49—2游泳池式反應(yīng)堆堆芯流量測量及監(jiān)督實(shí)驗(yàn)研究

趙愛虎++趙澤昊

摘 要：為49-2游泳池式反應(yīng)堆研制了畢托管堆芯流量監(jiān)測裝置。利用該裝置在49-2反應(yīng)堆上開展了堆芯流量測量及監(jiān)督實(shí)驗(yàn)，得到了堆芯流量分配數(shù)據(jù)及堆芯總流量，為49-2反應(yīng)堆熱工安全分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提供了在線監(jiān)督堆芯流量變化的可靠手段。

關(guān)鍵詞：49-2游泳池式反應(yīng)堆 流量測量 實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TL364.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（b）-0102-04

49-2反應(yīng)堆是游泳池式輕水反應(yīng)堆，該堆是我國自行設(shè)計(jì)、建造、安裝、調(diào)試和運(yùn)行的第一座反應(yīng)堆，建成至今已運(yùn)行40多年[1]。

反應(yīng)堆最基本的要求是安全。反應(yīng)堆安全靠反應(yīng)堆的物理、熱工、結(jié)構(gòu)、材料、控制、化工等多方面的良好設(shè)計(jì)來共同保證。熱工設(shè)計(jì)應(yīng)保證反應(yīng)堆在正常運(yùn)行工況下具有足夠的載熱能力，保證堆芯不發(fā)生局部沸騰；同時(shí)在事故工況下要避免燃料元件因過熱而破損，確保反應(yīng)堆安全運(yùn)行[2]。

49-2反應(yīng)堆自運(yùn)行以來，根據(jù)運(yùn)行任務(wù)的需要，堆芯布置發(fā)生過一些變化，這將導(dǎo)致堆運(yùn)行熱工參數(shù)的變化與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生一定偏差，如堆芯流量、燃料組件流量分配等。為了保證堆的安全運(yùn)行，有必要在反應(yīng)堆現(xiàn)在運(yùn)行條件下，重新確定重要的熱工參量。

本文研究的主要目的是：為49-2反應(yīng)堆安全運(yùn)行提供可靠的堆芯流量監(jiān)測裝置。開堆前，通過該裝置可以測量堆芯不同燃料組件柵格內(nèi)的冷卻水流量，確定堆芯所有燃料組件柵格內(nèi)的冷卻水流量占一回路冷卻劑總流量的比例，為燃料組件的熱工安全分析提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；在堆運(yùn)行過程中，通過該裝置可以監(jiān)測堆芯流量變化。

1 堆芯流量監(jiān)測系統(tǒng)的建立

1.1 監(jiān)測原理及裝置介紹

綜合考慮反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)和燃料組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等多方面因素，采用安裝在一盒模擬燃料組件內(nèi)的一付畢托管流量計(jì)監(jiān)測堆芯流量。

畢托管又稱動(dòng)壓測定管。它的測量原理是利用測量流體的全壓和靜壓之差—?jiǎng)訅簛頊y量流速，再按流速算出流量。若要用畢托管測量流體平均流速，需在同一流通截面布置多個(gè)測點(diǎn)。這受到燃料組件具體結(jié)構(gòu)的限制，多個(gè)測點(diǎn)的布置會(huì)影響流道的水力特性，同時(shí)也會(huì)給畢托管引壓管從堆芯的引出造成一定困難。

眾所周知，在穩(wěn)定流動(dòng)工況下，燃料組件穩(wěn)定段流通截面某點(diǎn)流速與截面平均流速成確定比例關(guān)系，進(jìn)而與組件內(nèi)冷卻劑流量存在特定關(guān)系。另外，該點(diǎn)流體流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓，這說明該點(diǎn)動(dòng)壓與流過組件的冷卻劑流量 存在特定關(guān)系。

