王 玨，王 琮，劉建閣，李龍澤

(1.海軍工程大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

核動(dòng)力裝置一回路或二回路系統(tǒng)高能管道發(fā)生破裂后，大量高焓值流體將快速釋放進(jìn)入堆艙，進(jìn)而威脅第三道屏障的完整性。與核電廠安全殼類似，浮動(dòng)電站核動(dòng)力裝置堆艙采用非能動(dòng)熱阱（堆艙大氣空間、艙壁和艙內(nèi)部件等）和能動(dòng)熱阱（噴淋系統(tǒng)等）相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)降溫降壓。

在核電廠安全殼或核動(dòng)力裝置堆艙（執(zhí)行安全殼功能）熱工水力瞬態(tài)分析方面，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室使用一體化程序MELCOR 建立了二代堆和AP1000的干式安全殼模型[1]，研究了失水事故和主蒸汽管道破裂事故下安全殼對(duì)系統(tǒng)質(zhì)能釋放的熱工瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程，并給出了AP1000 安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的優(yōu)化方案；陳玉清等[2]使用RELAP5 程序建立了船用堆堆艙模型，比較分析了假想失水事故期間不同模型劃分方案對(duì)堆艙熱工響應(yīng)特性的影響；李勇等[3]使用Fluent 軟件建立了堆艙內(nèi)蒸汽冷凝和堆艙外海水自然循環(huán)的耦合模型，分析了失水事故下堆艙非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)的熱工特性。

當(dāng)前針對(duì)核動(dòng)力裝置堆艙系統(tǒng)（或核電廠安全殼系統(tǒng)）的熱工特性研究多集中于使用系統(tǒng)熱工水力程序或CFD 程序模擬分析在給定質(zhì)能釋放下的壓力和溫度響應(yīng)，側(cè)重點(diǎn)為堆艙系統(tǒng)配置及分析模型對(duì)計(jì)算的影響，而對(duì)核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)、堆艙系統(tǒng)與其他系統(tǒng)耦合設(shè)計(jì)的分析相對(duì)較少。鑒于此，本文以浮動(dòng)電站核動(dòng)力裝置為對(duì)象，通過(guò)使用RELAP5 和MELCOR程序開(kāi)展聯(lián)合分析研究，計(jì)算堆艙系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的全程響應(yīng)過(guò)程，即從事故始發(fā)時(shí)開(kāi)始分析，直至堆艙熱工響應(yīng)趨于穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合堆艙系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的特征，對(duì)影響熱工安全特性的若干敏感性問(wèn)題進(jìn)行定量分析，給出核動(dòng)力裝置堆艙的設(shè)計(jì)改進(jìn)意見(jiàn)。

1 系統(tǒng)質(zhì)能釋放分析

船用堆多采用壓水堆技術(shù)路線，與陸上壓水堆核電廠事故分析結(jié)論類似，核動(dòng)力裝置最大質(zhì)能釋放事故主要是一回路失水事故和主蒸汽管道雙端剪切斷裂事故。本文研究選擇主蒸汽管道雙端剪切破裂作為假想設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，使用RELAP5 程序建立計(jì)算模型，并計(jì)算出事故下系統(tǒng)的質(zhì)能釋放包絡(luò)值。

1.1 程序計(jì)算模型

RELAP5 程序計(jì)算模型主要系統(tǒng)和設(shè)備如表1 所示，節(jié)點(diǎn)劃分如圖1 所示。此外，模型還包括反應(yīng)堆停堆、給水隔離和主蒸汽隔離等必要的控制和保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作信號(hào)。

上述模型搭建好后經(jīng)穩(wěn)態(tài)調(diào)試，關(guān)鍵參數(shù)（溫度、壓力、流量和水位等）的變化趨勢(shì)與設(shè)計(jì)名義值的誤差在±0.5% 以內(nèi)，滿足開(kāi)展瞬態(tài)分析的基本要求。

