小型模塊化壓水堆環(huán)形燃料堆芯模型建立與安全性能研究

孫文釗 李彥霖 李思遠(yuǎn) 何曉軍

【摘 要】本文以RELAP5/MOD3程序?yàn)榛A(chǔ)，構(gòu)建了100MWe小型模塊化壓水堆，以及相應(yīng)的棒狀燃料，環(huán)形燃料兩種堆芯的安全分析模型，并開(kāi)展了穩(wěn)態(tài)工況下兩種堆芯的安全性能分析。分析結(jié)果顯示，對(duì)于100MWe的小型模塊化壓水堆，環(huán)形燃料堆芯比棒狀燃料堆芯具有更高的安全性能。

【關(guān)鍵詞】模塊化壓水堆;堆芯模型;RELAP5;環(huán)形燃料

中圖分類號(hào)： TL426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0008-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.004

【Abstract】In this paper， the solidity fuel and the annular fuel safety analysis model of 100MWe modularization reactor are constructed based on RELAP5/MOD3 program， and the safety analysis under steady-state are carried out. The analysis results show that the annular fuel is safer than the solidity fuel in the 100MWe modularization reactor.

【Key words】Modularization reactor; Reactor core model; RELAP5; Annular fuel

0 引言

隨著全球核電的發(fā)展，越來(lái)越多的國(guó)家逐步關(guān)注小型核電站的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。目前，國(guó)際先進(jìn)的一體化小型堆多處于研發(fā)和設(shè)計(jì)階段，我國(guó)立足于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有壓水堆核電技術(shù)，制定了小型堆發(fā)展戰(zhàn)略[1]。

環(huán)形燃料由美國(guó)麻省理工學(xué)院在21世紀(jì)初提出[2-3]，但中國(guó)后來(lái)居上，在環(huán)形燃料方面的研究達(dá)到了世界先進(jìn)水平[4]。國(guó)內(nèi)于2011年11月發(fā)表了《環(huán)形燃料綜合性能分析研究報(bào)告》。涵蓋了環(huán)形燃料概念設(shè)計(jì)，環(huán)形燃料熱工水力分析，堆芯物理性能分析，穩(wěn)態(tài)輻照性能分析，環(huán)形燃料堆芯安全性能分析，環(huán)形燃料堆芯元件制造可行性研究，核電廠采用環(huán)形燃料經(jīng)濟(jì)性分析等研究?jī)?nèi)容，從各個(gè)方面較為全面地分析了環(huán)形燃料的工程性能。

小型模塊化反應(yīng)堆目前處于概念設(shè)計(jì)階段，其特點(diǎn)是：反應(yīng)堆的壓力容器內(nèi)布置緊湊，堆芯的高度和直徑遠(yuǎn)小于大多數(shù)國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的商用壓水堆;在壓力容器內(nèi)部，燃料棒頂端布置有2臺(tái)直流蒸汽發(fā)生器;將蒸汽發(fā)生器置于壓力容器內(nèi)部，可以增加堆內(nèi)空間的利用率，減小反應(yīng)堆一回路的占用體積，但堆內(nèi)的壓力容器內(nèi)部的高溫高壓環(huán)境會(huì)降低蒸汽發(fā)生器的使用壽命，增加了設(shè)備成本和安全隱患。本工作中，小型模塊化反應(yīng)堆的熱功率初定為385MW，兩環(huán)路一回路冷卻系統(tǒng)。

1 軟件簡(jiǎn)介

輕水反應(yīng)堆瞬態(tài)分析程序（RELAP）由美國(guó)核管理委員會(huì)（Nuclear Regulatory Commission）的愛(ài)達(dá)荷州國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室（Idaho National Engineering Laboratory）開(kāi)發(fā)，其功能是分析輕水反應(yīng)堆（LWR）系統(tǒng)中所有的瞬態(tài)和假定事故[5]，包括小、中、大破口失水事故（LOCA）以及全部的操作瞬變?，F(xiàn)在的RELAP5可用于模擬各種液壓，熱瞬態(tài)的非核系統(tǒng)，工質(zhì)包括蒸汽，水，不可冷凝氣體和溶質(zhì)的混合物。

