循環(huán)回路系統(tǒng)的堆芯模擬體和蒸汽發(fā)生器模擬體設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于反應(yīng)堆熱工水利領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種循環(huán)回路系統(tǒng)的堆忍模擬體和蒸 汽發(fā)生器模擬體設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 反應(yīng)堆可W利用自然循環(huán)不依賴外部動力就將熱量導(dǎo)出的能力，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆非能 動安全設(shè)施在事故下的運(yùn)行，從而提高反應(yīng)堆的安全性。
[0003] 自日本福島事件后，國際和國內(nèi)社會對核能安全提出了更高的要求，特別針對全 廠斷電和完全喪失冷卻鏈等超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故緩解措施的可靠性給予了越來越多的關(guān)注。 2012年6月國家核安全局對外發(fā)布的《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動通用技術(shù)要求（試 行）》中，多次提出對在運(yùn)和在建核電機(jī)組在核電廠部分或全部安全系統(tǒng)功能喪失的情況 下，如超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水事件條件下，應(yīng)該采取更多措施W帶出余熱。新近發(fā)布的r十二五" 期間新建核電廠安全要求和審評原則》中，明確要求十二五期間新建核電廠須增加反應(yīng)堆 堆忍的余熱排出、應(yīng)急冷卻和最終熱阱的考慮，應(yīng)設(shè)置多樣化的最終熱阱。
[0004] ACPR1000項(xiàng)目目前的技術(shù)方案，盡管已經(jīng)針對超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故設(shè)置了一些緩解措 施，但在核電廠安全系統(tǒng)多樣化設(shè)計(jì)方面尚有較大欠缺。根據(jù)目前確定論安全分析和PSA 分析結(jié)果，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)相關(guān)事故具有重大貢獻(xiàn)。因此，需要針對完全喪失給水、主蒸 汽管道破裂及主給水管道破裂疊加輔助給水喪失、全廠斷電、完全喪失冷卻鏈等超設(shè)計(jì)基 準(zhǔn)事故設(shè)置可靠性更高的多樣化緩解系統(tǒng)，而二次側(cè)非能動余熱排除系統(tǒng)正符合該要求。 本發(fā)明正是針對上述問題而設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽〇化]本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種循環(huán)回路系統(tǒng)的堆忍模擬體和蒸汽發(fā)生器模 擬體設(shè)計(jì)方法，旨在解決對超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故設(shè)置的措施可靠性不夠高，核電廠安全系統(tǒng)多 樣化存在較大欠缺的問題。
[0006] 本發(fā)明是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的，一種循環(huán)回路系統(tǒng)的堆忍模擬體和蒸汽發(fā)生器模擬體設(shè)計(jì) 方法，包括堆忍模擬體的設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相似比例分析和設(shè)計(jì)，W及蒸汽發(fā)生器模擬 體的設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)結(jié)果，該方法根據(jù)自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)回路的設(shè)計(jì)參數(shù)和功能需 求，確定實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)堆忍模擬體和蒸汽發(fā)生器模擬體的設(shè)計(jì)要求，再分別對堆忍模擬體 和蒸汽發(fā)生器模擬體進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析計(jì)算。