表 1 RELAP5 程序建模對(duì)象Tab.1 Calculation Models of RELAP5 Code

1.2 事故分析假設(shè)

對(duì)于主蒸汽管道破裂事故，影響質(zhì)能釋放的重要因素及相關(guān)假設(shè)如下：

1）反應(yīng)堆初始功率。由于船用堆通常為無(wú)硼設(shè)計(jì)，與核電廠相比，熱態(tài)零功率時(shí)不會(huì)重返臨界，故事故響應(yīng)后果并不惡劣。為使質(zhì)能釋放值趨于包絡(luò)，本文僅對(duì)100% 功率疊加2% 不確定性的工況開(kāi)展分析；

2）事故后堆芯衰變熱。參考失水事故分析，保守采用美國(guó)核學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)提供的衰變熱曲線[4]；

3）反應(yīng)堆停堆信號(hào)。主蒸汽管道破裂后，二回路壓力迅速下降，并達(dá)到觸發(fā)反應(yīng)堆停堆的整定值；

4）給水隔離信號(hào)。主蒸汽管道破裂事故屬于二回路熱輸出增加類工況，一回路冷卻劑溫度達(dá)到低整定值后，啟動(dòng)給水隔離。

1.3 假想事故分析

圖 1 RELAP5 程序系統(tǒng)模型節(jié)點(diǎn)圖Fig.1 System node diagram of RELAP5 code

本節(jié)使用不同版本的RELAP5 程序?qū)傧胧鹿书_(kāi)展分析，選取計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值（最大值）作為堆艙熱工響應(yīng)的輸入。其中，質(zhì)量流量變化趨勢(shì)如圖2 所示，事故發(fā)生后，在二回路與堆艙壓差的驅(qū)動(dòng)下，主蒸汽迅速釋放進(jìn)入堆艙，峰值達(dá)到300 kg/s 量級(jí)，并大量帶走一回路冷卻劑熱量。隨后，二回路低壓力信號(hào)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆、一回路低溫度信號(hào)觸發(fā)給水隔離，質(zhì)量流量開(kāi)始下降并逐漸趨于平緩，直至初始水裝量耗盡。比焓值變化趨勢(shì)如圖3 所示，二回路質(zhì)量釋放介質(zhì)主要為飽和蒸汽，釋放期間其比焓值維持在2 500-2 600 kJ/kg 量級(jí)，與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的飽和汽比焓相當(dāng)。

2 堆艙熱工響應(yīng)分析

RELAP5 程序計(jì)算得出質(zhì)能釋放數(shù)據(jù)后，輸入MELCOR 程序即可開(kāi)展堆艙熱工響應(yīng)分析，計(jì)算堆艙的壓力和溫度變化趨勢(shì)。本文取質(zhì)能釋放早期階段（0～300 s）的數(shù)據(jù)作為計(jì)算輸入。

2.1 程序計(jì)算模型

堆艙系統(tǒng)建模對(duì)象如表2 所示，模型節(jié)點(diǎn)劃分如圖4 所示。此外，還模擬了噴淋系統(tǒng)和其他非能動(dòng)熱阱（艙內(nèi)支撐平臺(tái)等）。

圖 2 破口處質(zhì)量流量變化趨勢(shì)Fig.2 Trend of mass flow rate

圖 3 破口處比焓值變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of specific enthalpy

表 2 MELCOR 程序建模對(duì)象Tab.2 Calculation models of MELCOR code

圖 4 MELCOR 程序堆艙模型節(jié)點(diǎn)圖Fig.4 Reactor compartment node diagram of MELCOR code

2.2 初始假設(shè)條件

計(jì)算的初始條件如表3 所示。其中，保守假設(shè)初始不可凝氣體含量為100%、噴淋系統(tǒng)于120 s 時(shí)啟動(dòng)。

表 3 堆艙熱工響應(yīng)分析初始條件Tab.3 Initial conditions of reactor compartment thermal response analysis

