高業(yè)棟，韓良文，夏星漢，馬小春，李 沖，蔡文超

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610005）

1980年12月16日，由原二機(jī)部西南反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)院（現(xiàn)中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院）研究設(shè)計(jì)的高通量工程試驗(yàn)堆（High Flux Engi?neering Test Reactor，簡(jiǎn)稱HFETR）實(shí)現(xiàn)了高功率運(yùn)行。HFETR 是一座低溫低壓的壓力容器式輕水試驗(yàn)堆，采用輕水作冷卻劑和慢化劑，以鈹為反射層，主要用于燃料元件考驗(yàn)、同位素生產(chǎn)和材料輻照加工等。該堆的二回路冷卻劑系統(tǒng)功能是將主冷卻劑熱量有效導(dǎo)出，為HFETR 各輔助系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備提供冷卻水。發(fā)生二次側(cè)水?dāng)嗔魇录r(shí)，熱量無(wú)法有效導(dǎo)出，此時(shí)需要迅速手動(dòng)停堆，確保堆芯溫度在運(yùn)行限值以下，防止堆芯熔毀。1981 年2 月9 日，HFETR 在2 600 kW 下運(yùn)行，由于二次側(cè)水泵故障發(fā)生了二次側(cè)水?dāng)嗔魇录刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)發(fā)出了“二次側(cè)水流量低”警告信號(hào)后2 min，一次水溫度上升了6℃，運(yùn)行人員在判定為二次側(cè)水全部中斷事件后，迅速停堆，以保證反應(yīng)堆安全。HFETR安全分析報(bào)告對(duì)125 MW功率運(yùn)行下二次側(cè)水?dāng)嗔魍６押蟮挠酂釋?dǎo)出進(jìn)行了分析，同時(shí)根據(jù)安全分析報(bào)告，二次側(cè)水?dāng)嗔魇录幚硇枰\(yùn)行人員立即手動(dòng)停堆，操作較為保守。由于設(shè)計(jì)功率為125 MW，且目前HFETR已完成高濃鈾燃料向低濃鈾燃料轉(zhuǎn)換［1］，由于燃料及裝載的變化，現(xiàn)HFETR 以80 MW 的實(shí)際功率運(yùn)行。根據(jù)目前實(shí)際運(yùn)行工況分析研究事件處理流程，如果機(jī)組可以減少人為干預(yù)，則可以降低人因操作失誤引入的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文假定了HFETR 80 MW 功率運(yùn)行下二次側(cè)水流量衰減后運(yùn)行人員不手動(dòng)干預(yù)的前提，僅依靠反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)使其自動(dòng)停堆，計(jì)算燃料元件壁溫是否會(huì)超過(guò)允許運(yùn)行限值，以補(bǔ)充安全分析報(bào)告二次側(cè)水流量衰減事件的安全分析，為事件處理提供一定參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)及模型簡(jiǎn)介

功率運(yùn)行中，HFETR 的一次水由壓力容器上部的主管道進(jìn)水管嘴流入，通過(guò)流體分配器進(jìn)入壓力容器上部空間，其中，絕大部分冷卻劑在圍桶內(nèi)向下流過(guò)堆芯、柵格板以及冷卻堆芯的各部件，小部分（約200 t/h）冷卻劑通過(guò)圍桶錐桶上的38個(gè)迷宮、錐桶、7個(gè)電離室導(dǎo)管之間的環(huán)隙，流入圍桶與壓力殼之間的內(nèi)部熱屏蔽、7個(gè)內(nèi)部電離室孔道外的空間、冷卻內(nèi)部熱屏蔽、電離室及壓力容器。這兩部分冷卻劑在柵格板以下空間匯合，通過(guò)壓力容器下筒節(jié)處的主管道出水管嘴流出壓力容器。之后，一次水冷卻劑通過(guò)與主管道相連的熱交換器，將熱量傳輸給二次側(cè)水，接著，經(jīng)主泵返回壓力容器。各熱交換器及主泵并聯(lián)在堆的進(jìn)出口母管上。二次側(cè)水為開(kāi)式系統(tǒng)，從江河中抽取并在換熱后排放至江河。

