超流量工況下PWR 燃料系統(tǒng)影響分析

李 云 張 林 張吉斌 朱發(fā)文 馬 超

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 引言

國(guó)內(nèi)二代加核電站反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，反應(yīng)堆冷卻劑流量驗(yàn)收準(zhǔn)則為：?jiǎn)苇h(huán)路流量在22840m3/h～24740m3/h 之間，堆芯總流量在68520m3/h～74220m3/h 之間，即介于機(jī)械設(shè)計(jì)流量和熱工設(shè)計(jì)流量之間。在嶺澳3、4 號(hào)及紅沿河1、2 號(hào)等多個(gè)機(jī)組調(diào)試過(guò)程中，普遍出現(xiàn)環(huán)路流量甚至堆芯總流量超出準(zhǔn)則限值的現(xiàn)象。

冷卻劑流量是反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，雖然流量的增加對(duì)堆芯熱工性能有利，但也會(huì)帶來(lái)流致振動(dòng)、落棒時(shí)間增加等與反應(yīng)堆安全相關(guān)方面的擔(dān)心。針對(duì)流量超出設(shè)計(jì)范圍的情況，有必要對(duì)一回路與流量相關(guān)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，確保各系統(tǒng)、設(shè)備及反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。

對(duì)燃料系統(tǒng)而言，作為反應(yīng)堆的核心部件，控制棒落棒時(shí)間、燃料組件的可靠性等直接關(guān)系到反應(yīng)堆的安全性及經(jīng)濟(jì)性。本文對(duì)超流量工況燃料系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了全面的分析，對(duì)于保證燃料系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要意義，對(duì)后續(xù)機(jī)組可能出現(xiàn)的超流量工況評(píng)價(jià)具有借鑒意義。

1 超流量工況對(duì)燃料系統(tǒng)的影響及評(píng)價(jià)

燃料系統(tǒng)包括燃料組件、控制棒組件及固定式相關(guān)組件等部件。燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作已得出結(jié)論，只要運(yùn)行工況包括冷卻劑流量處在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，燃料系統(tǒng)可保持其結(jié)構(gòu)完整性，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。冷卻劑流量的增加將影響到控制棒落棒時(shí)間、燃料組件流致振動(dòng)、燃料棒磨蝕、燃料組件及固定式相關(guān)組件的壓緊等性能或功能方面的評(píng)價(jià)。

以下對(duì)超流量工況燃料系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了全面的分析及評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的燃料系統(tǒng)為AFA3G 及其對(duì)應(yīng)相關(guān)組件。綜合各機(jī)組實(shí)際出現(xiàn)的超流量情況，除特別說(shuō)明外，均保守假設(shè)流量在機(jī)械設(shè)計(jì)流量74220m3/h 基礎(chǔ)上增加3%。

1.1 控制棒落棒時(shí)間

正常工況或事故工況下控制棒落棒時(shí)間是否滿(mǎn)足準(zhǔn)則要求直接影響到堆芯反應(yīng)性的控制，與反應(yīng)堆的安全相關(guān)。在控制棒落棒過(guò)程中，將受到重力、水力阻力及摩擦力等載荷作用。各種載荷的大小將影響落棒的時(shí)程，各種阻力越大，落棒時(shí)間將越長(zhǎng)。其中水力阻力是各種阻力中占主要份額的因素。水力阻力大小與堆芯冷卻劑流量直接相關(guān)。堆芯流量的增加將使控制棒所受沿程阻力及由壓差引起的阻力增加，進(jìn)而使得落棒時(shí)間增加。

正常運(yùn)行工況及安全停堆地震（SSE）工況下對(duì)落棒時(shí)間均有準(zhǔn)則要求。正常運(yùn)行工況下，要求T5（控制棒從全提棒位置到導(dǎo)向管緩沖段入口處的時(shí)間）＜2.15s，T5+T6（T6 為控制棒在緩沖段中的下落時(shí)間）＜3s。SSE 工況下，要求T5＜3s，T5+T6＜4.2s。

采用落棒時(shí)間專(zhuān)用程序?qū)Τ髁抗r下的落棒時(shí)間進(jìn)行了評(píng)估。該程序詳細(xì)考慮了落棒過(guò)程中的各種影響因素，建立了相應(yīng)的水力阻力及摩擦力等計(jì)算模型，可保守的預(yù)測(cè)整個(gè)落棒時(shí)程及T5 和T6。超流量情況下，正常運(yùn)行及SSE 工況落棒時(shí)間計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 超流量工況落棒時(shí)間計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明流量的增加顯著的增加了落棒時(shí)間。正常工況下時(shí)間增加較少（0.068s），SSE 工況T5+T6 增加較多（0.19s）。正常及SSE 兩種工況落棒時(shí)間均仍滿(mǎn)足準(zhǔn)則要求，但SSE 工況落棒時(shí)間已經(jīng)比較接近準(zhǔn)則限值4.2s。