2.3 熱工響應(yīng)分析

主蒸汽管道破裂事故序列如表4 所示。破口處流體進(jìn)入堆艙后，壓力和溫度隨即迅速上升，并于50-55 s時(shí)首次達(dá)到峰值。由于能動(dòng)熱阱（噴淋系統(tǒng)）尚未啟動(dòng)，此時(shí)堆艙內(nèi)主要依靠大氣空間、抑壓系統(tǒng)和艙內(nèi)部件吸收熱量。隨后，由于非能動(dòng)熱阱吸熱能力下降，堆艙壓力和溫度呈現(xiàn)二次上升趨勢(shì)，并達(dá)到第2 個(gè)峰值。噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)后，堆艙熱工響應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定，壓力響應(yīng)趨勢(shì)如圖5 所示，溫度響應(yīng)趨勢(shì)如圖6 所示。

表 4 主蒸汽管道破裂事故序列Tab.4 Accident scenarios of main steam line break

3 敏感性研究

對(duì)于系統(tǒng)質(zhì)能釋放，給水系統(tǒng)隔離時(shí)機(jī)會(huì)影響破口處釋放源項(xiàng)的質(zhì)量和焓值。對(duì)于堆艙熱工響應(yīng)，能動(dòng)熱阱和非能動(dòng)熱阱的設(shè)計(jì)參數(shù)將影響壓力和溫度值的變化趨勢(shì)?，F(xiàn)分別針對(duì)上述各要素開(kāi)展敏感性分析，并與第2.3 節(jié)的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，以研究不同參數(shù)對(duì)堆艙響應(yīng)2 個(gè)峰值的影響。

圖 5 堆艙壓力響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.5 Trend of pressure response

圖 6 堆艙溫度響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.6 Trend of temperature response

3.1 給水系統(tǒng)隔離

分別對(duì)給水隔離動(dòng)作信號(hào)延遲5 s 和10 s，由RELAP5 程序計(jì)算質(zhì)能釋放數(shù)據(jù)，然后輸入MELCOR 程序計(jì)算堆艙熱工響應(yīng)，變化趨勢(shì)如圖7 和圖8 所示。

由圖可知，隔離動(dòng)作延遲后，給水系統(tǒng)將唧送更多水源進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，經(jīng)一回路加熱后，通過(guò)破口處釋放進(jìn)入堆艙。質(zhì)能釋放源項(xiàng)增加，導(dǎo)致堆艙熱工響應(yīng)明顯惡化，噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)前，壓力和溫度保持上升趨勢(shì)。噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)后，壓力和溫度才開(kāi)始逐漸下降。

敏感性分析表明，當(dāng)前給水系統(tǒng)隔離信號(hào)的設(shè)置滿足設(shè)計(jì)要求，壓力峰值與設(shè)計(jì)限值相比裕量超過(guò)10%，具有較高的安全水平。分析同時(shí)表明，確?？刂撇呗缘目煽繄?zhí)行能夠顯著緩解事故，保障核動(dòng)力裝置在事故下的安全性。

圖 7 堆艙壓力響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.7 Trend of pressure response

圖 8 堆艙溫度響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.8 Trend of temperature response

3.2 堆艙自由容積

分別取50%，80% 和100% 名義值作為堆艙自由容積，得出堆艙熱工響應(yīng)如圖9 和圖10 所示。堆艙自由容積增大后，艙內(nèi)大氣空間緩沖質(zhì)能釋放的能力升高，故第一個(gè)壓力峰值明顯降低、時(shí)間點(diǎn)明顯延遲。噴淋系統(tǒng)投運(yùn)后，由于其緩解能力更強(qiáng)，自由容積的影響程度相應(yīng)降低。

敏感性分析表明，當(dāng)前堆艙自由容積滿足熱工設(shè)計(jì)要求，且安全裕量較高，可以分配一定空間用于提高安全系統(tǒng)的容量。

3.3 非能動(dòng)熱阱

圖 9 堆艙壓力響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.9 Trend of pressure response