根據(jù)HFETR 回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［2，3］，本文基于RELAP5［4］建立了HFETR 的回路系統(tǒng)模型，對(duì)該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及HFETR 專(zhuān)用程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明RELAP5 程序完全可用于分析HFETR的事故工況［5-7］。HFETR 回路系統(tǒng)的RELAP5節(jié)點(diǎn)圖劃分如圖1所示。該模型采用單通道模型分析燃料元件的熱工安全［8］，將堆芯冷卻劑通道劃分為燃料元件熱通道、燃料元件平均通道、間隙通道及內(nèi)熱屏蔽與圍桶之間的通道。由于反應(yīng)堆在額定功率運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)棒自動(dòng)補(bǔ)償反應(yīng)性。停堆后由于控制棒下插所引入的負(fù)反應(yīng)性遠(yuǎn)大于燃料、冷卻劑等熱物理參數(shù)變化所引入的反應(yīng)性，因此，本模型在額定功率運(yùn)行下及停堆后不考慮堆芯燃料、冷卻劑等熱物理參數(shù)變化所引入的負(fù)溫度反饋效應(yīng)。

本文對(duì)二次側(cè)水系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，控制體206 和214 作為二次側(cè)水系統(tǒng)的溫度邊界值，部件207 用于控制二次側(cè)水流量，部件152和210 分別代表主熱交換器［9］的一次側(cè)水及二次側(cè)水。

2 模型驗(yàn)證

本文所用的HFETR 反應(yīng)堆的RELAP5 數(shù)值模型已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)主流量、進(jìn)出口壓力等系統(tǒng)參數(shù)以及LOCA、外電失電、流量反轉(zhuǎn)事故等進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證及分析［5-7］，模型準(zhǔn)確性良好。同時(shí)，本文也根據(jù)目前典型夏季及冬季運(yùn)行參數(shù)，在RE?LAP5中對(duì)80 MW穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，用于驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，表1給出了RELAP5穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)所用到的輸入?yún)?shù)值。

圖1 HFETR反應(yīng)堆RELAP5節(jié)點(diǎn)圖Fig.1 RELAP5 node diagram of HFETR reactor

基于上述輸入?yún)?shù)，模擬的HFETR 80 MW運(yùn)行參數(shù)及實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。由表2 可見(jiàn)，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)吻合較好，證明了該模型可用于后續(xù)瞬態(tài)計(jì)算分析。

表2 模擬的反應(yīng)堆出入口溫度運(yùn)行參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)Table 2 Simulated reactor inlet and outlet temperature operating parameters and actual operating parameters

3 二次側(cè)水流量衰減瞬態(tài)計(jì)算分析

3.1 事件序列及邊界條件設(shè)定

當(dāng)反應(yīng)堆二次側(cè)水流量衰減及斷流時(shí)，假設(shè)反應(yīng)堆運(yùn)行人員不手動(dòng)干預(yù)停閉反應(yīng)堆，當(dāng)反應(yīng)堆一次側(cè)水出口溫度達(dá)到保護(hù)整定值（65 ℃）時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)停堆保護(hù)信號(hào)，反應(yīng)堆停閉?；诖?，本文假設(shè)的二次側(cè)水流量衰減事件序列為：

（1）反應(yīng)堆在80 MW功率下運(yùn)行；

（2）二次側(cè)水流量衰減事件發(fā)生后，運(yùn)行人員不手動(dòng)干預(yù)，反應(yīng)堆繼續(xù)以80 MW功率運(yùn)行；

（3）當(dāng)反應(yīng)堆出口溫度達(dá)到65℃時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)自動(dòng)停堆；

