非能动IVR-ERVC试验装置的流动特性初步研究

唐超力 匡 波 刘鹏飞 朱 晨 王 凡

（上海交通大学 核科学与工程学院 上海 200240）

非能动IVR-ERVC试验装置的流动特性初步研究

唐超力 匡 波 刘鹏飞 朱 晨 王 凡

（上海交通大学 核科学与工程学院 上海 200240）

本文采用RELAP5/MOD3对全高度非能动的压力容器外部冷却(External Reactor Vessel Cooling, ERVC)一维传热与流动特性试验装置REPEC-II，进行了装置流道流动特性的预测计算，并结合REPEC-II的部分工况的试验结果，初步分析了ERVC流道的自然循环能力与循环流动特性。计算结果与实测数据之间一致性较好；可视化观测与计算、实测结果之间互相印证，揭示了部分流道流动及不稳定性机理特征；运用模拟与预测计算还可进一步研究装置的流道流动特性，并用于后续试验与应用的规划与优化。

IVR-ERVC，流道流动特性，工程验证试验，RELAP5

在堆芯熔融严重事故晚期，熔融物重定位于反应堆压力容器下封头，威胁压力容器完整性，下封头一旦熔穿，可能带来后续一系列堆外事故现象与放射性泄漏风险。实施堆腔注水，冷却水淹没压力容器外壁，靠压力容器-保温层流道中自然循环流动及下封头外壁的沸腾换热，非能动地移出熔融物热量，使其能滞留于压力容器内(In-Vessel Retention, IVR)[1]。这种非能动的压力容器外部冷却(External Reactor Vessel Cooling, ERVC)方案，是当前不少大型先进压水堆采用的一种重要严重事故缓解措施，一旦得以成功实施，可避免堆芯熔融后进一步更复杂的堆外事故现象与放射性泄漏风险，提高反应堆安全性能[2]；IVR-ERVC已被AP1000[3]、APR1400[4]、CAP1400[5]等广泛采用。

针对这一工程应用背景与IVR-ERVC措施有效性验证的需求，上海交通大学建设了用于工程验证的全高度非能动ERVC一维传热与流动特性试验装置REPEC-II。本文针对REPEC-II部分工况试验中流道流动参数，结合RELAP5/MOD3的相应计算，初步分析ERVC流道自然循环能力与特性。

1 试验装置与试验内容

为模拟某非能动大型先进压水堆实施IVR-ERVC的流动特征与传热行为，REPEC-II试验装置设计为一个高约12 m的两相自然循环系统，为一个全高度的工程试验装置，用于进行大型先进压水堆实施IVR-ERVC时下封头临界热通量及流道流动特性的工程验证，其流道一维轮廓以及进出口组件形式完全取自原型；整个上升侧入口段、加热段（弧形保温层流道）、上升段（压力容器筒身流道）及出口段流通截面与原型相比按固定比例选取，各区段流道之间也完全按原型过渡。REPEC-II试验回路系统回路如图1所示。

图1 REPEC-II试验主装置示意图Fig.1 Schematic diagram of REPEC-II experiment facility.

利用REPEC-II试验装置主要进行ERVC流动与传热相关的两类试验，即临界热通量(Critical Heat Flux, CHF)试验与流道流动试验。在临界热通量试验中，针对试验本体上各临界热通量测点，整个本体上沿方位角θ=0°-90°加热功率分布形状按特定的功率整形原则给出。针对部分测点(θ =15°、30°、45°、60°、75°、90°)的临界热通量试验中，图2给出了本体加热功率沿θ方位角的6种归一化功率形状分布（分别记为PS-15、PS-30、PS-45、PS-60、PS-75和PS-90）。按整形功率形状分布，逐步提升加热功率，直至测点附近监测到本体壁温飞升，即确定该处ERVC限值（临界热通量）。

图2 试验中归一化的热流形状因子Fig.2 Heating flux shape factor.