在反應(yīng)堆啟動(dòng)前，將在熱態(tài)落棒試驗(yàn)中對(duì)落棒時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。出現(xiàn)超流量機(jī)組落棒時(shí)間測(cè)量結(jié)果表明，落棒時(shí)間均滿(mǎn)足準(zhǔn)則要求，且有較大裕量。例如紅沿河1 號(hào)機(jī)組熱態(tài)落棒試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的最大落棒時(shí)間為（T5=1.412s，T5+T6=1.967s），滿(mǎn)足準(zhǔn)則要求。該實(shí)測(cè)落棒時(shí)間較計(jì)算的時(shí)間小，原因是計(jì)算中對(duì)相關(guān)輸入?yún)?shù)采用了較保守的假設(shè)。

1.2 流致振動(dòng)

冷卻劑流量增加后將使燃料組件存在因流致振動(dòng)引起失效的風(fēng)險(xiǎn)。燃料棒因流致振動(dòng)引起磨蝕破損是燃料棒失效的主要機(jī)理之一。堆芯中冷卻劑軸向流動(dòng)及橫向流動(dòng)將產(chǎn)生紊流、旋渦脫落及流體彈性激振的激勵(lì)機(jī)理，使得燃料棒產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而與定位格架或異物磨蝕引起包殼破損。燃料組件在冷卻劑激勵(lì)下也將產(chǎn)生振動(dòng)，如果出現(xiàn)共振或持續(xù)不穩(wěn)定的振動(dòng)將可能影響燃料組件相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)完整性。

燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在正常流量工況下，采用專(zhuān)用程序?qū)θ剂习粽駝?dòng)響應(yīng)及磨蝕進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明燃料棒不會(huì)出現(xiàn)共振，燃料棒的流致振動(dòng)磨蝕量較小，滿(mǎn)足準(zhǔn)則要求。計(jì)算中保守定義了軸向流速，流速最低的節(jié)點(diǎn)為6m/s。堆芯平均流速4.95m/s，考慮3%的超流量工況后冷卻劑流速也遠(yuǎn)小于6m/s。

燃料組件開(kāi)發(fā)階段需開(kāi)展堆外沖刷試驗(yàn)以驗(yàn)證其綜合性能，特別是抵抗流致振動(dòng)的能力。在試驗(yàn)回路中進(jìn)行了全尺寸AFA3G 燃料組件1000 小時(shí)的堆外沖刷試驗(yàn)?；芈菲骄髁繛?50m3/h，遠(yuǎn)大于反應(yīng)堆中每個(gè)組件的平均機(jī)械設(shè)計(jì)流量473m3/h。沖刷試驗(yàn)結(jié)果表明，即使流量超出機(jī)械設(shè)計(jì)流量較大范圍，燃料組件仍能保持其結(jié)構(gòu)完整性。流量的少量超限對(duì)燃料組件本身的結(jié)構(gòu)完整性的影響可以忽略。

1.3 燃料組件壓緊功能

燃料組件的壓緊系統(tǒng)防止燃料組件在水力載荷作用下跳起。冷卻劑流量的增加將使燃料組件所受水力載荷增加，需要壓緊系統(tǒng)提供更大壓緊力。

在AFA3G 燃料組件壓緊功能評(píng)價(jià)中，水力載荷計(jì)算采用流量為流經(jīng)壓力容器的機(jī)械設(shè)計(jì)流量74220m3/h，并考慮了一定的流量偏差1039m3/h，最大流量達(dá)到75259m3/h，超出機(jī)械設(shè)計(jì)流量1.4%。目前出現(xiàn)的超流量工況壓力容器實(shí)測(cè)總流量考慮測(cè)量誤差后均未超出75259m3/h，燃料組件壓緊功能滿(mǎn)足要求的結(jié)論不受影響。如果實(shí)測(cè)流量超出了該值，需結(jié)合超流量具體情況重新評(píng)估燃料組件壓緊功能。

