钠冷快堆的非能动停堆系统

DEVELOPMENT OF PASSIVE SAFETY DEVICES FOR SODIUM COOLED FAST REACTORS
钠冷快堆的非能动停堆系统
摘要：近年以来，钠冷快堆的非能动停堆系统的发展有了显著提高。

这篇文章呈现出了一些物理和工程研究所（IPPE）在1990到1995年间关于钠冷快堆的非能动停堆系统的一些研究成果。

介绍：
安全加强的NNP单元的发展是核能发展最重要的问题。

计算表明，在非能动停堆系统能对反应性有较小影响时，伴随着安全系统失效的最严重的预想堆芯损坏可以避免。

在发生这种情况时，有非能动停堆系统的反应堆实际上要求由堆内环境提供的自然的内在的安全特性。

非能动停堆系统能相对于安全系统是一种附加设计，其设计目的是为了控制安全系统失效情况下的超设计基准事故，以避免液钠沸腾和严重堆芯损坏。

非能动停堆系统的各种各样的设计特性已逐渐被发现。

目前，俄国的非能动停堆系统最强调以下两点设计特性：
1）根据钠流量的下降
2）根据堆芯出口温度的上升
在以上两种情况下，控制棒在重力作用下自动下落。

1.一回路冷却剂流量降低启动的液体悬浮的非能动停堆装置（或称非能动停堆组件）PSS
1988-89年间，俄罗斯研究制造了两个可用于BR-10堆的实验用PSS（PSSN1和PSSN2），它的外形与BR-10的标准组件相同,表1为其主要的技术参数（如图1.1和表1.1），并且先对它们进行了堆外水环境下的实验。

计算技术的发展使得在水环境条件下得到的结果可以应用于钠环境下。

图1.1 BR-10 中液体悬浮式非能动停堆组件（PSS）结构图Q b：停堆时停堆棒可以悬浮时组件中冷却剂流量
Q n r：停堆棒停在高位时组件中冷却剂流量
Q m r：停堆棒停在低位时组件中冷却剂流量
η：落棒边界
图1.2 用于BN-600的PSS组件
后于1994年12月完成了包括上电驱动的PSS的寿命的堆内实验。

实验验证了用于BR-10堆的PSS的推荐设计参数，并作为标准。

参数PSSN1 PSSN2
吸收棒包壳尺寸/mm 22.5×0.3 21.5×0.3
吸收棒重量/g ～242.0 ～225.0
吸收效率/ k/k % 0.146 0.22 （吸收棒在提升位置）通过反应堆的冷却剂流量/m3/h 96 81
（吸收棒在下落位置）通过反应堆的冷却剂流量/m3/h 70 63
（吸收棒在提升位置）通过PSS的冷却剂设计流量/m3/h 0.93 0.97
吸收棒下落时间/s 1.14 0.67 由于吸收棒插入深度对通过堆芯冷却剂流量的系统反应性的影响取决于反应堆功率水平（1~2000kW），因此，当PSS插入堆芯时冷却剂流量不会降低到额定流量的25%以下。

用于BR-10堆的实验用PSS主要数据如表1.2
表1.2 BR-10 PSSN1和PSSN2实验数据
名称
堆芯
栅元数实验时间段
有功率运行
有效天数
积分通量/n/cm2
落棒次数
（有功率）
PSS N1 110 1989.1.3-1989.1.5 0
26x1021 38(10) 110 1989.3.29-1989.8.39.55
95 1992.9.14-1992.1121.96
PSS N2 95 1991.5.15-1992.8.151.07
1.7x1022 125(10) 95 1993.11.23-1994.1127.42
95 1994.11.25-1995.655.5
PSSN1和PSSN2在堆内的总操作时间分别为218天和1020天。