本次模擬冷卻劑流動(dòng)主要求解水動(dòng)力學(xué)兩流體微分方程：基本場(chǎng)包括兩相質(zhì)量連續(xù)性方程，兩相動(dòng)量方程和兩相能量方程。方程以時(shí)間和一維坐標(biāo)變化為自變量，以體積平均變化量為應(yīng)變量[6]。

1.1 質(zhì)量連續(xù)性方程：

上述兩方程來(lái)自一維相位質(zhì)量方程。一般來(lái)說(shuō)流量不包含質(zhì)量源，且液體產(chǎn)生相是蒸汽產(chǎn)生相的負(fù)值（認(rèn)為產(chǎn)生的液體均由氣體液化而產(chǎn)生），即

1.2 動(dòng)量守恒方程：

RELAP5中動(dòng)量守恒方程的應(yīng)用并不復(fù)雜，上述兩方程來(lái)自于一維動(dòng)量伯努利方程的簡(jiǎn)化：忽略雷諾應(yīng)力、假定界面壓力等于相位壓力、忽略協(xié)方差項(xiàng)、忽略界面動(dòng)量?jī)?chǔ)存、忽略相位粘性應(yīng)力。可用于穩(wěn)定，不可壓縮和無(wú)摩擦的流體流動(dòng)情況。在反應(yīng)堆安全分析中，質(zhì)量守恒和能量守恒相較于動(dòng)量守恒有著更高的重要性，特別是在諸如冷卻劑泵等有大量動(dòng)量的源和匯相交合的區(qū)域。使用更原始，更簡(jiǎn)單的動(dòng)量守恒方程也可以使反應(yīng)堆數(shù)值方案的開(kāi)發(fā)更加便利。所以可以采用這種簡(jiǎn)化。

上述方程中，等式右側(cè)項(xiàng)按順序分別是壓力梯度、體力（重力和水泵壓頭）、壁面摩擦力、由界面質(zhì)量傳遞引起的動(dòng)量傳遞、邊界摩擦阻力、虛擬質(zhì)量引起的力。

1.3 能量傳遞方程

上述兩方程演變自一維能量方程，并進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：忽略雷諾熱通量、忽略協(xié)方差項(xiàng)、忽略界面能量?jī)?chǔ)存、忽略內(nèi)部相間傳熱。在方程中， 是每單位體積的相間壁面熱傳遞效率，兩者絕對(duì)值之和為總的相間壁面熱傳導(dǎo)效率。上述兩方程中兩相間質(zhì)量傳遞相關(guān)的焓 可以滿足汽——液界面處能量躍遷條件。

2 模型建立方法及數(shù)據(jù)選取

建立小型模塊化反應(yīng)堆壓力容器的RELAP5/MOD3計(jì)算模型，繪制出堆芯結(jié)塊圖如圖1

如RELAP5結(jié)塊圖所示，冷卻劑由堆芯入口時(shí)間控制體（250）流入，小部分冷卻劑（約占5%冷卻劑總流量）流經(jīng)壓力容器入口端上升段旁流（100）、上封頭（170），最終流入堆芯出口連接體（168）;大部分冷卻劑（約占95%冷卻劑總流量）流經(jīng)壓力容器下降段（110）、下腔室下封頭（120）、堆芯（130、140、150）、堆芯出口連接體（160），最終流入堆芯出口連接體（168），與剩余小部分冷卻劑交匯后流經(jīng)堆芯出口的時(shí)間控制體（205），最終流出堆芯，流入反應(yīng)堆一回路。

模塊化小型反應(yīng)堆熱工水力輸入?yún)?shù)如下表1所示[7-8]：

棒狀堆芯建模時(shí)，將燃料棒模型沿軸向均分為十個(gè)控制單元，模擬燃料棒的軸向?qū)?由上表可知，燃料的熱棒功率因子為1.6，創(chuàng)建功率為熱棒功率的單根燃料棒作為對(duì)比。

環(huán)形燃料堆芯的基本數(shù)據(jù)取自環(huán)形燃料料小堆的概念設(shè)計(jì)，主要參數(shù)如表2所示：

環(huán)形燃料組件尺寸為21.463×21.463（cm×cm），上述棒狀燃料組件尺寸為21.37×21.37（cm×cm），兩種燃料組件尺寸基本相同，建模時(shí)可以直接替換，不影響總組件數(shù)量[9]。建立模型時(shí)，環(huán)形燃料組件需建立內(nèi)外雙環(huán)，計(jì)算內(nèi)外雙環(huán)各自的流通面積和流量，分別在內(nèi)環(huán)外壁面和外環(huán)外壁面添加熱構(gòu)件，模擬環(huán)形燃料傳熱工況。

