王 凱 焦小偉 楊 群 吳燕華 王超群 何兆忠

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海201800）

熔鹽反應(yīng)堆是第四代核反應(yīng)堆的6種候選堆型之一［1-2］。其采用液態(tài)燃料，具有利用釷燃料、高出口溫度、無(wú)水冷卻等優(yōu)點(diǎn)，可建于干旱地區(qū)。除發(fā)電以外，熔鹽反應(yīng)堆堆芯出口溫度可達(dá)700°C以上，可為高溫制氫、二氧化碳加氫制甲醇等化工過(guò)程提供工藝熱，對(duì)減少溫室氣體排放具有重要意義。

當(dāng)前，核能的可持續(xù)發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)，尤其是在福島事故之后，公眾對(duì)發(fā)展核能存有疑慮，這就對(duì)核能系統(tǒng)的安全性提出了更為嚴(yán)苛的要求。反應(yīng)堆設(shè)計(jì)過(guò)程中安全分析越來(lái)越受到重視。緊急停堆棒落棒時(shí)間是影響反應(yīng)堆安全性的重要參數(shù)。本文對(duì)熔鹽堆緊急停堆棒落棒時(shí)間對(duì)反應(yīng)性引入瞬態(tài)的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 釷基熔鹽堆

中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用理研究所設(shè)計(jì)的2 MW熱功率TMSR-LF（Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel）反應(yīng)堆是我國(guó)首個(gè)帶功率的液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆，其目的是驗(yàn)證熔鹽反應(yīng)堆技術(shù)可行性并積累工程經(jīng)驗(yàn)。TMSR-LF堆芯內(nèi)直徑為190 cm，高度為180 cm，設(shè)計(jì)壽命10 a，滿(mǎn)功率運(yùn)行300 d。堆芯主容器和堆內(nèi)金屬支撐結(jié)構(gòu)件使用哈氏合金材料。堆芯慢化劑為石墨，泵坑處吹掃氣體為氦氣［3-4］。

TMSR-LF 選用的燃料鹽為L(zhǎng)iF-BeF2-ZrF4-UF4，富集度19.75%。反應(yīng)堆進(jìn)、出口溫度分別為600 °C、650°C。二回路采用冷卻劑為FLiBe，平均溫度為570°C。

TMSR-LF 系統(tǒng)布局如圖1 所示，在燃料鹽循環(huán)泵的作用下，燃料鹽從堆芯上部出口管，進(jìn)入熱管段，經(jīng)燃料鹽循環(huán)泵后，進(jìn)入熔鹽-熔鹽換熱器。通過(guò)熔鹽-熔鹽換熱器進(jìn)行熱交換后，進(jìn)入冷管段，再?gòu)亩研鞠虏苛魅敕磻?yīng)堆。

圖1 TMSR-LF總體布局Fig.1 Schematic layout of TMSR-LF system

二回路冷卻鹽通過(guò)熔鹽-熔鹽換熱器將堆芯熱量帶走，并最終通過(guò)熔鹽-空氣換熱器將熱量帶到空氣環(huán)境中。

2 事件情景

反應(yīng)性引入事件是熔鹽堆功率升高最為迅速的一類(lèi)事件，這類(lèi)事件對(duì)控制棒下落時(shí)間的要求最為苛刻。因此本文選取反應(yīng)性引入事件中后果最嚴(yán)重的工況—滿(mǎn)功率下一根控制棒失控提出，作為典型事件，研究緊急停堆棒落棒時(shí)間對(duì)其后果的影響。

一根控制棒失控誤抽出，引入的反應(yīng)性導(dǎo)致核功率與燃料鹽溫度迅速上升并相繼超過(guò)整定值，觸發(fā)緊急停堆信號(hào)。停堆信號(hào)觸發(fā)停堆系統(tǒng)落棒，引入負(fù)反應(yīng)性實(shí)現(xiàn)緊急停堆，同時(shí)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)導(dǎo)出余熱，以保證反應(yīng)堆安全。

