緊急停堆棒落棒時間對熔鹽堆反應性引入瞬態(tài)的影響

王 凱 焦小偉 楊 群 吳燕華 王超群 何兆忠

（中國科學院上海應用物理研究所 上海201800）

熔鹽反應堆是第四代核反應堆的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、無水冷卻等優(yōu)點，可建于干旱地區(qū)。除發(fā)電以外，熔鹽反應堆堆芯出口溫度可達700°C以上，可為高溫制氫、二氧化碳加氫制甲醇等化工過程提供工藝熱，對減少溫室氣體排放具有重要意義。

當前，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，公眾對發(fā)展核能存有疑慮，這就對核能系統(tǒng)的安全性提出了更為嚴苛的要求。反應堆設計過程中安全分析越來越受到重視。緊急停堆棒落棒時間是影響反應堆安全性的重要參數。本文對熔鹽堆緊急停堆棒落棒時間對反應性引入瞬態(tài)的影響進行詳細的分析。

1 釷基熔鹽堆

中國科學院上海應用理研究所設計的2 MW熱功率TMSR-LF（Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel）反應堆是我國首個帶功率的液態(tài)燃料熔鹽實驗堆，其目的是驗證熔鹽反應堆技術可行性并積累工程經驗。TMSR-LF堆芯內直徑為190 cm，高度為180 cm，設計壽命10 a，滿功率運行300 d。堆芯主容器和堆內金屬支撐結構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LiF-BeF2-ZrF4-UF4，富集度19.75%。反應堆進、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，進入熱管段，經燃料鹽循環(huán)泵后，進入熔鹽-熔鹽換熱器。通過熔鹽-熔鹽換熱器進行熱交換后，進入冷管段，再從堆芯下部流入反應堆。

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

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

2 事件情景

反應性引入事件是熔鹽堆功率升高最為迅速的一類事件，這類事件對控制棒下落時間的要求最為苛刻。因此本文選取反應性引入事件中后果最嚴重的工況—滿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間對其后果的影響。

一根控制棒失控誤抽出，引入的反應性導致核功率與燃料鹽溫度迅速上升并相繼超過整定值，觸發(fā)緊急停堆信號。停堆信號觸發(fā)停堆系統(tǒng)落棒，引入負反應性實現緊急停堆，同時非能動余熱排出系統(tǒng)導出余熱，以保證反應堆安全。

本事件屬于二類工況，采用的保護信號為中子注量率高和反應堆出口溫度高。評價該事件的安全準則包括：1）燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)壓力邊界金屬結構材料的最高溫度應低于800 °C；2）燃料鹽溫度低于1 200°C。

3 分析方法及假設

3.1 分析方法

本文采用RELAP5-TMSR（Reactor Excursion and Leak Analysis Program-Thorium Molten Salt Reactor）進行分析，該程序是在RELAP-MS 的基礎上修改形成的。RELAP-MS 是在RELAP5/MOD4.0的基礎上植入熔鹽物性和換熱關系式形成的［5-6］。RELAP5-TMSR 在RELAP5-MS 基礎上進行進一步修改，新增的主要功能包括［7-9］：

1）添加液態(tài)點堆模型（體積比模型和美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）模型）；

2）流體內熱源項，在程序中新增帶有內熱源的控制體；

3）0.5＜Pr＜100 范圍內的強迫對流傳熱關系式，可通過輸入卡修改關系式的相應參數，自定義強迫對流傳熱關系式；

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熔鹽的共存問題。

TMSR-LF 熔鹽堆系統(tǒng)節(jié)點劃分如圖2 所示，包括4個系統(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)和非能動余熱排出系統(tǒng)。

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

3.2 初始條件及基本假設

滿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)分析過程中采用的假設包括：

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

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

3）各保護信號的觸發(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，取壽期內的絕對值最小值，并減去20%誤差；

5）保守考慮，緊急停堆信號觸發(fā)燃料鹽循環(huán)泵、冷卻鹽循環(huán)泵及風機停運。

表2 反應性引入量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 保護參數整定值匯總Table 3 Protection parameters Limit

4 緊急停堆棒落棒時間對反應性引入瞬態(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，反應堆功率升高，堆內燃料鹽和哈氏合金構件溫度升高。當中子注量率或燃料鹽溫度超過整定值后，觸發(fā)緊急停堆，緊急停堆棒下落，反應堆緊急停堆，反應堆功率迅速下降，燃料鹽和哈氏合金構件溫度降低。