1.4 固定式相關(guān)組件壓緊功能

固定式相關(guān)組件在水力載荷作用下需保持可靠的壓緊狀態(tài)，以便使相關(guān)棒保持在設(shè)計(jì)的軸向位置，并避免出現(xiàn)不穩(wěn)定的振動(dòng)影響其結(jié)構(gòu)完整性。在固定式相關(guān)組件壓緊功能評(píng)價(jià)中，考慮到燃料組件輻照生長(zhǎng)及固定式相關(guān)組件壓緊彈簧的輻照松弛行為，極限的情況是新燃料組件中插入接近設(shè)計(jì)壽期的固定式相關(guān)組件。對(duì)泵超速流量達(dá)120%的工況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明固定式相關(guān)組件不會(huì)跳起。3%的流量增加遠(yuǎn)小于評(píng)價(jià)采用的20%，固定式相關(guān)組件可得到有效壓緊。

1.5 定位格架的夾持功能

定位格架設(shè)計(jì)中，其夾持系統(tǒng)保證燃料棒的軸向支承定位。運(yùn)行工況下，燃料棒受到向上的水力載荷作用。定位格架夾持系統(tǒng)提供的夾持力需保證燃料棒在水力載荷及重力等綜合作用下不會(huì)向上竄動(dòng)。隨著冷卻劑流量增加，燃料棒所受水力載荷也將增加。分析表明，即使流量超出機(jī)械設(shè)計(jì)流量10%，燃料棒所受除格架以外的所有合力仍向下，燃料棒不會(huì)軸向滑移。這是由于燃料棒重力與水力載荷大部分抵消，需要格架提供的支承力較小。3%超流量情況下，格架仍能有效夾持燃料棒。

1.6 其他方面

正常運(yùn)行工況下，燃料組件各部件需保持其結(jié)構(gòu)完整性。燃料組件的軸向壓緊載荷是各部件的重要設(shè)計(jì)載荷。1.3 節(jié)中的評(píng)價(jià)表明，超流量工況下燃料組件可得到有效壓緊，不會(huì)跳起，壓緊系統(tǒng)壓緊載荷就不會(huì)變化。

（1）上管座及下管座所受板彈簧軸向壓緊力就不會(huì)因流量增加而變化，而且該力遠(yuǎn)小于上管座設(shè)計(jì)基準(zhǔn)載荷，即運(yùn)輸和吊裝時(shí)4g 軸向加速度對(duì)應(yīng)的載荷。

（2）對(duì)于導(dǎo)向管部件，設(shè)計(jì)中需評(píng)價(jià)其應(yīng)力及穩(wěn)定性。導(dǎo)向管的應(yīng)力及穩(wěn)定性主要與燃料組件軸向載荷及定位格架跨距相關(guān)。根據(jù)前文所述，流量增加未引起燃料組件軸向載荷的變化。

（3）定位格架的完整性主要取決于其本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，流量的增加引起格架所受載荷的增加可以忽略。

（4）對(duì)于各處連接結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向管和格架的焊接考慮的設(shè)計(jì)載荷為制造時(shí)拉棒載荷及運(yùn)行狀態(tài)燃料棒滑移產(chǎn)生的載荷，上管座、下管座與導(dǎo)向管螺釘連接主要考慮預(yù)緊載荷，螺紋套筒脹接連主要考慮吊裝與運(yùn)輸載荷及燃料組件軸向壓緊載荷。流量超限對(duì)連接結(jié)構(gòu)無(wú)影響。

（5）對(duì)于燃料棒及各相關(guān)組件棒的運(yùn)行性能，更多的取決于包殼材料的特性、燃料或功能材料的輻照性能等與材料及輻照相關(guān)的效應(yīng)。流量的增加有利于燃料棒或相關(guān)組件棒的釋熱及冷卻。

（6）關(guān)于運(yùn)行期間燃料組件的變形評(píng)估，燃料組件與堆腔之間的軸向間隙、燃料組件之間的橫向間隙、燃料棒彎曲及燃料組件變形主要考慮輻照帶來(lái)的影響。流量超限對(duì)其無(wú)直接影響。

2 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)二代加核電站普遍出現(xiàn)的超流量情況，對(duì)燃料系統(tǒng)是否仍能安全可靠的運(yùn)行進(jìn)行了全面的評(píng)價(jià)。與反應(yīng)堆安全性直接相關(guān)的控制棒落棒時(shí)間在超流量工況下仍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，但是已經(jīng)較接近準(zhǔn)則限值。燃料棒流致振動(dòng)、燃料組件與固定式相關(guān)組件壓緊功能及各主要部件結(jié)構(gòu)完整性等方面的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，燃料系統(tǒng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在出現(xiàn)的超流量工況下可安全可靠的運(yùn)行。