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2.3蒸汽发生器二次侧冷却能力过强会使自然循环中断吗？
大部分核电厂编制的复习题都有这一相同的问题，并且答案都是肯定的：会使自然循环中断。笔者认为，题目及答案存在很多的误区，导致得出不正确的结论。为了更紧贴问题来阐述自己的观点和看法，摘录了其中有代表性的问题及答案：
问题1：在自然循环时，为什么蒸汽发生器二次侧冷却能力过强反而会使一回路的自然循环中断？
答案1：如果二次侧冷却能力过强，会使一次侧的冷却剂在蒸汽发生器倒U型管上升段很快降温，因而在U型管的上升段和下降段管中冷却剂的平均密度差不大，使自然循环的流速降低，自然循环流速降低的结果，会使压力壳顶盖下部出现汽体，使自然循环中断。
为了对比说明上面问题的答案中存在哪些误区，笔者选取了在大部分核电厂编制的复习题中都编入的另一题目。该题及其答案以点源模型为基础正确地说明了在稳定（或准稳态）的自然循环流动工况下，热阱与热源之间的高度差、上升段与下降段流动介质的密度差，以及它们这些因素与产生自然循环驱动压头的函数关系。代表性的题目及答案抄录如下：
问题2：如果一个回路的热阱和热源都看做点源，已知热阱和热源之间的高度差为H，冷却剂在热源出口处的密度为ρh，在热阱出口处的密度为ρc，如图2所示，试求该回路的自然循环驱动压头ΔPd？
图2
答案2：如果冷却剂的密度在热段保持ρh，在冷段保持ρc，则自然循环的驱动压头为：ΔPd=（ρc-ρh）gH，式中g为重力加速度。
尽管上述问题2及其答案是建立在‘点源模型’的基础上，以它来计算回路系统在自然循环时的驱动压头是不够精确的，但是作为一级近似计算自然循环时的驱动压头或定性分析自然循环驱动压头与影响其大小，即自然循环能力强弱诸因素之间关系是有足够说服力的。
问题2及其答案在各核电厂是公认正确的，是分析各种自然循环问题的基础。
对照上述两问题的答案不难看出：
1）对于立式蒸汽发生器倒U型传热管的上升段和下降段并非回路内影响和决定自然循环驱动力上升段（热段）和下降段（冷段），它们只是热阱的组成部分。冷却剂沿着传热管上升并不断冷却，到顶后再沿着下降段向下还在不断冷却，其不断形成的密度差和高度差，对自然循环驱动力有点贡献，但只是整个自然循环驱动力的一部分，而且不是主要的更不是决定性的。对形成自然循环驱动压头起决定作用的是热阱与热源之间的高度差，以及在此高度上的上升段与下降段冷却剂的密度差。下节将说明对大亚湾核电厂（M310型）热源点至热阱点的高度差为11M，即使不考虑传热管的部分，高度差还有6M以上，这才是对自然循环压头起决定作用的。作为实际的非常有说服力的实际例证，如果是卧式的蒸汽发生器，其传热管也是U型的，只不过是水平放置的，冷却剂从进口集管经传热管水平地流向出口集管，只有密度差而没有高度差。假设问题1的论点成立，那么采用卧式蒸汽发生器（传热管不存在上升段和下降段）的田湾核电厂是没有任何自然循环能力了。而田湾核电厂在设计上并由试验成功证明了是有很强的自然循环能力的。再如AP1000型核电厂，当发生全厂失电同时蒸汽发生器不可用时，停堆后的堆芯余热全部依靠非能动堆芯余热排出系统排出，其途径是由反应堆出口引出高温冷却剂经管道流向安全壳内大水箱（IRWST）内的传热管，这些传热管也几乎是直接向下的（螺旋向下），且只有下降段并无上升段。经冷却后的冷却剂再经反应堆进口流向堆芯并对堆芯冷却。以上两例的自然循环，并不因为没有传热管的上升段和下降段失去自然循环能力，更不会使自然循环中断。
因此，通过以上分析，“如果二次侧冷却能力过强，…..因而在U型管的上升段和下降段中的冷却剂密度差不大，…….使自然循环中断。”这一结论是不成立的。
2）由问题2的答案可知，上升段（热段）与下降段（冷段）的密度差和热阱与热源之间的高度差决定自然循环的驱动压头，也就决定回路系统的自然循环能力。这里先明确压水堆回路系统中热阱与热源之间的高度差H,也就是上升段（热段）和下降段（冷段）的有效高度。
在点源模型下要知道热阱与热源之间的高度差H，必须先确定热阱点与热源点。对立式蒸汽发生器，热阱点应在管板以上传热管的中平面。对卧式蒸汽发生器，热阱点应是所有传热管的平均标高。热源点应是堆芯燃料元件的中心平面，如图3所示。
图3 点源模型下热阱与热源之间的高度差
热源点和热阱点之间的高度差，也就是自然循环时上升段和下降段的有效高度H，不难看出，热阱和热源之间的高度差是在设备和系统设计及安装位置确定后就已经固定下来了，在讨论自然循环各因素时，H是不变的常数。作为实例，大亚湾核电厂热阱点和热源点高度差大约为11米（堆芯中平面至堆芯出口约2m，堆芯出口至热段出口管中心线约2m，出口管中心线至蒸汽发生器管板上表面2.3m，管板上表面至传热管平均标高约5m，以上数据均由大亚湾核电厂RCP系统设备的布置及相对标高估算而来——作者注）。而热段及冷段的冷却剂的密度差则是由自然循环所传输的反应堆功率所决定的。