3 模型調(diào)試運(yùn)算結(jié)果

小型模塊化反應(yīng)堆中棒狀燃料熱棒溫度與平均棒溫度隨半徑分布的曲線如圖2所示：

圖中棒狀燃料平均棒中心溫度為1050.3K，熱棒中心溫度為1378.2K。

小型模塊化反應(yīng)堆中環(huán)型燃料的燃料熱棒溫度與平均棒溫度隨半徑分布的曲線如圖3所示：

圖中環(huán)形燃料平均棒峰值溫度為732.16K，熱棒峰值溫度為795.12K。

模塊化反應(yīng)堆堆芯棒狀燃料，環(huán)形燃料溫度均較低，原因?yàn)槟K化反應(yīng)堆的線功率密度較小，僅為11899W/m，遠(yuǎn)低于多數(shù)商用反應(yīng)堆。導(dǎo)致堆芯溫度較低。

小型模塊化反應(yīng)堆棒狀燃料和環(huán)形燃料溫度對(duì)比如圖4，圖5所示：

環(huán)形燃料平均棒峰值溫度比棒狀燃料平均棒峰值溫度低318.14K，環(huán)形燃料熱棒的峰值溫度比棒狀燃料熱棒峰值溫度低619.08K。裝載環(huán)形燃料的小型模塊化反應(yīng)堆比裝載棒狀燃料的小型模塊化反應(yīng)堆有更高的固有安全性。

4 結(jié)論及分析

本次模擬使用RELAP5/MOD3建立了小型模塊化反應(yīng)堆的堆芯模型，并分別搭載棒狀燃料和環(huán)形燃料進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)計(jì)算，得到結(jié)論：

模塊化小型反應(yīng)堆由于其合理的壓力容器內(nèi)部布置和較低的線功率密度，具有較高的固有安全性，棒狀燃料和環(huán)形燃料在小型模塊化反應(yīng)堆的穩(wěn)態(tài)情況下均具有良好的安全性能，環(huán)形燃料比棒狀燃料具有更高的固有安全性。

小型模塊化反應(yīng)堆的線功率密度較低，雖然增加了固有安全性能，但可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效率偏低，可以考慮在裝載高固有安全性的環(huán)形燃料時(shí)，增加功率以提升小型模塊化反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張國(guó)旭，解衡，謝菲.小型模塊式壓水堆設(shè)計(jì)綜述[C].全國(guó)新堆與研究堆學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì).2014.

[2]Faghihi F， Nezhad M S. Two safety coefficients for a typical 13×13 annular fuel assembly[J].Progress in Nuclear Energy， 2011，53（3）：250-254.

[3]Morra P.Design of annular fuel for high power density BWRs[J].2005.

[4]刁均輝，季松濤，韓智杰.壓水堆環(huán)形燃料結(jié)構(gòu)熱工水力分析方法研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)， 2015（8）：1374-1379.

[5]relap5輸入說(shuō)明.

[6]The RELAP5 Code Development Team.RELAP5/MOD3 CODE MANUAL VOLUME I： CODE STRUCTURE， SYSTEM MODELS， AND SOLUTION METHODS.

[7]劉曉壯.國(guó)內(nèi)外部分小型壓水堆安全特性比較分析[A].1672-5360（2015）01-0056-04.

[8]小型反應(yīng)堆的發(fā)展現(xiàn)狀（一）.核電廠反應(yīng)堆.2009.1.

[9]張京，趙守智，郭婭，郭孝威.環(huán)形燃料元件小堆的概念設(shè)計(jì)[J].核動(dòng)力工程，2015（12）.

作者簡(jiǎn)介：孫文釗（1994—），男，漢族，天津靜海人，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)楹朔磻?yīng)堆安全分析。

*通訊作者：何曉軍（1980—），男，江蘇金湖人，博士，研究員，研究方向?yàn)楹朔磻?yīng)堆燃料性能與安全分析。