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压水堆核电厂的自然循环

2017-08-05 15:00:10 来源:网络 评论:0 点击:

摘要:压水堆核电厂设计成具有一定的自然循环能力,是在全厂失电时导出反应堆的剩余余热,保证反应堆安全的有力手段和措施。特别是日本福岛特大核事故后,对核电厂安全检查以及改进完善安全设施的诸多项目中,在全厂失电事故下,有无一定的甚至长期的自然循环能力是其中最重要的方面。如何正确认识压水堆核电厂自然循环的基本规律,是运行人员在全厂失电事故情况下自觉地正确执行事故规程,维持自然循环的有效进行继而保证反应堆安全的基础。本文就自然循环的几个问题提出不甚成熟的看法,以期引起同行的重视并能展开讨论。

关键词:压水堆核电厂   全厂失电   自然循环


1、概述:

从安全角度考虑,压水堆核电厂在设备和系统设计时无一例外地都考虑了较强的自然循环能力,这与反应堆必须要有一定的自稳性和自调节功能一样重要。在发生全厂失电事故时(这里指的全厂失电是丧失全部外部主辅电源,还包括全部应急柴油发电机失效),依靠自然循环的能力导出反应堆的剩余热量,避免堆芯熔化成为保证反应堆安全的最为应急的也是最有效的手段和措施。在日本福岛特大核事故后,各核电厂都对该核事故情况下的安全设施和措施做了详尽的检查,其中重要的方面,就是全厂失电事故情况下,必须有一定的自然循环能力,甚至要求立足于长期外电源恢复不了时,依靠自然循环的能力导出停堆后的反应堆剩余热量,仍能保证反应堆处于安全状态,因此我们讨论某些自然循环问题求得正确解答是必要的。

各核电厂在培训运行人员方面作了大量的工作,在基础理论方面的培训也是卓有成效的,这在历年来的执照考核和已经运行的核电厂的操纵人员的运行能力来看是非常明显的。但是,在有些核电厂所编制的复习题中,在我个人看来自然循环这部分的内容编写得不够完善,有些题目的答案并不全面不确切,个别题目本人是很不赞同的。特别是有的问题涉及到自然循环的基本规律,必需要求得正确的解答。作为核电厂的运行人员,特别是主控室的操纵人员,如果对自然循环的基本规律有了正确的深入的认识,在全厂失电事故情况下,才有可能自觉正确地执行事故规程,特别是规程未曾覆盖的紧急情况下,作出正确判断正确地采取措施确保反应堆的安全。为此目的,我们应对一些基本的问题认识清楚,对自然循环的规律加深认识,使我们应对全厂失电这“类福岛”的罕见事故的能力更加提高。本文用以作为定性分析的理论根据只有两条:1).建立自然循环的必要条件;2).自然循环的驱动压头的决定性因素是上升段和下降段的温度差(密度差)。这两条也是各核电厂的复习题中公认为正确的。而用这两条基本理论来解释某几个复习题却会得到不同的甚至是相反的答案。为了对某些个问题求得正确的解答,本人不惧自己才疏学浅,对所见到的几个问题,提出自己的很不成熟的看法,作为抛砖引玉供大家批评指正,以期引起同行专家们的重视和讨论,使我们在这些问题上得以共同提高。

本文中所讨论的几个问题是:

1)一回路的自然循环可分为稳态自然循环和不稳定的自然循环;

2)建立自然循环的必要条件;

以上两问题只是想各核电厂的复习题能有个明确而统一的答案,并无原则上的异议。

3)蒸汽发生器二次侧冷却能力过强会使自然循环中断吗?

4)稳态自然循环流量与反应堆功率成正比,与回路系统的总阻力成反比吗?