（4）二次側(cè)水流量衰減30 min 后，人為干預(yù)，保證反應(yīng)堆余熱導(dǎo)出。

根據(jù)以上事故序列，相應(yīng)的RELAP5模型中假設(shè)的瞬態(tài)條件為：

（1）在1 000 s 之前，反應(yīng)堆處于80 MW 功率運(yùn)行；

（2）1 000 s 時(shí)，二次側(cè)水流量衰減，反應(yīng)堆繼續(xù)以80 MW功率運(yùn)行；

（3）當(dāng)反應(yīng)堆一次水出口溫度達(dá)到65℃時(shí)，觸發(fā)停堆保護(hù)信號(hào)，反應(yīng)堆停堆；

（4）2 800 s計(jì)算終止。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

基于上述條件，本文以冬季運(yùn)行參數(shù)對(duì)二次側(cè)水流量衰減事件進(jìn)行模擬計(jì)算，分別計(jì)算了二次側(cè)水流量衰減至原來(lái)的20%、10%、5%及二次側(cè)水?dāng)嗔鳌?/p>

圖2給出了二次側(cè)水流量衰減后反應(yīng)堆功率隨時(shí)間的變化。從圖2 中可看出，在1 000 s 之前，反應(yīng)堆處于80 MW 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，二次側(cè)水流量衰減至原來(lái)的20%、10%、5%及二次側(cè)水?dāng)嗔魉鶎?duì)應(yīng)的停堆時(shí)間分別為1 266 s、1 228 s、1 214 s 及1 202 s，即二次側(cè)水流量衰減越多，換熱越慢，一次水溫度上升越快。之后控制保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)反應(yīng)堆自動(dòng)停堆，功率迅速下降。

圖2 反應(yīng)堆功率隨時(shí)間的變化Fig.2 Changes in reactor power over time

圖3的（a）、（b）、（c）、（d）分別為二次側(cè)水流量衰減至原來(lái)的20%、10%、5%及斷流后反應(yīng)堆一次水出入口溫度隨時(shí)間的變化。從圖中可看出，在1 000 s 之前，反應(yīng)堆處于80 MW穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況；在1 000 s 時(shí)，二次側(cè)水流量衰減，反應(yīng)堆保持80 MW 運(yùn)行。此時(shí)由于熱交換器出口至反應(yīng)堆入口的一次水溫度較低，反應(yīng)堆出入口溫度并不會(huì)立即上升。大約經(jīng)過(guò)30 s，反應(yīng)堆出入口溫度開(kāi)始上升。反應(yīng)堆一次水出口水溫達(dá)65℃時(shí)，反應(yīng)堆通過(guò)保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)停堆，之后一次水入口溫度上升、出口溫度下降，直至一次水出入口溫度相近。圖3 的（a）、（b）、（c）表明，只要二次側(cè)水還有一定的流量，能夠帶走一定的熱量，反應(yīng)堆一次水溫度都會(huì)下降。到2 800 s 時(shí)，二次側(cè)水流量衰減越少，一次水出入口溫度越低。當(dāng)二次側(cè)水發(fā)生斷流后，一次水中的熱量無(wú)法有效導(dǎo)出，由于剩余釋熱的存在，一次水溫度還會(huì)緩慢上升，到2 800 s 時(shí)，反應(yīng)堆一次水入口及出口溫度分別為60.0℃、60.26℃。

圖3 反應(yīng)堆一次水出入口溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of reactor's primary loop inlet and outlet temperature