[0007] 進(jìn)一步，堆忍模擬體的設(shè)計(jì)WACPR1000為原型，ACPR1000堆忍有157盒燃料組 件，該堆忍模擬體模擬其中的一盒燃料組件，高度比取1:4,速度比為1:2,電加熱元件的表 面熱流密度比為2:1 ;
[0008] 堆忍模擬體包括銅棒、平蓋、筒體端部、進(jìn)出口接頭、進(jìn)出口法蘭、筒體、吊籃、陶 瓷、燃料組件模擬件、下封頭、掛環(huán)、進(jìn)出口反法蘭；
[0009] 燃料組件模擬件通過吊籃懸掛于掛環(huán)上，平蓋上裝有2根銅棒，銅棒中的兩根銅 棒一端分別和電源的正負(fù)極相連，另一端與燃料組件模擬件相連；
[0010] 組件模擬件和金屬吊籃之間用陶瓷填充。
[0011] 進(jìn)一步，堆忍模擬體堆忍模擬體管道用長度、水力學(xué)當(dāng)量直徑和流通截面積體現(xiàn) 其流速、流動阻力。
[0012] 進(jìn)一步，堆忍模擬體設(shè)計(jì)中的無量綱動量方程為：
[0013]
[0014] 無量綱能量方程為：
[0015]
陽016] 動量和能量方程中無量綱參數(shù)的定義分別為：化chardson數(shù)
，:表征 浮升力與慣性力之間的關(guān)系；阻力系數(shù)
表征回路的摩擦 和形阻；熱源數(shù)也稱相變數(shù)
，表征燃料元件釋熱對回路洽升的影響； 熱容1
，表征結(jié)構(gòu)的熱容量與回路洽升的關(guān)系。
[0017] 進(jìn)一步，堆忍模擬體設(shè)計(jì)中的無量綱相變數(shù)為：
[0018]
[0019] 無量綱過冷度數(shù)為：
[0020]
[0021] 進(jìn)一步，蒸汽發(fā)生器模擬體對蒸汽發(fā)生器進(jìn)行?；?，換熱管高度比取1:4,采用原 型的換熱管徑W及柵距，蒸汽發(fā)生器一次側(cè)和二次側(cè)的溫度和壓力都與原型一致，根據(jù)原 型中蒸汽發(fā)生器的換熱能力和換熱面積，?；玫綄?shí)驗(yàn)回路中蒸汽發(fā)生器的換熱面積及換 熱管的結(jié)構(gòu)尺寸；
[0022] 蒸汽發(fā)生器模擬體包括上封頭、端殼體、換熱管、下端殼體、下封頭，換熱管通過固 定管板固定于下端殼體上，換熱管的不同位置裝有足夠數(shù)量的支撐板和擋板，下封頭被隔 板隔開隔開。
[0023] 進(jìn)一步，堆忍模擬體采用長1050mm，外徑9. 5mm的不誘鋼管作為加熱元件，電加熱 元件采用定位格架固定，定位格架擬采用原型中的定位格架，電加熱元件的上下端和銅板 相連，銅板分別和電源的正負(fù)極相連，堆忍模擬體的進(jìn)出口管道用內(nèi)徑為105mm的不誘鋼 管，位置按原型布置，電加熱元件和壓力容器之間用陶瓷填充。
[0024] 本發(fā)明提高了超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故設(shè)置的措施的可靠性和核電廠安全系統(tǒng)的多樣化， 具有很高的工程價值。
【附圖說明】
[00巧]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的堆忍模擬體主視圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的堆忍模擬體進(jìn)出口管府視圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的堆忍模擬體管座俯視圖；
[0028]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的換熱管布管示意圖；
[0029] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的換熱管布管的B-B向剖視圖；
[0030] 圖中：1、銅棒；2、平蓋；3、筒體端部；4、進(jìn)出口接頭；5、進(jìn)出口法蘭；6、筒體；7、吊 籃；8、陶瓷；9、燃料組件模擬件；10、下封頭；11、掛環(huán)；12、進(jìn)出口反法蘭；13、蒸汽出口接 管；14、上封頭；15、上端殼體；16、換熱管；17、下端殼體；18、固定管板；19、下封頭；20、隔 板；21、去離子水進(jìn)出口接管；22、自來水進(jìn)口接管；23、去離子水進(jìn)口；24、去離子水出口； 25、自來水進(jìn)口；26、蒸汽出口。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合實(shí)施例，對本本發(fā) 明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0032] 1、堆忍模擬體的設(shè)計(jì)要求