PSSN1和PSSN2分别共进行了38次和116次落棒实验，没有发生卡棒情况。

穿过堆芯的流量值在控制棒上升和下降的过程中没有改变。

BN-600堆的液体悬浮式非能动停堆装置的研究开始于1989年。

1988-89年间，一种基于标准停堆吸收组件基础，用于BN-600堆的实验吸收组件被成功制造出来。

它的全尺寸实体模型被用于水环境下的实验（如图1.2）。

用于测试的有几种形式的组件。

到1994年才完成了组件的测试；基于测试结果，其中有一种形式吸收组件被确定为推荐模型。

图1.2 用于BN-600的PSS组件
为组件制定的以下算法已调试完毕。

在已经停下来的反应堆中，含有吸收剂的控制棒在最终的较低位置-在导管套筒的刚性处。

在反应堆提升功率前，控制棒被一个驱动爪子提升到较高的工作位置。

初级冷却剂流量率从最小值上升到较高阶段，爪子就被打开。

这样做能保持控制棒仍然被爪子抓住。

用这种方式使穿过导管套筒的冷却剂流量率大概为~0.6，此时液体对控制棒的浮力将不小于控制棒本身的重量。

用去除三个热循环反应器中的一个的方法，流量率自动减小到0.67的水平。

控制棒则仍然停在较高的工作位置。

在有一个停堆信号时，控制棒自动被一个在开关爪处的驱动系统推入较低工作位置。

这种情况下，吸收剂仍然被爪子抓着。

在控制棒从较高工作位置移动到较低工作位置期间（约1s），初级冷却剂流量率没有明显变化。

随着冷却剂流量率的减少，从初级泵减少到旋转时，流体的浮力发生改变。

当流体的浮力减小
到小于控制棒本身的重量时，控制棒从阏门以上80mm的高处掉入阏门然后保持这个状态。

在冷却剂流量率进一步减小的情况下，控制棒伴随着阏门缓慢下降。

在驱动装置失效的情况下，当冷却剂流量率低于0.6时，控制棒在重量作用下自动下落。

在控制棒下落过程中，它先停在一个卡位处（阏门以上40mm），接下来，在冷却剂流量率进一步减小的情况下，控制棒轻轻地移向阏门。

用于BN-600堆内实验用PSS组件和PS组件的水的物理设计参数，如下表1.3所示。

钠的冷却剂流量率是在运行温度下给定的。

表1.3 BN-600 PSSN1和PSSN2实验数据
名称τt/s τ2/s Q s Q n Q f Q b Q n r Q m rη
组件 2.0 1.0 0.25 2.2 PSS N1 10.1 6.1 3.6 6.0 11.5 2.1 1.0 0.36 2.5 PSS N2 8.7 4.7 2.7 4.5 11.5 2.1 1.0 0.25 3.6
其中：
τt：事故开始后落棒（含响应）时间τ2：流量降低到0.6Gnom后落棒时间 Q s：停堆棒停在高位时冷却剂流量 Q n：组件冷却剂流量
Q f：停堆棒停在低位时冷却剂流量Q b：停堆时停堆棒可以悬浮时组件中冷却剂流量Q n r：停堆棒停在高位时组件中冷却剂流量
Q m r：停堆棒停在低位时组件中冷却剂流量
η：落棒边界
在BN-600反应堆中的超设计基准事故包括：电力供应的完全丧失和反应性控制系统有效性的丧失。

在这种情况下，由于在从事故开始（τ1=4s和τ1=14s）到控制棒插入堆芯（τ2=2s和τ2=4s和τ2=7s）的过程中驱动系统的多次驱动，各种各样控制棒价值的PSS的驱动的影响如图1.3，图1.4所示。

从控制棒的反应性，考虑到的价值，τ1和τ2的数据可以看出：在事故发展的最初阶段，堆芯出口钠的温度水平主要由吸收剂的逐步插入（图1.3），在接下来的阶段，主要由插入反应性的价值（图1.4）。

图1.3遵循一个PSS效率的价值大约是0.6%Δk/k(一个标志安全控制棒的效率),是驱动时（τ1=4s）的两倍（在从冷却剂流量率开始减小到冷却剂流量率达到临界值0.6期间），堆芯出口钠的温度不超过720℃，例如，确保边界到沸点钠还有一定温度差值（如200℃）。

图1.3 PSS对堆芯出口钠温度分布影响
图1.4 PSS对堆芯出口钠温度分布影响
2.堆芯冷却剂出口温度增加启动的非能动停堆装置
这种类型的PS组件是基于BN-600型反应堆标准组件发展起来的。

