压水堆核电厂自然循环控制的研究

压水堆核电厂自然循环控制的研究

作者：付伟林旭芮

来源：《科学导报·学术》2018年第37期

摘要：压水堆核电厂反应堆冷却剂系统自然循环能力是这种类型核电厂固有的安全性之一。本文介绍了自然循环的原理、建立条件和影响自然循环的因素，并进一步阐述了自然循环建立和中断的判据以及自然循环的控制方式等，据此可对核电厂在一回路失去强迫循环后的自然循环有更好的理解。

关键词：自然循环；强迫循环；反应堆冷却剂系统

1.前言

在发生厂外交流电源丧失事故后，运行主泵全停，失去强迫循环时，需要利用反应堆冷却剂系统的自然循环来带走反应堆内的热量（衰变热和系统或部件的显热），避免堆芯发生偏离泡核沸腾（DNB），从而保护燃料元件包壳免遭损坏。因此，对反应堆一回路自然循环的研究和理解直接涉及到全厂断电事故后的安全性。

2.自然循环原理概述

自然循环是指在一个回路系统内，存在热源和热阱，且热源和热阱存在高度差，依靠冷段下降流和热段上升流中流体的密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环。

对于压水堆核电站的反应堆系统而言，在堆芯结构和管道系统等主设备设计合理的前提下，在丧失强迫循环后，就可以利用这种驱动压头来推动反应堆冷却剂在一回路中循环，进而带出堆内产生的热量（裂变热或衰变热）。在此说明，不论是单向流动系统还是两相流动系统，产生自然循环的原理都是相同的。

2.1 自然循环建立必须具备的条件

在一个回路系统内，存在热源和热阱，且热阱和热源存在高度差，依靠冷段下降流和热段上升流中流体的密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环来建立自然循环，其必须具备的如下条件：

1）系统中必须有热阱和热源之间的高度差，热阱位于上面，热源位于下面；

2）系统冷段和热段中的流体密度必须存在密度差；

3）系统必须在重力场内。

2.2.影响自然循环流量的因素

影响压水堆核电站自然循环的因素主要有：

1）热源与热阱之间的温差，温差越大，自然循环能力越强；

2）热源与热阱之间的位差（高度差），位差越大，自然循环能力越强；

3）管道的流阻，流阻越大，自然循环能力越小；

4）冷却剂中的含汽率会影响自然循环的建立和维持。含汽率的作用有正有负，堆芯表面局部沸腾有助于自然循环，但反应堆上腔积汽会增加流阻不利于自然循环。

综上，压水堆稳态自然循环流量主要与堆功率成正比，与蒸汽发生器和堆芯之间的高度差成正比，与回路系统的总阻力成反比。

3.反应堆自然循环的控制

3.1 自然循环建立的判断依据

压水堆反应堆冷却剂系统失去主泵强迫循环后，机组利用自然循环来导出堆芯的热量。主控室操纵员可以通过如下手段来判断自然循环是否已经建立。

反应堆进入一回路自然循环后，堆芯出口温度稳定或下降，反应堆冷热段的温度存在正向温差（即热段的温度大于冷段的温度），冷热段的温度保持稳定或以相同的趋势下降，具体可通过下述几条原则来判断是否已形成自然循环：

（1）堆芯出口过冷度逐渐下降至稳定；

（2）主系统热段温度逐渐上升至稳定；

（3）堆芯出口热电偶温度逐渐上升至稳定；

（4）主系统冷段温度约处于蒸汽发生器二次侧压力相对应的饱和温度；

3.2 自然循环中断的方法

在自然循环时，由于流速分布的原因，压力壳上腔的水体积基本处于停滞状态。这部分水均来自反应堆堆芯出口，所以温度较高，而过冷度很低。在自然循环冷却堆芯过程中，反应堆冷却剂回路的压力和温度都以一定速率下降，而压力壳上腔停滞的水的温度却下降很慢，使过冷度趋近于零，于是产生汽化。形成含汽率较高的两相流。这些汽泡进一步恶化了压力壳上腔

的冷却条件，而且有部分随自然循环的流动进入蒸汽发生器U形管，从而阻断自然循环流量。

压力壳上部水产生汽化时，由于体积的膨胀，导致稳压器内水位急剧地上升。因而，可根据降温降压过程稳压器水位不正常上升的事实，判断压力壳上部已形成汽腔。

3.3 自然循环的控制

自然循环的目的是将反应堆中的堆芯余热导出，這部分热量不仅包括堆芯核燃料的衰变剩余能量，还要充分考虑一回路冷却剂系统中巨大的热容量和其热量的储存能力。在反应堆冷却剂系统失去强迫循环之处，若堆芯的出口温度在上升，或反应堆冷段的温度在上升，则表示二回路的冷却不足，不足以带走堆芯的余热，可适当调节蒸汽旁排阀门的开度，增大二次侧的冷却，以带走全部堆芯余热；若堆芯出口温度稳定，反应堆冷段的温度保持不变，则表示二回路的冷却刚好带走堆芯的余热；若堆芯的出口温度下降，冷热段的温度以相同的趋势下降，表示二回路的冷却在带走全部堆芯余热的同时还带走了一回路系统的设备潜热，那么，可通过调节蒸汽旁排阀门的开度来调节温度下降的速率。

结合上述说明，在自然循环建立后，为了维持自然循环，操纵员还需要采取各种措施来加强对机组状态的监测和控制，具体来说主要有以下几个方面：

（1）为保持自然循环建立的条件—冷源与热源之间的温差，那就需要二回路系统要有冷却，需要通过给水系统和蒸汽旁排系统配合运行，否则蒸汽发生器中二次侧水循环不畅，随着温度升高，一回路也将停止自然循环。

（2）为了保证冷却得有冷源，二回路要冷却一回路则：TSG

（3）自然循环初期，操纵员需尽快切除二回路系统不必要的蒸汽负荷，以减少过冷效应，防止过冷导致自然循环丧失，堆芯余热导出不畅。同时，利用自然循环进行冷却时还应注意冷却速率不能超过压力容器上封头的冷却速率，防止上封头汽化，导致自然循环中断。

4.结论

压水堆核电厂反应堆冷却剂系统自然循环能力是这种类型核电厂固有的安全性之一。当核电站发生厂用电丧失事故后，主泵全停，反应堆冷却剂系统失去强迫循环，这时一回路系统可以堆芯为热源，以蒸汽发生器为冷源，通过自然循环将堆芯的余热导出。因此，研究压水堆核电厂自然循环的控制对维持自然循环对堆芯的衰变热导出具有重要意义。

参考文献：

[1] 俞冀阳.核电厂系统与运行.北京：清华大学出版社，2016.