[0033] 堆忍模擬體是自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)回路開展非能動余熱排除實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵性設(shè)備之 一。WACPR1000為原型，ACPR1000堆忍有157盒燃料組件，本堆忍模擬體模擬其中的一盒 燃料組件。高度比取1:4,速度比為1:2,電加熱元件的表面熱流密度比為2:1，并合理設(shè)計(jì) 軸向和橫向阻力特性。
[0034]2、堆忍模擬體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[0035] 堆忍模擬體結(jié)構(gòu)總圖如圖1-圖3所示。堆忍模擬體包括銅棒1、平蓋2、筒體端部 3、進(jìn)出口接頭4、進(jìn)出口法蘭5、筒體6、吊籃7、陶瓷8、燃料組件模擬件9、下封頭10、掛環(huán) 11、進(jìn)出口反法蘭12。
[0036] 所述燃料組件模擬件9采用長1050mm(燃料組件高度的1/4)，外徑9. 5mm(燃料組 件的外徑）的不誘鋼管作為加熱元件。為模擬燃料組件的定位格架，電加熱元件也采用定 位格架固定，其定位格架擬采用原型中的定位格架。燃料組件模擬件9通過吊籃7懸掛于 掛環(huán)11上，實(shí)現(xiàn)固定。平蓋2上裝有2根銅棒1，銅棒1中的兩根銅棒一端分別和電源的正 負(fù)極相連，另一端與燃料組件模擬件9相連，實(shí)現(xiàn)電加熱的目的。
[0037] 為減小金屬熱容，組件模擬件9和金屬吊籃7之間用陶瓷8填充。進(jìn)出口接頭4 采用用內(nèi)徑為105mm的不誘鋼管（約原型尺寸的1/7)，且位置按原型布置。
[003引 3、堆忍模擬體相似比例分析
[0039] 反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不論是堆忍還是蒸汽發(fā)生器，都需要通過一定的假 設(shè)進(jìn)行簡化。反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的設(shè)備可W簡單的分為兩種類型，即有熱量傳遞和無熱量 傳遞己種設(shè)備：管路、蒸汽發(fā)生器、堆忍。其中，此處的蒸汽發(fā)生器是指發(fā)生了進(jìn)出口溫度 或密度變化的那部分，即蒸汽發(fā)生器管束。而反應(yīng)堆堆忍則是發(fā)生了溫度或密度變化的那 部分堆忍，即加熱部分，其余部分則視為管道。如果考慮到兩相流型的影響，嚴(yán)格的說管道 內(nèi)流體的密度也可W發(fā)生變化。管道的特征是沒有熱量傳遞，只是流體的位置發(fā)生變化，并 貢獻(xiàn)阻力。反應(yīng)堆管束中，如冷管和熱管，在符合一維假設(shè)方面沒有什么大的問題，而一些 局部有突變的構(gòu)件可W通過阻力作用來體現(xiàn)其在自然循環(huán)過程中的作用。因此，管道可W 用長度、水力學(xué)當(dāng)量直徑和流通截面積體現(xiàn)其流速、流動阻力；通過在重力方向的投影體現(xiàn) 其位置變化對重力作用的貢獻(xiàn)。不論是幾根管道，均可W-維化為上述特征的元件。
[0040] 3. 1基本方程
[0041] 首先是一維假設(shè)，認(rèn)為流動沿著設(shè)備或管道的軸向方向進(jìn)行，而傳熱則在一維邊 界的徑向進(jìn)行；其次，可W通過采用特征參數(shù)，如熱工水力直徑等方法，對徑向影響的作用 進(jìn)行評估并進(jìn)行模擬；此外，還需要忽略熱損失、軸向傳熱及方程中的高階項(xiàng)，其控制方程 為： 陽0創(chuàng) （1)連續(xù)性方程
[0043]
[0044] 上式中P為流體密度，U為流體流速。 柳45]似動量方程
[0046]
[0047] 上式中P為壓力，f為阻力系數(shù)，為水力學(xué)當(dāng)量直徑。 W4引 0)能量方程
[0049]
[0050]上式中h為流體的洽，G為周長，A為截面積，1；和Tf分別為壁面溫度和流體溫 度。 陽0川 （4)傳熱方程
[0052]
[0053] 本發(fā)明對流換熱系數(shù)不進(jìn)行模擬，主要原因有：①金屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本模型中的 一維方法模擬不能準(zhǔn)確描述；②兩相傳熱溫差很小，測量到的壁溫不具有很大的價值；③ 燃料元件基本上是定熱流密度傳熱，不受傳熱系數(shù)的影響，而燃料棒本身的