本事件屬于二類(lèi)工況，采用的保護(hù)信號(hào)為中子注量率高和反應(yīng)堆出口溫度高。評(píng)價(jià)該事件的安全準(zhǔn)則包括：1）燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)壓力邊界金屬結(jié)構(gòu)材料的最高溫度應(yīng)低于800 °C；2）燃料鹽溫度低于1 200°C。

3 分析方法及假設(shè)

3.1 分析方法

本文采用RELAP5-TMSR（Reactor Excursion and Leak Analysis Program-Thorium Molten Salt Reactor）進(jìn)行分析，該程序是在RELAP-MS 的基礎(chǔ)上修改形成的。RELAP-MS 是在RELAP5/MOD4.0的基礎(chǔ)上植入熔鹽物性和換熱關(guān)系式形成的［5-6］。RELAP5-TMSR 在RELAP5-MS 基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步修改，新增的主要功能包括［7-9］：

1）添加液態(tài)點(diǎn)堆模型（體積比模型和美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）模型）；

2）流體內(nèi)熱源項(xiàng)，在程序中新增帶有內(nèi)熱源的控制體；

3）0.5＜Pr＜100 范圍內(nèi)的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱關(guān)系式，可通過(guò)輸入卡修改關(guān)系式的相應(yīng)參數(shù)，自定義強(qiáng)迫對(duì)流傳熱關(guān)系式；

4）輸入卡自定義熔鹽物性方式，包括熔鹽液態(tài)物性和汽態(tài)物性，解決不凝性氣體與流動(dòng)熔鹽的共存問(wèn)題。

TMSR-LF 熔鹽堆系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)劃分如圖2 所示，包括4個(gè)系統(tǒng)：燃料鹽系統(tǒng)（主回路系統(tǒng)）、冷卻鹽系統(tǒng)（二回路系統(tǒng)）、空氣冷卻系統(tǒng)和非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)。

圖2 TMSR-LF系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.2 Nodalization diagram of the TMSR-LF system

3.2 初始條件及基本假設(shè)

滿(mǎn)功率下一根控制棒失控提出，分析采用的初始條件如表1所示。

瞬態(tài)分析過(guò)程中采用的假設(shè)包括：

1）控制棒總行程180.0 cm，總引入反應(yīng)性量為0.004 79，如表2所示；

2）假定第一套停堆系統(tǒng)中價(jià)值最大的控制棒卡住，其余控制棒均正常落棒；

3）各保護(hù)信號(hào)的觸發(fā)整定值均取保守值，如表3所示；

4）保守考慮，堆芯燃料鹽和慢化劑溫度系數(shù)，取壽期內(nèi)的絕對(duì)值最小值，并減去20%誤差；

5）保守考慮，緊急停堆信號(hào)觸發(fā)燃料鹽循環(huán)泵、冷卻鹽循環(huán)泵及風(fēng)機(jī)停運(yùn)。

表2 反應(yīng)性引入量Table 2 The reactivity insertion during control rod withdraw

表1 控制棒誤抽出事件分析初始條件Table 1 Initial condition for control rod withdraw event

表3 保護(hù)參數(shù)整定值匯總Table 3 Protection parameters Limit

4 緊急停堆棒落棒時(shí)間對(duì)反應(yīng)性引入瞬態(tài)后果的影響分析

4.1 提棒速度敏感性分析

控制棒失控抽出后，中子注量率迅速升高，反應(yīng)堆功率升高，堆內(nèi)燃料鹽和哈氏合金構(gòu)件溫度升高。當(dāng)中子注量率或燃料鹽溫度超過(guò)整定值后，觸發(fā)緊急停堆，緊急停堆棒下落，反應(yīng)堆緊急停堆，反應(yīng)堆功率迅速下降，燃料鹽和哈氏合金構(gòu)件溫度降低。

圖3 提棒速度與反應(yīng)性變化關(guān)系Fig.3 The variation of reactivity after control rod withdrawal under different speed