圖 10 堆艙溫度響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.10 Trend of temperature response

本文研究對(duì)象設(shè)計(jì)有抑壓系統(tǒng)作為非能動(dòng)熱阱的手段之一，即在堆艙內(nèi)設(shè)置專用水池，通過(guò)抑壓管道將事故釋放的高溫高壓流體導(dǎo)入水池進(jìn)行冷卻，以抑制堆艙內(nèi)壓力和溫度的升高。有無(wú)抑壓系統(tǒng)的熱工響應(yīng)對(duì)比趨勢(shì)如圖11 和圖12 所示。由圖11 可知，設(shè)置抑壓系統(tǒng)后，事故后的第1 個(gè)壓力峰值明顯降低、時(shí)間點(diǎn)延遲，且壓力響應(yīng)的設(shè)計(jì)裕量從～5% 顯著提高到了～15%。

結(jié)合3.2 節(jié)針對(duì)堆艙自由容積的敏感性分析可知，作為非能動(dòng)熱阱，堆艙自由容積和抑壓系統(tǒng)的容量均能夠有效緩解事故。考慮到抑壓系統(tǒng)能夠提供水源用于緩解事故，在空間足夠可用的情況，改進(jìn)過(guò)程中可以將更多的堆艙自由容積分配給抑壓系統(tǒng)，進(jìn)一步提高綜合安全性。

3.4 堆艙噴淋系統(tǒng)

堆艙噴淋系統(tǒng)作為能動(dòng)熱阱的主要手段，其目的在于抑壓早期階段出現(xiàn)的第2 個(gè)熱工響應(yīng)峰值。分別取30 s 和60 s 作為噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)機(jī)，得出堆艙熱工響應(yīng)如圖13 和圖14 所示。由圖可知，當(dāng)前噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠有效抑壓事故后堆艙內(nèi)壓力和溫度的升高，且壓力峰值的設(shè)計(jì)裕量超過(guò)10%。

敏感性分析還表明，提前啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)對(duì)于緩解事故的作用并不明顯，當(dāng)前配置合理可行。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖 11 堆艙壓力響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.11 Trend of pressure response

圖 12 堆艙溫度響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.12 Trend of temperature response

圖 13 堆艙壓力響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.13 Trend of pressure response

圖 14 堆艙溫度響應(yīng)變化趨勢(shì)Fig.14 Trend of temperature response

1）本文使用RELAP5 和MELCOR 程序聯(lián)合建立了完整的核動(dòng)力裝置熱工水力分析模型，并以主蒸汽管道破裂事故為例，開(kāi)展了詳細(xì)的堆艙系統(tǒng)瞬態(tài)分析研究。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)前堆艙系統(tǒng)配置滿足熱工設(shè)計(jì)要求，且設(shè)計(jì)裕量超過(guò)10%，整體安全水平較高。

2）對(duì)于堆艙系統(tǒng)熱工特性研究，本文同時(shí)提出了從假想事故始發(fā)模擬至堆艙響應(yīng)趨于穩(wěn)定的全過(guò)程分析方式，該方式可用于協(xié)助分析堆艙系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的耦合作用。以二回路給水系統(tǒng)隔離為例，敏感性分析表明其整定值對(duì)堆艙熱工響應(yīng)影響較大。合理設(shè)立隔離信號(hào)并充分保障其可靠性，除了能夠提高安全水平外，還能為總體設(shè)計(jì)和堆艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供靈活度。

3）敏感性分析同時(shí)表明，堆艙相關(guān)安全系統(tǒng)的容量能夠顯著影響事故后緩解策略的有效性。通過(guò)優(yōu)化堆艙自由容積和抑壓水池容量的分配比，可以進(jìn)一步提高堆艙系統(tǒng)的可靠性和安全性。