假定，，則：

由此，得到燃料組件內(nèi)冷卻劑流量與動(dòng)壓之間的關(guān)系式：

（1）

令，則（1）式可簡化為：

（2）

因此，可以通過測量組件通道內(nèi)某點(diǎn)動(dòng)壓P動(dòng)和流體密度ρ計(jì)算得到流經(jīng)燃料組件的冷卻劑流量W。公式中（2）中的C值可以通過堆外標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到。

基于以上理論分析，筆者決定通過安裝在組件內(nèi)的一付畢托管測量流量，并通過堆外標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定出C值，給出關(guān)系式（2）的完整形式。堆上開展堆芯燃料組件流量分配實(shí)驗(yàn)及堆芯流量監(jiān)測時(shí)，利用該關(guān)系計(jì)算出流過燃料組件的流量。

流量監(jiān)測裝置主要由五部分組成：畢托管、引壓管、差壓變送器、二次顯示儀表及注水器。

畢托管是本裝置的核心部件，它用來測量燃料組件內(nèi)某一固定位置流體的全壓和靜壓。

畢托管安裝在模擬組件的一根燃料元件上，安裝畢托管的燃料元件由不銹鋼加工制作，包括三部分：上端頭、直管段及下端頭。畢托管靜壓管和全壓管安裝在直管段上，通過上封頭中間孔道引出。畢托管靜壓管和全壓管采用的mm細(xì)管。圖1所示為安裝畢托管燃料元件圖，圖2是安裝畢托的模擬燃料組件外形照片。

引壓管作用是將畢托管的靜壓與全壓引入至差壓變送器，經(jīng)差壓變送器將畢托管測得的動(dòng)壓頭轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其讀數(shù)直接顯示在二次儀表上。靜壓和全壓引壓管從安裝在模擬燃料組件某根燃料元件上的畢托管引出，實(shí)驗(yàn)過程中，畢托管隨模擬組件一起移動(dòng)至不同燃料組件柵格，完成堆芯燃料組件柵格內(nèi)冷卻水流量測量。

1.2 監(jiān)測裝置堆外標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為了確定公式（2）中的系數(shù)C，在專門搭建的實(shí)驗(yàn)裝置（圖3）上進(jìn)行監(jiān)測裝置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)回路和試驗(yàn)段兩部分。實(shí)驗(yàn)回路用于模擬49-2堆芯并提供滿足標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所需的冷卻劑流量和溫度試驗(yàn)條件，由堆容器模擬器、輔助穩(wěn)壓器、循環(huán)水泵、流量計(jì)及閥門管道等附件。

在水流量16～38m3/h和水溫25℃～46℃的實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，進(jìn)行了6次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得到近百個(gè)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析整理得到了燃料組件的流量與畢托管壓差及流體密度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：。

2 49-2堆芯流量測量實(shí)驗(yàn)

2.1 測量方案

反應(yīng)堆堆芯上方有安全棒導(dǎo)管、自動(dòng)棒導(dǎo)管、補(bǔ)償棒導(dǎo)管等，堆芯四周不同位置布置有8根生產(chǎn)孔道，再加上反應(yīng)堆水池上方有控制棒導(dǎo)管固定支架等，堆芯上方結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，給流量監(jiān)測裝置在不同燃料組件盒間的移動(dòng)造成很大困難，使得全部測量堆芯44盒燃料組件的流量難以實(shí)現(xiàn)。

堆實(shí)際運(yùn)行過程中，各元件盒在活性區(qū)內(nèi)的熱負(fù)荷不一樣，為了反應(yīng)堆運(yùn)行安全和達(dá)到足夠高的功率，反應(yīng)堆設(shè)計(jì)初期根據(jù)熱負(fù)荷分布情況，配置不同直徑的節(jié)流圈，調(diào)節(jié)各部位的一次水流量。節(jié)流圈直徑分為：φ40、φ45、φ50、φ55、φ63mm共5種規(guī)格。因此，根據(jù)不同尺寸的節(jié)流圈孔板選擇有代表性的通道進(jìn)行測量，根據(jù)局部組件測量結(jié)果，結(jié)合不同節(jié)流圈組件阻力特性推算出全堆芯流量及堆芯流量分配。圖4是44盒燃料組件節(jié)流圈分布情況。