圖4 提棒速度與反應(yīng)堆功率變化關(guān)系Fig.4 The variation of total power after control rod withdrawal under different withdrawal speed

控制棒的提棒速度是影響反應(yīng)性引入瞬態(tài)后果的主要參數(shù)之一。圖3～圖6給出了不同控制棒誤提出速度下（最低提棒速度為0.1 cm·s-1），反應(yīng)堆主要參數(shù)的變化曲線(xiàn)，表4給出了事件發(fā)生后，主要參數(shù)的峰值。TMSR-LF 堆內(nèi)哈氏合金構(gòu)件主要是控制棒通道和測(cè)量通道套管，圖6 給出了兩者中的最高溫度。

圖5 提棒速度與堆內(nèi)燃料鹽最高溫度變化關(guān)系Fig.5 The variation of liquid fuel temperature in reactor core after control rod withdrawal under different speed

圖6 提棒速度與堆內(nèi)哈氏合金最高溫度變化關(guān)系Fig.6 The variation of Hastelloy structure temperature in reactor core after control rod withdrawal under different speed

觸發(fā)停堆信號(hào)類(lèi)型是影響瞬態(tài)后果的重要因素之一，但根據(jù)分析結(jié)果，控制棒誤提出速度在0.1～0.8 cm·s-1范圍內(nèi)，觸發(fā)的第一停堆信號(hào)都是中子注量率高信號(hào)。

控制棒提棒速度越快，反應(yīng)堆功率上升越快，功率峰值越高，反之越低，如表3所示。但功率升高越快，觸發(fā)停堆時(shí)間越快，如圖4所示。當(dāng)提棒速度為0.8 cm·s-1時(shí)，事件發(fā)生后53.0 s時(shí)觸發(fā)停堆，當(dāng)提棒速度為0.1 cm·s-1時(shí)，事件發(fā)生后313.6 s時(shí)才觸發(fā)停堆?？刂瓢籼岚羲俣嚷龝r(shí)，功率升高相對(duì)慢，需相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間才能觸發(fā)緊急停堆信號(hào)，堆芯內(nèi)累積的熱量相對(duì)較多，堆內(nèi)燃料鹽和哈氏合金構(gòu)件溫升越高。根據(jù)安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，當(dāng)控制棒誤提升速度為0.1 cm·s-1時(shí)，后果最為嚴(yán)重。

表4 不同控制棒誤提出速度下反應(yīng)堆主要參數(shù)峰值Table 4 Peak values of main reactor parameters under different control rod draw out speed

4.2 緊急停堆棒落棒時(shí)間對(duì)反應(yīng)性引入瞬態(tài)后果的影響

根據(jù)提棒速度敏感性分析結(jié)果，選取后果最嚴(yán)重的工況（即控制棒誤提升速度為0.1 cm·s-1）分析緊急停堆棒落棒時(shí)間對(duì)反應(yīng)性引入事件后果的影響。圖7～圖12為反應(yīng)性引入事件發(fā)生后，反應(yīng)堆主要參數(shù)的變化，圖13～圖15 給出了反應(yīng)堆主要參數(shù)在不同落棒時(shí)間下峰值變化，表5 給出了不同落棒時(shí)間下，反應(yīng)堆主要參數(shù)的峰值，表5中堆內(nèi)哈氏合金峰值溫度為測(cè)量通道哈氏合金溫度。

觸發(fā)緊急停堆信號(hào)后，緊急停堆棒落棒時(shí)間越長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)引入的負(fù)反應(yīng)性越少，反應(yīng)堆功率下降越慢，如圖7、8所示。功率下降越慢，堆芯內(nèi)熱量累計(jì)越多，堆內(nèi)燃料鹽和哈氏合金溫度越高，后果越嚴(yán)重，如圖9～圖15所示。當(dāng)緊急停堆棒落棒時(shí)間為10 min（600 s）時(shí)，功率峰值為4.86 MW，堆芯出口燃料鹽峰值溫度為671.5 ℃，堆內(nèi)燃料鹽峰值溫度為709.2 ℃，堆內(nèi)哈氏合金構(gòu)件峰值溫度為708.2 ℃，遠(yuǎn)低于熔鹽堆二類(lèi)工況安全限值要求。因此相對(duì)于快堆、壓水堆以及沸水等堆型，熔鹽堆對(duì)緊急停堆棒落棒時(shí)間要求較低，其原因主要包括以下幾點(diǎn)：

