑流量為277.31 kg/s，其對堆芯流量的影響只有0.16%。

由計算結(jié)果可知，虹吸破壞孔孔徑為1.5 cm和2.0 cm時，對堆芯冷卻劑的旁通作用非常小，即對堆芯的正常運行基本無影響。

3.2 停堆工況下大破口事故計算結(jié)果及分析

分析時作如下基本假設(shè)：1) 反應(yīng)堆停堆期間一回路泵前發(fā)生大破口事故，破口直徑為265 mm的管道雙端斷裂，此處標高為0.07 m；2) 所有專設(shè)安全設(shè)施全部失效；3) 發(fā)生虹吸時，管道內(nèi)無局部阻力。

虹吸破壞孔孔徑為1.5 cm時的大破口事故計算結(jié)果如圖3所示。0 s時發(fā)生大破口事故，破口處的流量接近400 kg/s，堆水池內(nèi)的水位由最初的距離堆芯上表面5.91 m開始迅速下降，虹吸破壞孔的壓力迅速下降；約10 s時，虹吸破壞孔露出水面，有氣體開始進入回路，此時虹吸破壞孔處壓力約為6 500 Pa，隨著虹吸破壞孔的作用和堆水池內(nèi)水位的下降，破口處冷卻劑的流量也隨之下降；約180 s時，破口處的流量幾乎為0，虹吸破壞孔也不再有氣體進入，虹吸破壞孔的壓力約為大氣壓，此后堆水池水位基本穩(wěn)定維持在距離堆芯上方0.98 m的位置，即實現(xiàn)了破壞虹吸作用，從而確保游泳池內(nèi)的水位將堆芯淹沒，滿足設(shè)計要求。

圖3 虹吸破壞孔孔徑為1.5 cm時的大破口事故計算結(jié)果

虹吸破壞孔孔徑為2.0 cm時的大破口事故計算結(jié)果如圖4所示。與1.5 cm虹吸破壞孔結(jié)果相似，0 s時發(fā)生事故，堆水池水位下降；約10 s時，虹吸破壞孔露出水面，此時虹吸破壞孔處壓力約為7 000 Pa；約130 s時，破口處的流量幾乎為0，虹吸破壞孔幾乎不再有氣體進入，虹吸破壞孔的壓力約為大氣壓，此后堆水池水位維持在距離堆芯約1.83 m的位置，即實現(xiàn)了破壞虹吸作用，滿足設(shè)計要求。

以上計算結(jié)果表明，在停堆停泵狀態(tài)下，一回路大破口事故時，1.5 cm和2.0 cm的虹吸破壞孔均能滿足設(shè)計要求，但1.5 cm的虹吸破壞孔在實現(xiàn)破壞虹吸作用時，水位距離堆芯上表面只有0.98 m，而2.0 cm的虹吸破壞孔在實現(xiàn)破壞虹吸作用時，水位距離堆芯上表面有1.83 m。出于保守考慮，最終將虹吸破壞孔孔徑選擇為2.0 cm。

圖4 虹吸破壞孔孔徑為2.0 cm時的大破口事故計算結(jié)果

4 結(jié)論

本文對增設(shè)的非能動一回路虹吸破壞孔進行了方案設(shè)計，根據(jù)堆的實際情況，確定了開孔位置；并在穩(wěn)態(tài)運行及停堆的大破口事故工況下對兩種不同孔徑的虹吸破壞孔進行了計算分析，分析結(jié)果表明，兩種孔徑均能滿足設(shè)計要求，但為了保守起見，最終選擇開孔孔徑為2.0 cm。

本次計算分析，可為49-2泳池堆虹吸破壞孔的改造提供理論依據(jù)，具有一定的實際應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]儲紹初. 49-2游泳池反應(yīng)堆(追溯性)安全分析報告[R]. 北京：中國原子能科學研究院，1990.

[2]The RELAP5 Code Development Team. RELAP5/MOD3.3 code manual, volume Ⅱ, Appendix A: Input requirements[M]. USA: Idaho National Engineering Laboratory, 2010.