池式钠冷快堆电厂运行方案仿真研究

张厚明,段天英,刘国发

(中国原子能科学研究院,北京102413)

池式钠冷快堆电厂主热传输系统方案一般采用钠-钠-水三回路设计,一回路为池式结构[1]。池式钠冷快堆电厂,不能再采用实验快堆所采用的“机跟堆”的运行方案,而应采用“堆跟机”方式,并根据电力需求调整电厂功率,但不参与电网调峰,因此运行方案与实验快堆有很大不同,需要对其仿真研究。

1 池式钠冷快堆电厂各主要系统建模

1.1 堆芯物理模型

六组缓发中子点堆动态方程为：

根据方程(1)建立堆芯物理模型如图1所示。

图1 堆芯物理模型Fig.1 Reac tor physicsmodel

作为一个稳定运行的反应堆裂变产物和辐射俘获产物已经达到平衡,在临界附近,扰动不太大的情况下,可以假设反应堆功率正比于中子密度。

1.2 反应性反馈模型

快堆内比较重要的反应性温度效应包括：结构温度效应、组件弯曲效应、燃料密度效应、冷却剂密度效应、多普勒(Dopp ler)效应等。

堆芯入口冷却剂温度变化时,支撑堆芯的结构将沿径向膨胀或收缩,造成堆芯沿径向膨胀或收缩,从而影响反应性变化。堆芯入口温度对反应性的影响近似为：

同样,燃料密度对反应性的影响近似为：

冷却剂温度变化对反应性的影响近似为：

已经发现,对于装有氧化物燃料的快堆,燃料多普勒效应的反应性与温度的关系几乎严格符合式(5)[2]：

根据方程(2)、(3)、(4)及(6)建立反应性反馈模型如图2所示。

图2 反应性反馈模型Fig.2 Reactivity feedback model

1.3 堆芯热工模型

采用集总参数法描述堆芯换热：

堆芯传给冷却剂的功率可以表示为：

同时,采用集总参数法描述堆芯内冷却剂温度为：

根据方程(7)、(8)、(9)推导并拉氏变换得到堆芯热工传递函数：

根据方程(10)、(11)建立堆芯热工模型如图3所示。

图3 堆芯热工模型Fig.3 Reactor thermalmodel

1.4 冷、热钠池及栅板联箱模型

采用集总参数法描述冷钠池的换热为：

根据方程(12)可以推导出冷钠池的传递函数：

根据方程(13)建立冷钠池模型如图4所示。

同样方法可以得出热钠池和栅板联箱模型如图5、图6所示。

1.5 中间热交换器模型

采用集总参数发描述中间热交换器两侧换热：

一次侧：

对方程(14)、(15)推导及拉氏变换,并对其做出修正,中间热交换器的传递函数为：

根据方程(16)、(17)建立中间热交换器模型如图7所示。

图4 冷钠池模型Fig.4 Cold poo lmodel

图5 栅板联箱模型Fig.5 Distribution header thermalmodel

图6 热钠池模型Fig.6 H ot poolmodel

图7 中间热交换器模型Fig.7 Intermediate heat exchangermodel

1.6 蒸汽发生器模型

根据能量守恒,蒸汽发生器的传热过程为[3]：

对方程(18)推导并进行拉氏变换及修正可以得出蒸汽发生器的传递函数：

根据方程(19)建立蒸汽发生器模型如图8所示。

图8 蒸汽发生器模型Fig.8 Steam generator model

1.7 管道、泵模型

将管道简化为一个延迟环节,简化后的传递函数为：

与管道模型类似,泵流量也可以简化为一个延迟环节。

1.8 功率调节系统模型

池式钠冷快堆电厂采用步进电机来驱动控制棒,采用闭环控制步进电机建立模型如图9所示。

根据上述模型建立池式钠冷快堆电厂模型如图10所示。

图9 功率调节系统模型Fig.9 Pow er regu lation system model

图10 池式钠冷快堆电厂模型Fig.10 PSFRPmodel

2 池式钠冷快堆电厂运行方案简介

池式钠冷快堆电厂采用“堆跟机”的运行方案,但不参与电网调峰。主要有冷却剂流量恒定和可变两种方式,其中冷却剂流量可变方式是较为理想的方式,这种方式下冷却剂流量可以调节,以缓和温度变化对反应堆材料的热应力冲击。流量控制还可以缩短反应堆启动和停堆时间,改善反应堆对负荷的跟踪性能,但冷却剂泵的驱动机构及控制系统较为复杂。根据Evans(1967)和Know les(1976)对控制系统的构思[4],池式钠冷快堆电厂运行方案如图11所示。

图11 池式钠冷快堆电厂运行方案简图Fig.11 PSFRP operation plan sketch

3 运行方案仿真研究

3.1 运行基本假设、初始条件及扰动类型

假设只有一根调节棒参与功率调节。假设同一环路中不同中间热交换器、蒸汽发生器、出入口温度等参数变化一致,也即同一环路中不同中间热交换器、蒸汽发生器的参数没有差别。参照BN800各参数,仿真初始条件及各参数如表1所示。

表1 仿真初始条件及参数Table 1 Simulation initia lization and parameters

扰动类型：

引入扰动类型包括反应性扰动、钠流量扰动和负荷扰动。池式钠冷快堆电厂运行中,可能出现反应性受某种扰动。一、二回路流量受某种扰动,诸如可能出现阀门误动作导致流量降低。对于动力堆控制系统,要求甩负荷10%的情况下不触发停堆[3],因此选取各种扰动类型如表2所示。

表2 各种扰动类型Table 2 Various types of disturbance

3.2 各扰动下仿真结果

3.2.1 反应性扰动仿真结果

反应性扰动仿真结果如图12所示。

3.2.2 一回路流量扰动仿真结果

一回路流量扰动仿真结果如图13所示。

3.2.3 二回路流量扰动仿真结果

二回路流量扰动仿真结果如图14所示。

3.2.4 负荷扰动仿真结果

负荷扰动仿真结果如图15所示。

图12 反应性扰动仿真结果Fig.12 Simu lation result of reactivity disturbance

图13 一回路流量扰动仿真结果Fig.13 Simu lation resu lto f the primary flow turbulence

图14 二回路流量扰动仿真结果Fig.14 Simulation resu lt of the secondary flow turbu lence

图15 负荷降低10%仿真结果Fig.15 Simu lation result of load falling by 10%

4 结论

结果表明上述“堆跟机”运行方案,在反应性、一、二回路流量扰动及负荷扰动下池式钠冷快堆电厂运行良好。其中,反应性扰动对池式钠冷快堆电厂的影响较小。一回路流量扰动对堆功率影响较小,但对中间热交换器各温度影响较大,二回路流量扰动对堆功率影响很小,对二回路各温度影响较大。在负荷降低时,堆功率及流量均随负荷下降,各温度均有变化,最终稳定在额定值附近。这表明此方案在各种扰动下均满足运行要求。

[1] 张东辉.中国示范快堆技术选择探讨[J].中国核电,2008.1(2)：134-139.

[2] 苏著亭,叶长源,阎凤文,等.钠冷快增殖堆[M].北京：原子能出版社,1990：154,350.

[3] 段天英.中国实验快堆控制系统的仿真研究[D].中国原子能科学研究院,1999.

[4] A.M.贾德.快堆工程引论[M].北京：原子能出版社,1992：59-70,185-188.