综上所述，对某一实际的压水堆核电厂，热阱和热源的高度差是确定不变的，那么判断自然循环是在进行的唯一条件就是上升段（热段）与下降段（冷段）的冷却剂是否存在温度差，即是否存在密度差。热段与冷段的冷却剂如果存在密度差，就意味着存在一定的自然循环的驱动压头，就能推动在堆芯被加热的冷却剂向上流动，经蒸汽发生器的传热管被二次侧给水冷却后变成温度较低的水流回堆芯入口，这就形成了自然循环传热。因此，判断回路中自然循环是否正在进行最基本的判据就是冷段和热段的冷却剂存在温度差，因为压力容器进出口的温度可在主控室显示，可直接观察到。对于稳定态自然循环传热，当冷段与热段冷却剂的密度差越大，所产生的自然循环的驱动压头越大，自然循环的能力也越强，反之亦然。
对于不稳定的（动态的）自然循环传热，冷段与热段冷却剂的密度差变得越大，产生的自然循环的驱动压头越大，自然循环的能力越强。反之，该密度差向着减小的方向变化，则自然循环的驱动压头会越来越小，自然循环能力就会越来越弱，从理论上说该密度差变为零，则循环的驱动压头为零，自然循环也就中断了。必须强调的是，这里的热段和冷段是指的整个一回路的热段和冷段，而不是蒸汽发生器中倒U型传热管的上升段和下降段。
3）蒸汽发生器二次侧冷却能力过强的问题
其实在上两节中已经从原理上对此问题作了分析，二次侧的冷却能力过强会影响传热管内上升段和下降段冷却剂的平均密度差，但不会影响整个一回路的上升段（热段）和下降段（冷段）中冷却剂的密度差。从点源模型来分析，自然循环能力强弱，也就是自然循环驱动压头的大小，只与两个因素有关：一是热阱与热源相对位置即高度差，二是热段（上升段）与冷段（下降段）内冷却剂的密度差。而对冷却剂在热源内的详细吸热升温过程以及冷却剂在热阱（蒸汽发生器传热管）中的放热降温过程是不考虑的。也就是说冷却剂在堆芯内哪一段吸热多哪一段吸热少，以及在传热管中哪一段放热多，哪一段放热少是不考虑的。只要知道冷却剂经堆芯吸热后，温度升高了，密度减小了；而经过蒸汽发生器被二次侧冷却下来，从传热管出来的冷却剂温度降低了，密度增加了。只要维持着上升段和下降段冷却剂的密度差，加之上节已叙热阱和热源之间的高度差是确定的，这两个因素都存在，则维持自然循环流动的驱动压头就存在，自然循环也就不会中断了。再之，从定性逻辑上分析，二次侧的冷却能力越强，会使经蒸汽发生器传热管出来的冷却剂温度降得更低，密度增加得更大，从而使自然循环流动的驱动压头增加，反而更增强了自然循环的能力，更不可能使自然循环中断了。自然，我们讨论的二次侧冷却能力过强，也是在压水堆电厂实际所达到冷却能力而言的，比如大气释放阀开，加之辅助给水的低温给水的二次侧冷却能力过强情况。
4）蒸汽发生器二次侧冷却能力过强会使反应堆顶盖下出现蒸汽聚积，进而使自然循环中断吗？笔者对此观点是持质疑态度的。从逻辑上分析，二次侧冷却能力过强，首先是使经蒸汽发生器的冷却剂温度降得更多，继而引起一回路平均温度下降，导致一回路压力下降，饱和温度下降。因为是平均温度和一回路压力都在下降，原来回路冷却剂是有一定过冷度的，特别是紧急停堆后，经主泵惰转带走大量热量，堆功率已降至10%FP以下，一回路平均温度下降较多，由于稳压器的作用，回路压力下降并不显著，此时的过冷度更大。此后再两者都同时下降，一回路冷却剂的过冷度并不会有明显的改变。所以在回路中的冷却剂不会达到饱和温度，自然也不会产生蒸汽在顶盖下积累而形成蒸汽空间，更不会因此而导致自然循环中断。笔者认为，在自然循环初期最有可能（只是可能，而不是一定）产生蒸汽的地方有两处：一是堆芯个别热通道内，尽管已经停堆了，功率已经很低了，某些燃料元件表面热通量还相当大，当压力降低时饱和温度降低，这些表面可能产生泡核沸腾，但这些蒸汽泡上升遇到过冷的冷却剂时便会泯灭，如同高功率运行的情况一样，由个别热通道产生的蒸汽泡，上升到堆芯出口会与过冷水混合而湮灭，到压力容器出口时都是过冷水了。这些汽泡也绝不会上升到压力容器顶盖下形成蒸汽空间。二是稳压器内处于饱和状态的水，当一回路压力下降时，这部分水就可能蒸发为蒸汽，原有饱和蒸汽成为过热蒸汽，新增加的蒸汽和原有蒸汽就会要求占驻更大蒸汽空间，达不到更大空间时便会使压力增加，从而阻止压力下降使回路压力达到新的稳定的压力（稳压器的压力变化的缓和效应）。可以认为，这部分蒸汽也绝不会进到压力容器顶盖下形成蒸汽空间，只会填补因平均温度下降而体积收缩的汽空间。