堆芯流量測量方案的確定沒有考慮堆芯進(jìn)出口流動(dòng)對(duì)燃料組件流量的影響，認(rèn)為流過同一尺寸規(guī)格節(jié)流圈燃料組件的流量相等。根據(jù)這一假設(shè)條件，選取了具有代表性的10盒燃料組件柵格作為測量對(duì)象，如圖4陰影部分所示，這10盒組件柵格分別是：G3、G4、G5、C7、C8、C9、D4、F8、E6和D7。10盒測量組件柵格包括5種節(jié)流圈規(guī)格各兩盒，除節(jié)流圈63mm的2盒外其他呈對(duì)角對(duì)稱布置。endprint

2.2 測量結(jié)果

每盒組件內(nèi)流量測量都在兩種堆芯流量工況下進(jìn)行，工況一開啟一臺(tái)一次水泵（甲泵），工況二開啟兩臺(tái)一次水泵（甲、丙泵）。

10盒燃料組件流量測量結(jié)果見表1。

2.3 測量結(jié)果分析及堆芯流量分配

由表1給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，節(jié)流圈相同的兩盒組件測得的流量偏差較小。除40mm、45mm兩種節(jié)流圈規(guī)格的組件外，其他3種節(jié)流圈規(guī)格組件內(nèi)流量偏差均不超過2%。節(jié)流圈40mm的G3和C9兩盒組件流量偏差為4%，G4和C8（節(jié)流圈45mm）流量偏差為6%。

G3、C9和G4、C8這兩組組件布置在堆芯邊緣位置，受堆芯進(jìn)出口流動(dòng)影響較其他組件大，因而流量偏差較其他組件稍大一些。但總的來看，在假定堆芯同種規(guī)格節(jié)流圈組件流量相等的前提下，根據(jù)局部組件實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算出的堆芯總流量與真實(shí)流量不會(huì)產(chǎn)生太大偏差。

利用測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算其他組件流量及計(jì)算全堆芯流量時(shí)，每種規(guī)格節(jié)流圈組件流量均選取兩組測量數(shù)據(jù)中偏小值。5種節(jié)流圈規(guī)格組件流量取值見表2，堆芯所有燃料組件流量分配數(shù)據(jù)見圖5。

根據(jù)全堆芯流量分配數(shù)據(jù)計(jì)算得到通過堆芯所有燃料組件的冷卻水流量為793m3/h，占一次水泵總流量的79.3%，堆芯其他流道的流量占一次泵總流量的份額為20.7%。

為了驗(yàn)證測量數(shù)據(jù)的正確性，將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與基于反應(yīng)堆設(shè)計(jì)初期得到的燃料組件阻力特性分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

反應(yīng)堆設(shè)計(jì)初期，針對(duì)安裝不同直徑節(jié)流圈組件開展過阻力特性實(shí)驗(yàn)研究，并得到了每種節(jié)流圈組件的阻力特性曲線，表3給出的是當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)得到的元件盒配置不同孔徑節(jié)流圈時(shí)組件壓降與組件中心截面速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表[3]。

分析計(jì)算過程中，堆芯冷卻劑總流量取，冷卻劑溫度設(shè)為與實(shí)驗(yàn)溫度相近的12℃。根據(jù)5種尺寸規(guī)格節(jié)流圈組件阻力特性，按阻力平衡計(jì)算公式得到各節(jié)流圈規(guī)格組件流量值。

堆芯44盒燃料組件流量分配計(jì)算方法：

（1）假定一個(gè)堆芯總壓降，查表3得到5種節(jié)流圈規(guī)格組件對(duì)應(yīng)該壓降的組件中心截面的速度值ν40、ν45、ν50、ν55和ν63。