圖7 緊急停堆棒落棒時(shí)間與反應(yīng)性變化Fig.7 The variation of reactivity after control rod withdrawal under different emergency scram rod drop time

圖8 緊急停堆棒落棒時(shí)間與功率變化Fig.8 The variation of total power after control rod withdrawal under different emergency scram rod drop time

圖9 緊急停堆棒落棒時(shí)間與堆芯出口燃料鹽溫度關(guān)系Fig.9 The variation of outlet temperature after control rod withdrawal under different emergency scram rod drop time

圖10 緊急停堆棒落棒時(shí)間與堆內(nèi)燃料鹽最高溫度關(guān)系Fig.10 The variation of liquid fuel temperature in reactor core after control rod withdrawal under different emergency scram rod drop time

圖11 緊急停堆棒落棒時(shí)間與控制棒通道哈氏合金最高溫度關(guān)系Fig.11 The variation of Hastelloy structure temperature in control rod channel after control rod withdrawal under different emergency scram rod drop time

圖12 緊急停堆棒落棒時(shí)間與測(cè)量通道哈氏合金最高溫度關(guān)系Fig.12 The variation of Hastelloy structure temperature in measuring channel after control rod withdrawal under different emergency scram rod drop time

圖13 緊急停堆落棒時(shí)間與功率峰值關(guān)系Fig.13 The peak power under different emergency scram rod drop time

圖14 緊急停堆落棒時(shí)間與堆內(nèi)燃料鹽峰值溫度關(guān)系Fig.14 The peak temperature of liquid fuel under different emergency scram rod drop time

圖15 緊急停堆落棒時(shí)間與堆內(nèi)哈氏合金峰值溫度關(guān)系Fig.15 The peak temperature of Hastelloy structure under different emergency scram rod drop time

表5 不同控制棒落棒時(shí)間下，反應(yīng)堆主要參數(shù)峰值Table 5 Peak values of main reactor parameters under emergency scram rod drop time

1）熔鹽堆正常運(yùn)行溫度離安全限值有很大安全余量；

2）熔鹽堆具有良好的負(fù)反饋特性。事故工況下，僅通過(guò)燃料鹽和堆內(nèi)石墨的溫升就能引入較大的負(fù)反應(yīng)性；

3）熔鹽堆采用氟鹽作為燃料的載體和冷卻劑（燃料鹽回路采用LiF-BeF2-ZrF4-UF4，冷卻鹽回路采用FLiBe），具有較大的體積熱容，當(dāng)反應(yīng)堆功率突然增加時(shí)，燃料鹽溫升較慢；

4）熔鹽堆采用石墨作為慢化劑，堆芯內(nèi)有大量的石墨，石墨具有較高的體積熱容和導(dǎo)熱性能，能夠吸收燃料鹽產(chǎn)生的熱量，防止燃料鹽溫升過(guò)快。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)熔鹽堆反應(yīng)性引入事件，分析了控制棒落棒時(shí)間對(duì)瞬態(tài)后果的影響，經(jīng)分析表明：

1）控制棒提棒速度（0.1～0.8 cm·s-1之間）越慢，堆芯內(nèi)熱量的積累越多，反應(yīng)性引入事件的后果越嚴(yán)重。

2）當(dāng)緊急停堆棒落棒時(shí)間為10 min 時(shí)，堆內(nèi)哈氏合金最高溫度僅為708.2 ℃，燃料鹽最高溫度為709.2 ℃，遠(yuǎn)低于安全限值。熔鹽堆具有良好的應(yīng)對(duì)反應(yīng)性引入事件的能力。