3.3 元件壁溫瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果

由于HFETR 燃料元件套管內(nèi)各流道為閉式通道，與其他流道無(wú)質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換，故直接在RELAP5中采用單通道模型計(jì)算燃料元件熱通道中的各層燃料套管溫度，即圖1中的部件601～609。由于各層燃料套管之間存在肋，還需考慮肋的存在對(duì)包殼壁溫的影響，同時(shí)還需要考慮工程熱點(diǎn)因子對(duì)包殼溫度的影響。本文所采用的肋下溫升和熱點(diǎn)工程因子溫升計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)［10］～文獻(xiàn)［12］。本文根據(jù)選用的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算在80 MW 運(yùn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下肋下溫升和工程因子溫升最大為35℃。將RELAP5計(jì)算的熱盒元件最大壁溫加上該工程因子溫升來(lái)考慮肋下溫升及工程熱管熱點(diǎn)因子等影響因素，計(jì)算發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆熱盒元件的最大壁溫位于第5層燃料套管。圖4給出了反應(yīng)堆熱盒元件最大壁溫隨時(shí)間的變化，圖中二次側(cè)水流量衰減對(duì)燃料元件壁溫達(dá)到最大值的時(shí)間有影響，二次側(cè)水流量衰減越多，燃料元件壁溫更快達(dá)到最大值。與停堆時(shí)間相對(duì)應(yīng)，二次側(cè)水流量衰減至20%、10%、5%及二次側(cè)水?dāng)嗔?，分別在1 266 s、1 228 s、1 214 s 及1 202 s 時(shí)包殼壁溫達(dá)最大值，其包殼最大壁溫見(jiàn)表3。由于反應(yīng)堆的停堆保護(hù)參數(shù)為一次水出口溫度，一旦一次水出口溫度大于65℃，反應(yīng)堆即自動(dòng)觸發(fā)停堆信號(hào)，在堆芯布置相同的情況下，二次側(cè)水流量的變化僅會(huì)影響停堆的時(shí)刻，停堆時(shí)一次水出口溫度都為65℃，即包殼最大壁溫應(yīng)都相同，而模擬計(jì)算中由于計(jì)算步長(zhǎng)及精度的設(shè)置，包殼最大壁溫并不完全相同，但不同二次側(cè)水流量情況下的包殼最大壁溫都在174.7～174.8℃，均小于允許運(yùn)行限值（195℃）。

表3 不同二次側(cè)水流量情況下的包殼最大壁溫Table 3 Maximum temperature of clad under different decay flow of secondary coolant

圖4 表明，觸發(fā)保護(hù)停堆后，燃料元件表面壁溫將快速下降。只要存在二次側(cè)水流量，燃料包殼壁溫都可以保持有效冷卻，不會(huì)超過(guò)允許運(yùn)行限值；當(dāng)二次側(cè)水完全斷流時(shí)，最終熱阱喪失，在衰變熱的影響下，燃料元件溫度將緩慢升高，到2 800 s，即二次側(cè)水?dāng)嗔靼l(fā)生30 min 后，熱盒元件的最大壁溫為97.30℃，仍小于允許運(yùn)行限值，反應(yīng)堆仍處于安全狀態(tài)。

圖4 燃料元件表面最高壁溫隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of maximum temperature of clad

3.4 小結(jié)

通過(guò)計(jì)算分析可知，當(dāng)發(fā)生二次側(cè)水流量衰減時(shí)，運(yùn)行人員不手動(dòng)干預(yù)，通過(guò)保護(hù)系統(tǒng)中的反應(yīng)堆一次水出口溫度高保護(hù)信號(hào)，反應(yīng)堆可自動(dòng)停閉，此時(shí)燃料元件壁溫達(dá)到最高值174.7～174.8℃，后續(xù)的衰變熱也可被有效導(dǎo)出，反應(yīng)堆處于安全狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生二次側(cè)水?dāng)嗔骱?，燃料元件最大壁溫約達(dá)174.8℃，在不進(jìn)行人為干預(yù)的情況下，30 min后燃料元件壁溫為97.30℃，均小于允許運(yùn)行限值（195℃），反應(yīng)堆也處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文基于RELAP5 程序，對(duì)HFETR 反應(yīng)堆二次側(cè)水流量衰減進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值模擬及安全分析。結(jié)果表明，HFETR 反應(yīng)堆在80 MW 額定工況運(yùn)行時(shí)發(fā)生二次側(cè)水流量衰減后半小時(shí)內(nèi)不進(jìn)行人為干預(yù)，僅依靠反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)停堆，燃料元件的壁溫最大值為174.7～174.8℃，小于允許限值（195℃），即使二次側(cè)水完全斷流，在30 min 內(nèi)運(yùn)行人員可不進(jìn)行任何操作，反應(yīng)堆仍處于安全狀態(tài)，可避免人因誤操作而引入安全風(fēng)險(xiǎn)。