基于自然循环回路的非能动安全壳冷却系统数值模拟

作者:黄政 刊名:原子能科学技术 上传者:郭宝龙

【摘要】针对一种基于自然循环回路的非能动安全壳冷却系统(PCCS),建立了一维均相流数学模型,并采用单节点安全壳两组份模型,利用牛顿迭代法求解,模拟了PCCS的稳态运行和事故工况下安全壳和PCCS的瞬态响应过程,得到了系统自然循环的换热和流动特性。计算结果表明:PCCS能在喷淋系统故障的事故条件下在一定时间内有效实现安全壳降温,但要实现长期阶段进一步降温还需对换热水箱进行补水和冷却操作。

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非能动安全系统对于提高电站的固有安全性、可靠性和经济性有重要意义,一直是研究的热点之一。在新一代先进核电站的设计中,如AP1000、ESBWR、SMART等,大多引入了非能动的设计理念[1]。反应堆冷却剂系统发生破口时,会有大量蒸汽进入安全壳空间,使安全壳快速升温升压。若此时喷淋系统因故障或丧失电源而失效,进入安全壳的热量无法导出,则会威胁到作为最后一道安全屏障的安全壳的完整性,造成放射性物质释放到环境的严重后果。本文针对一种采用自然循环回路的非能动安全壳冷却系统(PCCS),建立自然循环回路的一维均相流模型,研究该系统的稳态运行特性,并对影响系统换热能力的主要参数进行分析。1系统组成与运行方式本文研究的PCCS原理图如图1所示。该系统由6个独立系列组成,每个系列的主要设备包括:2台位于安全壳内的并联换热器,位于安全壳外与大气环境连通的冷却水箱及相关的管道和阀门。事故发生后,大量蒸汽进入安全壳空间,气体通过冷凝、对流和辐射作用将热量传递给换热器,依靠冷热源密度差和高度差产生的驱动压头克服回路沿程阻力损失,建立并维持工质的循环流动,从而将热量导入作为最终热阱的冷却水箱,使安全壳内的温度和压力降低。当换热器的热流密度较高时,流动工质甚至会达到对应压力图1PCCS原理图Fig.1SchematicofPCCS的饱和温度而汽化,此时回路上升段及部分加热段将处于气液两相流动状态,而下降段的工质经水箱冷却后重新恢复为单相状态。2数学模型2.1基本假设与节点划分本文主要研究对象为PCCS自然循环回路和安全壳两部分。为建立自然循环回路均相流数学模型,提出如下假设条件:1)流体为不可压缩;2)仅考虑流体沿垂直管道的一维流动;3)气液两相流速相等,且处于热力学平衡状态,不考虑欠热沸腾;4)能量方程中,忽略气液相界面的黏性耗散及流体动能和势能;5)冷却水箱能保证冷却充分,使下降段入口流体为单相状态;6)相对于安全壳的响应速度,PCCS自然循环瞬态过程可忽略;7)安全壳内气液相之间仅考虑质量和能量交换,不考虑动量交换。PCCS自然循环回路的坐标系与节点划分如图2所示。仅考虑沿高度z方向的一维流动,取向上为正,原点位于最低点。回路各段都均匀划分为100个网格节点,并采用交错网格的形式,即压强、焓值及流体物性等参数定义在网格中心,用整数编号表示;而速度则定义在网格边界上,用半整数编号表示。编号顺序与流动方向相同。对于换热器传热管壁面,轴向相应地划分为100段;径向仅考虑2个温度节点。冷却水箱采用1个控制体模拟。对于安全壳,仅采用1个控制体进行模拟,壳内分别考虑气相空间、液相空间、破口质能释放及PCCS带热作用。2.2控制方程自然循环回路的质量连续性方程为:图2PCCS自然循环回路坐标系与节点划分示意图Fig.2SchematicofcoordinatesystemandnodalizationofnaturalcirculationloopofPCCSddz(uA)=0(1)自然循环回路的动量方程为:d(uu)dz=-dpdz(-g+wUwA+Kdz12u)2(2)wUwA=f2u2d(3)自然循环回路的能量方程为:ddz(uH)=qUHA(4)其中:为流体密度,kg/m3;u为流体流速,m/s;p为压强,Pa;A为回路管道面积,m2;w为管道壁面切应力,N/m2;K为局部阻力系数;f为摩擦阻力系数;Uw为壁面湿润周长,m;UH为加热周长,m;d为管道直径,m;H为流体比焓,J/kg;q为换热器传热管的热流密度,W/m2。通过导热传递的换热器热流量为:=Tcont-Tw,o

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