非能动安全壳冷却系统综合性能试验研究

作者:常华健;阳祥;周明正;孙流莉;赵瑞昌; 刊名:核动力工程 上传者:李洪杰

【摘要】新开发的非能动安全壳冷却系统(PCS)需要进行试验验证,缩比例试验是一种直接有效的验证方法。本文介绍了PCS综合性能试验台架的比例设计方法、试验台架系统、试验工况。分析了典型试验工况下壳内压力变化情况,气相存在、壳体冷凝换热的无量纲数变化特性,结果表明关键无量纲数处于可接受范围。证明了采用的PCS试验方法的合理、有效,采用该方法设计的台架试验结果可以对原型的物理现象进行准确的相似模拟。

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0前言非能动安全壳综合性能试验是核电厂安全的主要研究方法。目前只有西屋公司才开展此类研究,其AP600大比例试验采用退役的反应堆安全壳作为试验壳,设置的试验工况几乎集中在稳态试验,瞬态试验开展很少。本文介绍非能动安全壳冷却系统(PCS)整体性能试验台架(CERT)的设计、试验系统、试验内容、试验工况及试验结果。1缩比例试验台架设计整体性能试验需要采用比例分析技术建立缩比试验台架,确保试验台架能够真实反映核电厂在事故下的重要物理过程和现象。H2TS法是最具代表性的比例分析方法,主要内容是:系统分解、比例分析层次认定、自上而下比例分析和自下而上比例分析。借鉴H2TS的基本思想,将PCS分为壳内、壳体、壳外3个功能模块,针对设计基准事故(DBA)下PCS的物理现象和过程的本质设计试验台架的结构参数和边界条件。CERT设计参数比例见表1。表1CERT设计参数比例Table1DesignParametersofCERT参数比值(台架/原型)安全壳高度比1:8安全壳直径比1:8壳体厚度比1:2.6环腔宽度比1:2.8冷却水膜稳定前1:512最大蒸汽喷放功率比冷却水膜稳定后1:64冷却水流量比1:39环腔风速比1:1.29水膜覆盖率比1:11.1总体设计原理安全壳内的最大压力不超过设计值就能保证安全壳壳体完整性,控制事故后果及影响范围,是PCS的设计能够成功缓解DBA的标志。因此,整体试验的关键目标是验证PCS的压力响应。在事故初期(瞬态阶段),喷出的蒸汽(部分闪蒸)在安全壳内表面及壳内热构件表面发生冷凝,由于蒸汽喷放量较大,大量蒸汽积聚在壳内大空间,压力增长较快。壳外产生冷却水膜后(准稳态阶段),壳内冷凝放出的热量通过壳体导热传至壳体外表面,壳体外表面会加热覆盖在其外侧的液膜,液膜蒸发产生的蒸汽与吸入的空气在壳外环腔内形成自然对流将热量排出到大气,从而达到降压目的。蒸汽在热阱和壳体表面冷凝,热阱和壳体吸收热量,还有部分蒸汽积聚在大空间,这2个过程是影响壳内压力变化的主要因素。由于事故下安全壳内的压力不高,尽管压力变化率在前期较大而在后期变化很小,试验台架可采用等压模拟方式。试验台架系统设计的主要内容是确定系统的比例关系。计算当最大饱和蒸汽流量为30kg/s时蒸汽最大喷放功率,得到不同台架与原型的高度比时功率与体积比和面积与体积比。综合考虑蒸汽参数的可达能力和关键物理现象,选取CERT台架安全壳原型与试验装置高度比为1:8。1.2结构参数设计结构参数设计原则是:保持系统级比例关系不变,满足部件和边界相关的重要物理现象和过程在原型和台架之间相似。1.2.1壳体厚度设计原型壳体在设计基准事故下发生的主要物理过程是:稳定水膜建立前壳体吸收热量,温度升高,稳定水膜建立后壳内热量经壳体导出至壳外,壳体热阻的大小决定了热量导出的强弱。台架壳体厚度的比例设计考虑了壳体储热和导热现象。式(1)和式(2)给出了储热和导热对应的无量纲数[1],储热与导热同时存在,且壳体厚度对它们的影响作用相反。??shshshv,shshsh,cabrk,stmAcTmh?????(1)??shshshsh,rishbrk,stmkATmh????(2)式中,m?为质量流量;为无量纲数;T为温度;A为换热面积;k为导热率;h为换热系数;cv为等容比热;为密度;为厚度;h为焓;下标:brk为破口;sh为壳体;ca为热容;ri为热阻;stm为蒸汽。整体试验的目的是验证PCS系统的性能。壳外冷却水膜稳定建立后从壳内到壳外的热量载出通道已建立,壳体的热阻作用决定了换热强弱。因此,壳体的厚度设计原则是优先

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