本文的重点是讨论后两个问题。

2、对自然循环几个问题的定性讨论

2.1两种自然循环形式

作为动力用的压水堆系统,根据自然循环的目的不同可将自然循环分为两种:

其一是反应堆在低功率下稳定运行的自然循环:由蒸汽发生器生产少量的蒸汽,供二回路消耗和使用。作为军用核动力,这种工况是在低速和低噪声下运行所必需的。而在核电厂内,这种工况只在做对自然循环能力设计校核试验时才用到,因为这种工况下靠生产出的少量蒸汽用于发电是没有任何意义的,所以商用核电厂是不将这种形式作为一种运行工况使用的。但是不论是军用核动力系统,还是核发电厂系统,无一例外地在设备系统的热工水力设计中,反应堆在多高的功率下稳定地仅依靠自然循环运行,是该系统自然循环能力的设计指标,两类系统都是必须要作的,而前者是在实际上要使用的,是军用核动力系统应付某些特殊环境下的特别性能的重要指标;而后者则是自我保护中的重要安全指标。

其二是在全厂失电事故情况下,反应堆已紧急停堆,仅靠自然循环将反应堆的剩余发热传输给二回路,或排向大气或排向大海。这种形式的自然循环,无论是军用核动力系统或是核电厂系统,都是失去全部动力电源时,保证反应堆安全的最应急的也是最有效的手段。这种形式和前一种形式相比,最显著的不同点在于它所传输的热功率是不稳定的,是随时间而改变的。其原因也是显然的,因为紧急停堆后,反应堆所发出剩余功率(包括剩余核功率和堆内的潜热)是随停堆后的时间而变化。图一表示长期满功率运行紧急停堆后剩余功率随时间变化曲线。


图1   满功率运行时紧急停堆后剩余释热

由于核电厂从不将低功率下稳定的自然循环作为一种工况,而只考虑紧急停堆后的自然循环,故而在提及自然循环的建立、维持及中断可能性时,约定地只指紧急停堆后的不稳定的自然循环。但是我们在讨论自然循环的某些规律问题时,必须要考虑到低功率下的稳定自然循环。

2.2建立自然循环的必要条件

在各核电厂的培训教材和复习题中,建立自然循环的必要条件有两条是共同的:

(1)循环系统中必须有热源和热阱之间的高度差,热阱位于上面,热源位于下面;

(2)循环回路冷段和热段中的流体密度必须存在密度差。

尽管各种资料和教材对这两条的表述在文字上很不一致,但表达的实质是相同的。作者在此强调指出的是,“必要条件”是必不可少的条件,即缺少其中之一,就不可能形成自然循环了。笔者认为,作为表述建立自然循环的必要条件,以上两条就足够了,再加其他条件并非很必要。例如:有部分教材和复习题中加了第(3)条:“系统必须在重力场中。”笔者认为加这一条必要性不大的理由是:我们在讨论所有有关物理问题时,都不约而同地或潜意识地认定我们是在地球引力场中进行的。比如,讨论物体在平板上平移运动所产生的摩擦阻力问题时,都只认为与物体对平板的正压力成正比,与物体和平板之间的摩擦系数成正比,而不再额外再加一前提条件:必须在重力场中。再如:与自然循环密切相关的重要的水力学定律——水力学中能量守恒定律——伯努利方程,在讨论与研究这类问题时我们也从不增加一先决条件:必须在重力场中。我们的核电厂工作人员特别是控制反应堆的运行人员,都是工程应用的技术人员,我们不希望他们去死记这类学究式的条文,所以笔者建议不必加此条件。

还有增加的必要条件是:(4)“回路中流体必须是连续的”。笔者认为增加这一条是不合适的,其理由是:首先我们讨论的压水堆—管道—蒸汽发生器所组成的封闭式回路循环系统,由前叙两个基本必要条件建立起来自然循环流动就一定是连续的。也就是说,有了基本的必要条件,“回路中流体必须是连续的”就不是‘必要条件’了。其次,假定在压水堆一回路中产生了气,那也一定是蒸汽,而且也一定是热段,决不是冷段,因为冷段的流体是热段流体(包括蒸汽泡)经蒸汽发生器二次侧给水冷却过后的过冷水,是不会再含蒸汽的。这些蒸汽泡在热段(也即是上升段)中会更进一步降低上升段的流体密度,进一步增大热段和冷段流体的密度差,这对提高自然循环能力是有利的。再假定有部分蒸汽进入传热管,造成了部分传热管中流体呈现不连续状态,但这些蒸汽很快被二次侧给水冷却而凝结,很快被后面的流体补充上来成为连续的流体。因此,流体短暂的不连续并不会阻碍自然循环的建立,也就不必将“回路中流体必须是连续的”作为建立自然循环的必要条件了。

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