馬秀歌+林琳+李漢辰+宋煒

【摘 要】在極寒外部環(huán)境條件下，并喪失所有交流（AC）電源事故下，鋼安全殼內(nèi)部熱負荷會減少，安全殼內(nèi)部的溫度和壓力也隨之減小，導(dǎo)致鋼安全殼承受較大外部壓力荷載。本文基于有限體積法求解多組分、多相的質(zhì)量、動量和能量守恒方程，計算分析了典型核電廠極寒條件下安全殼可能受到的最大外壓。計算結(jié)果表明典型核電廠最大壓差不會超過設(shè)計值。本文計算的安全殼負壓對鋼安全殼設(shè)計至關(guān)重要。

【關(guān)鍵詞】外壓；鋼安全殼；安全殼；極寒

安全殼是用來密封反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，防止事故時放射性裂變產(chǎn)物大量釋放的最后一道屏障。在安全殼設(shè)計過程中，為了保證安全殼的完整性，需要對設(shè)計基準(zhǔn)事故后的安全殼內(nèi)壓力和溫度進行計算，確保其值滿足現(xiàn)行的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，從而保證安全殼的完整性。

徐大堡核電廠安全殼設(shè)計為鋼制安全殼。鋼安全殼具有良好的密封性，能在假想的實際基準(zhǔn)事故后包容釋放的懸浮放射性物質(zhì)。鋼安全殼具有良好的導(dǎo)熱性，其外表面不僅可提供設(shè)計基準(zhǔn)事故條件下液膜的蒸發(fā)冷卻，并且通過與外層屏蔽廠房、導(dǎo)流板等物項形成了冷卻通道，降低安全殼內(nèi)的溫度和壓力。

因為鋼安全殼具有較好的導(dǎo)熱性，在極寒天氣條件下，安全殼外環(huán)境溫度低于安全殼內(nèi)環(huán)境溫度，導(dǎo)致熱量從安全殼內(nèi)導(dǎo)出，可使安全殼鋼殼內(nèi)部壓力溫度降到很低，在鋼安全殼內(nèi)外產(chǎn)生一個負壓差。如果在這種極寒條件下假設(shè)，并喪失所有AC電源，會導(dǎo)致鋼安全殼內(nèi)部來自于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和其它能動部件的熱負荷減少，引起安全殼內(nèi)部的溫度下降，壓力也隨之減??；最終鋼安全殼承受較大外部壓力荷載，可能威脅到安全殼的完整性。為了確保在極寒天氣安全殼的完整性，本文根據(jù)徐大堡廠址參數(shù)條件，計算了極寒天氣條件下鋼制安全殼最大壓差。

1 鋼安全殼功能介紹和設(shè)計準(zhǔn)則

徐大堡核電廠鋼安全殼是一個獨立的帶有橢圓上下封頭的圓柱形鋼制容器，外部由鋼筋混凝土構(gòu)筑的屏蔽廠房包圍。鋼安全殼的直徑約為40米、高度約為66米。鋼制安全殼作為最后一道安全屏障，是阻止事故后安全殼內(nèi)放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放的承壓邊界。同時鋼制安全殼也作為非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的換熱界面，提供安全級的最終熱阱用于導(dǎo)出反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)顯熱、堆芯衰變熱、事故源項的衰變熱。它的主要功能包括：

1）在正常運行期間為反應(yīng)堆堆芯和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)提供屏蔽；

2）鋼安全殼也是整個非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的組成部分，安全殼容器和非能動安全殼冷卻系統(tǒng)設(shè)計成能從安全殼排出足夠的能量，防止在假想設(shè)計基準(zhǔn)事故后安全殼超出其設(shè)計壓力和設(shè)計溫度。

在極寒天氣條件下鋼制安全殼的最大外壓差設(shè)計值為0.0117·MPa（表壓）。

2 計算模型介紹

2.1 計算程序和模型控制體

本文程序基于有限體積法求解多組分、多相的質(zhì)量、動量和能量守恒方程。程序求解的流體包括連續(xù)液體、液滴及水蒸氣-氣體混合物，在同一控制體內(nèi)，這些流體可處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài)，從而可以模擬過冷液滴在飽和蒸汽中的降落。水蒸汽-氣體流場的氣體組分可以包含多達8種非凝性氣體。此外，該程序中還包含了大量的設(shè)備部件模型，如泵和風(fēng)扇、閥門和門、熱交換器、爆破閥、噴淋管嘴、冷卻器和加熱器、氫氣復(fù)合器及氫氣點火器等。

在本文計算模型中，安全殼模型包含126個控制體，控制體100表示外部大氣環(huán)境，控制體126表示屏蔽廠房外圍的大氣環(huán)境，控制體125表示屏蔽廠房空氣入口，控制體92～98和124表示空氣導(dǎo)流板和屏蔽廠房之間的下降通道，控制體85～91和123表示空氣導(dǎo)流板和鋼制安全殼之間的上升通道。在外壓分析中為了模擬真空泄壓閥，模擬了邊界條件、流道、閥門以及開關(guān)函數(shù)參數(shù)。