在组件中，装有缩短了的燃料元件棒束，而且冷却剂流量也低于标准燃料组件，其目的是为了使PSS-AD组件燃料元件段出口温度与标准燃料组件相近。

在PSS-AD头部，是停堆棒下落启动装置（AD），这种装置具有温度敏感效应，在温度升高的情况下，会释放停堆棒，停堆棒则在重力的作用下落入堆芯。

这种类型的应用于BN-600型反应堆PSS系统的AD从1990年以来一直处于发展阶段。

图1.3表明，AD动作的温度相当于650-670℃。

为了获得离钠沸点还有100℃和150℃的温度冗余度的边界，吸收剂插入的时间必须不能超过10s和5s。

2.1基于磁性材料的停堆棒下落启动装置
图2.1显示了在钠的操纵中的发展起来的一种为了实验测试的一种磁驱动装置的模拟式设计，这种装置应用于BN-600的PSS系统。

图2.1 MAD结构示意图
MAD的磁铁系统由一块在轴向有磁感的磁铁固态合金的永磁铁、一个居里点为620℃的铁镍合金的罩子和一个连接吸收剂控制棒的阿姆科铁材料的衔铁组成。

在罩子的温度上升超过居里点时，罩子失去它的磁铁特性，导致MAD 的负载能力的下降。

在MAD 的负载能力的下降到低于吸收剂控制棒的重量时，MAD 的电枢松开，控制棒在重力作用下掉入堆芯。

到1996年，对MAD实验组件共进行了约1000小时的实验，确定了300-680ºC范围内、钠环境下磁性材料吸附力的变化，也确定了它在流过的钠温度快速升高（每秒12℃）的情况下的动态特性。

MAD模型的测试揭示了一个问题：MAD的热惰性很大，时间常数为6.4s，也就是说，在事故发生6s后MAD才开始动作，所以堆芯出口处冷却剂的温度不能超过715℃。

俄罗斯继续进行了对MAD的改进设计研究工作。

2.2基于多种物理效应的停堆棒下落启动装置
图2.2 多种物理效应AD结构示意图
多种物理效应AD（如图2.2所示）中包含了几种温度敏感效应的共同作用，例如：相变，形状记忆等等。

任何一种温度敏感材料的变化均可启动吸收棒的下落。

装置的主要工作部分是波纹管，波纹管外有冷却剂通过，波纹管两端封闭，内部填充温度敏感材料（温度敏感材料是指随着温度的变化，可发生物理或化学性质明显改变的一类材料）。

例如铝在～660ºC熔化时引起的体积变化可达～6.6%。

计算和实验研究表明，这种装置的延迟时间从2s到8 s、冲程2mm到8mm、力从450N到10000N的性能可以保证装置的正常工作。

同时，在这种装置设计中还包括了分别装在波纹管的上部和下部另外一种温度敏感材料，，这种温度敏感材料是以碟形弹簧包的形式制造，在630℃到670℃具有形状记忆功能的钛合金。

通过对这种材料的实验研究已经完成。

结果表明：这种材料的驱动时间1s、冲程6mm到8mm、力发展了700H的性能可以保证吸收棒可靠地启动。

关于这种装置的计算和实验研究正在进行。

结论：IPPE的非能动停堆系统基于以下两点驱动特性而设计：
1）根据钠流量的下降
2）根据堆芯出口温度的上升
用于BR-10系列反应堆的基于水力悬浮的PSS装置已经被成功设计出来。

两种类型的这种组件已经在BR-10系列反应堆中在包括带电驱动情况下成功测试了其寿命。

这些测试确定了这种组件的设计特性，而且这种设计已作为例行操作的推荐标准。

一种实际尺寸的用于BR-10系列反应堆的基于水力悬浮的PSS组件被成功制造，并成功在水的条件下实现测试。

实验获得的结果允许推荐这种装置在堆内装料的情况下进行测试。

一种基于温度效应的磁铁式的驱动装置被成功发展起来，并在钠的环境下进行了测试。

这种装置在实验结果的基础上得到了改进，它的延时测试也成功完成。

一种基于多种物理效应（如相变、形状记忆、压缩弹簧储能等等）的驱动装置被成功发展起来。

任何一种温度敏感材料的变化均可启动吸收棒的下落。

关于这种装置的热敏特性的计算和实验已经成功完成。