（2）根據(jù)組件中心截面速度值，計(jì)算得到5種節(jié)流圈規(guī)格組件流量W40、W45、W50、W55和W63。

（3）不同節(jié)流圈規(guī)格組件流量分別乘以堆芯安裝同規(guī)格節(jié)流圈的組件數(shù)量，然后求和得到堆芯總流量，。

（4）如果，說明假設(shè)壓降就是堆芯總壓降；如果，重新給定值從第一步開始重復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直至為止。

的判斷標(biāo)準(zhǔn)是。

表4給出了堆芯壓降及5種節(jié)流圈組件流量計(jì)算結(jié)果。表5列出了計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況。

由表5給出的對(duì)比結(jié)果可見，每盒組件流量實(shí)驗(yàn)測量值和分析計(jì)算值的偏差相對(duì)較小，均不超過±4%。這說明，堆芯進(jìn)出口流動(dòng)對(duì)堆芯燃料組件盒內(nèi)流動(dòng)影響相對(duì)較小。進(jìn)一步說明本實(shí)驗(yàn)確定的堆芯流量測量方案及堆芯總流量計(jì)算方法是合理的。

3 堆芯流量監(jiān)督實(shí)驗(yàn)

在以后49-2反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，要求裝置能迅速反應(yīng)堆芯流量變化且工作性能要穩(wěn)定。

將流量監(jiān)測裝置安裝在B10柵格內(nèi)，開展了流量監(jiān)督實(shí)驗(yàn)。啟動(dòng)或關(guān)閉一次水泵時(shí)，觀察到測量裝置的差壓變送器輸出電流值隨一次水泵流量的變化同步發(fā)生變化且反應(yīng)靈敏，說明流量監(jiān)測裝置安裝在B10柵格內(nèi)能夠迅速反映堆芯流量變化。另外，在兩種泵運(yùn)行工況下的測量結(jié)果表明，裝置在堆芯流量穩(wěn)定工況下工作性能穩(wěn)定。單泵運(yùn)行工況流量測量值為17.22m3/h，雙泵運(yùn)行工況為22.44m3/h。圖6給出在兩種穩(wěn)定運(yùn)行工況下安裝在B10柵格內(nèi)的流量監(jiān)測裝置流量測量結(jié)果隨時(shí)間的變化曲線。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測量裝置工作性能是穩(wěn)定。因此，在堆運(yùn)行過程中該流量監(jiān)測裝置安裝在B10柵格內(nèi)能夠可靠的監(jiān)督堆芯流量的變化。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)及堆內(nèi)特定運(yùn)行環(huán)境的要求，研制了49-2反應(yīng)堆堆芯流量監(jiān)測裝置。

（2）在專門搭建的實(shí)驗(yàn)回路上完成了49-2堆芯流量監(jiān)測裝置堆外標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，在水流量16～38m3/h和水溫25～46℃的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)流量監(jiān)測裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的標(biāo)定，并得到了燃料組件流量與畢托管壓差及流體密度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：。

（3）制定了切實(shí)可行的堆芯流量測量方案，測得了堆芯10盒有代表性燃料組件柵格的流量，計(jì)算得出堆芯總流量及流量分配數(shù)據(jù)。在堆芯總流量為1000m3/h，水溫12℃的條件下，得到流過堆芯燃料組件的流量為793m3/h，占總流量的79.3%。

（4）堆芯流量監(jiān)測實(shí)驗(yàn)表明，安裝在B10柵格內(nèi)的流量監(jiān)測裝置對(duì)堆芯流量變化反應(yīng)靈敏，工作性能穩(wěn)定、可靠，可在49-2反應(yīng)堆運(yùn)行過程中用以監(jiān)督堆芯流量變化。

參考文獻(xiàn)

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[2] 于平安.核反應(yīng)堆熱工分析[M].北京：原子能出版社，1986.

[3] 陳淑蘭.49-2游泳池反應(yīng)堆堆芯燃料組件阻力特性試驗(yàn)研究[Z].中國原子能科學(xué)研究院內(nèi)部資料，1961.endprint