圖3 提棒速度與反應性變化關系Fig.3 The variation of reactivity after control rod withdrawal under different speed

圖4 提棒速度與反應堆功率變化關系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性引入瞬態(tài)后果的主要參數之一。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），反應堆主要參數的變化曲線，表4給出了事件發(fā)生后，主要參數的峰值。TMSR-LF 堆內哈氏合金構件主要是控制棒通道和測量通道套管，圖6 給出了兩者中的最高溫度。

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

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

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

控制棒提棒速度越快，反應堆功率上升越快，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)停堆時間越快，如圖4所示。當提棒速度為0.8 cm·s-1時，事件發(fā)生后53.0 s時觸發(fā)停堆，當提棒速度為0.1 cm·s-1時，事件發(fā)生后313.6 s時才觸發(fā)停堆。控制棒提棒速度慢時，功率升高相對慢，需相對較長時間才能觸發(fā)緊急停堆信號，堆芯內累積的熱量相對較多，堆內燃料鹽和哈氏合金構件溫升越高。根據安全評價準則，當控制棒誤提升速度為0.1 cm·s-1時，后果最為嚴重。

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

4.2 緊急停堆棒落棒時間對反應性引入瞬態(tài)后果的影響

根據提棒速度敏感性分析結果，選取后果最嚴重的工況（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間對反應性引入事件后果的影響。圖7～圖12為反應性引入事件發(fā)生后，反應堆主要參數的變化，圖13～圖15 給出了反應堆主要參數在不同落棒時間下峰值變化，表5 給出了不同落棒時間下，反應堆主要參數的峰值，表5中堆內哈氏合金峰值溫度為測量通道哈氏合金溫度。

觸發(fā)緊急停堆信號后，緊急停堆棒落棒時間越長，單位時間內引入的負反應性越少，反應堆功率下降越慢，如圖7、8所示。功率下降越慢，堆芯內熱量累計越多，堆內燃料鹽和哈氏合金溫度越高，后果越嚴重，如圖9～圖15所示。當緊急停堆棒落棒時間為10 min（600 s）時，功率峰值為4.86 MW，堆芯出口燃料鹽峰值溫度為671.5 ℃，堆內燃料鹽峰值溫度為709.2 ℃，堆內哈氏合金構件峰值溫度為708.2 ℃，遠低于熔鹽堆二類工況安全限值要求。因此相對于快堆、壓水堆以及沸水等堆型，熔鹽堆對緊急停堆棒落棒時間要求較低，其原因主要包括以下幾點：

圖7 緊急停堆棒落棒時間與反應性變化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 緊急停堆棒落棒時間與堆芯出口燃料鹽溫度關系Fig.9 The variation of outlet temperature after control rod withdrawal under different emergency scram rod drop time

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

圖11 緊急停堆棒落棒時間與控制棒通道哈氏合金最高溫度關系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 緊急停堆棒落棒時間與測量通道哈氏合金最高溫度關系Fig.12 The variation of Hastelloy structure temperature in measuring channel after control rod withdrawal under different emergency scram rod drop time

圖13 緊急停堆落棒時間與功率峰值關系Fig.13 The peak power under different emergency scram rod drop time

圖14 緊急停堆落棒時間與堆內燃料鹽峰值溫度關系Fig.14 The peak temperature of liquid fuel under different emergency scram rod drop time

圖15 緊急停堆落棒時間與堆內哈氏合金峰值溫度關系Fig.15 The peak temperature of Hastelloy structure under different emergency scram rod drop time

表5 不同控制棒落棒時間下，反應堆主要參數峰值Table 5 Peak values of main reactor parameters under emergency scram rod drop time

1）熔鹽堆正常運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反饋特性。事故工況下，僅通過燃料鹽和堆內石墨的溫升就能引入較大的負反應性；

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，當反應堆功率突然增加時，燃料鹽溫升較慢；

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

5 結語

本文針對熔鹽堆反應性引入事件，分析了控制棒落棒時間對瞬態(tài)后果的影響，經分析表明：

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

2）當緊急停堆棒落棒時間為10 min 時，堆內哈氏合金最高溫度僅為708.2 ℃，燃料鹽最高溫度為709.2 ℃，遠低于安全限值。熔鹽堆具有良好的應對反應性引入事件的能力。