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