2.2 真空泄壓閥

對于鋼制安全殼，為了防止極寒條件下安全殼最大負壓差，在安全殼空氣過濾系統(tǒng)通風(fēng)管道上增加了真空泄壓閥，可以在可能出現(xiàn)極大負壓差時開啟真空泄壓閥，使得空氣進入安全殼，避免負壓差過大。為了模擬真空泄壓閥，增加了邊界、流道、閥門以及開關(guān)函數(shù)參數(shù)，真空泄壓開啟壓力為0.093·MPa（絕壓），延遲時間為20秒，流通面積0.01864m2。

2.3 擴散和傳質(zhì)：IRWST水蒸發(fā)

由于安全殼外壓瞬態(tài)過程中安全殼的壓力和溫度降低，內(nèi)置換料水箱（IRWST）中的一些水會通過質(zhì)能擴散而蒸發(fā)。在分析中，通過接管的質(zhì)能擴散不包括在質(zhì)量能量守恒中。由于IRWST（控制體8·s，分成一個子控制體，使用接管與其他控制體相連）在模型等效于一個集總參數(shù)模型，所以計算中未考慮IRWST的水蒸發(fā)，這將減小安全殼的壓力從而使計算模型更保守。

2.4 安全殼內(nèi)部熱阱

由于在外壓分析瞬態(tài)過程中大氣的溫度降低，內(nèi)部熱構(gòu)件便成為了熱源。湍流的換熱系數(shù)很小，并且在模型中已經(jīng)考慮了許多保守的假設(shè)。因此，所有的安全殼內(nèi)部熱阱使用新的換熱系數(shù)，包括非ITAAC（檢查、試驗、分析和驗收準(zhǔn)則）結(jié)構(gòu)、地板和死隔間。

在輸入文件中，采用一側(cè)的面積和全部厚度對大多數(shù)的熱阱進行描述。對于這些熱阱，認(rèn)為其兩側(cè)均與安全殼大氣環(huán)境進行換熱。結(jié)果，傳熱系數(shù)類型1、4和5更改為湍流自然對流。增加傳熱系數(shù)類型7取代4，僅用于混凝土熱阱的一側(cè)和兩外部金屬熱構(gòu)件（熱阱4和214）。另外，控制參數(shù)中的自然對流換熱系數(shù)設(shè)置為0.4。

3 初始假設(shè)條件

3.1 安全殼內(nèi)主要假設(shè)條件

為了得到壓差最大的瞬態(tài)條件，使得外壓分析計算結(jié)果相對保守，在分析中安全殼內(nèi)環(huán)境主要假設(shè)條件如下：

1）失去交流電源，正常運行狀態(tài)下進入安全殼的熱量減少；

2）無空氣向殼內(nèi)泄漏；

3）非能動安全殼冷卻系統(tǒng)（PCS）水膜冷卻不動作；

4）安全殼初始壓差為0.0014·MPa（表壓）；

5）安全殼內(nèi)熱結(jié)構(gòu)初始溫度為48.9℃；

6）安全殼內(nèi)初始相對濕度為70%；

7）安全殼內(nèi)大氣初始溫度在48.9℃；

8）安全殼內(nèi)部熱結(jié)構(gòu)初始溫度為30.6℃；

3.2 安全殼外環(huán)境的主要假設(shè)條件

（1）假設(shè)外部環(huán)境相對濕度0%；

（2）安全殼外風(fēng)速；

徐大堡廠址50年一遇最大風(fēng)速33.9·m/s。采用關(guān)系式（1）折算成環(huán)形上升空間的風(fēng)速。

Va = V*（C_P/Kloss）0.5 （1）

其中V：表示測量大氣風(fēng)速；

Va：環(huán)腔上升段速度；

C_P：風(fēng)速系數(shù)；

Kloss：阻力系數(shù)。

折合成環(huán)形上升空間風(fēng)速為9.6m/s。

安全殼環(huán)形通道空氣流速修改邊界條件PCS出口的壓力使空氣流速接近33.9·m/s。通過降低此邊界條件的壓力產(chǎn)生了使空氣在環(huán)形通道內(nèi)向上流動的壓差。經(jīng)過計算當(dāng)壓力降低至0.101·MPa（絕壓）時，環(huán)形通道風(fēng)速為9.6·m/s。

（3）安全殼外溫度

對于徐大堡廠址氣象數(shù)據(jù)，百年極端最低溫度為-30.9℃。假設(shè)徐大堡安全殼外初始外部環(huán)境溫度-3.9℃，并以16.7℃/h的速度降溫，保守考慮減低到-31.7℃。

4 計算結(jié)果及結(jié)論

通過計算徐大堡廠址安全殼計算的最大壓差為0.0108MPa（表壓），不超過設(shè)計值0.0117MPa（表壓）。計算結(jié)果表明，徐大堡核電廠可以保證在極冷條件下安全殼內(nèi)外壓差不超過設(shè)計值，滿足設(shè)計準(zhǔn)則。

【參考文獻】

[1]“Nuclear Services Policies & Procedures”， “Design Analysis”， Effective 10/01/01[Z].

[2]NSE-92-0114， NSE/WMD0040， Input Data for Pressure Transient Work[Z].

[責(zé)任編輯：張濤]