流道流动特性试验则以本体未发生温度飞升的临界热通量前(pre-CHF)各功率水平下系统自然循环流动特性试验为主，试验研究ERVC不同加热功率水平与不同功率分布条件下，装置回路中各区段阻力、自然循环能力、流动稳定性等行为特征。这也是本文研究关注的重点。

2 RELAP5对流动试验工况的模拟计算

在试验的同时，为对REPEC-II在工程验证试验中的流道流动及阻力特性进行预测评估，本文还利用RELAP5/MOD3对各流道流动试验工况进行数值计算与模拟。针对REPEC-II装置及试验过程，建立节点模型，相关节点图如图3所示。

图3 REPEC-II试验装置的RELAP模型节点图Fig.3 RELAP5 input model for REPEC-II experimental loop.

在所建立的RELAP模型中，各相关热力参数与几何参数取值与REPEC-II装置及有关试验工况完全相同。其中：控制体140为试验段入口空间（进口组件后空间）；201为压力容器-保温层流道，共分为30个节点，各节点与水平方向夹角分别为1.5°、4.5°、7.5°、……、84.5°和87.5°；每一节点左侧（图3中阴影部分）对应相应的热构件；控制体202、301、302、110均共分10个节点，分别模拟下水箱（对应堆腔）、上升段1（对应压力容器筒身-保温层间流道）、上升段2（对应保温层-堆腔内壁之间的空间）、下降段（堆腔入口流道）；控制体820、821、822、823则分别模拟上水箱（出口组件空间、主管道环廊及冷却水所在空间），TDV800模拟（安全壳）大气。

3 REPEC-II流道流动特性及有关的影响因素

REPEC-II验证试验装置在试验中的两相自然循环运行特性，反映了其原型的流动特征。通过对REPEC-II装置相关自然循环流动能力与阻力特性的分析研究，可初步预测大型先进压水堆实施IVR-ERVC时可能的循环流动行为，及其对ERVC冷却能力限值的影响。因此，本文结合REPEC-II部分工况试验的实测数据及对应的RELAP计算结果，分析其流道流动特性与相关因素的影响。

3.1 REPEC-II中的两相自然循环流动与阻力特性

非能动的IVR-ERVC措施基于两相自然循环排出热量，压力容器下封头外壁在自然循环流动条件下的冷却能力限值（以临界热通量CHF反映），要显著大于下封头浸没于冷却水中的自然对流条件下的外部冷却能力。相应地，在REPEC-II装置回路上升侧，由堆腔模拟体——下水箱进入的冷却水由入口空间流过进口组件（称“加热段入口”），进入模拟压力容器-保温层间隙的弧形流道（称“加热段”）；模拟压力容器下封头外壁的试验本体按照一定功率形状分布，对弧形流道中冷却水加热，直至发生局部沸腾，被加热的冷却水离开弧形流道经上升管（称“上升段”），出口组件及前后空间（称“上升段出口”），进入上水箱后向下回流至下水箱，由此形成非能动ERVC的两相自然循环，循环完全由上升下降通道间流体密度差驱动。

非能动ERVC自然循环能力取决于浮升力与阻力之间竞争与平衡。回路中浮力更大程度取决于热源（熔融物衰变热源）大小、分布、位置，以及本体表面沸腾换热与相分布情况；考虑到实际实施IVR-ERVC时热源及下封头巨大的热惯性，热源方面因素几乎可视为不变；沸腾换热及相分布情况则取决于本体局域几何与表面条件，以及回路系统的流道。而循环阻力特性则主要与流道几何形状及其流体的相分布情况有关。

通过试验水位为8 m，保温层流道进、出口面积比为0.6:1，入口水温为100 °C（自由液面处饱和温度）的一组基准试验工况，考察REPEC-II装置两相自然循环回路中典型的相分布情况。就该组试验工况而言，与某典型循环流量(10 kg·s-1)相应的加热流道入口过冷度估算为：

在相应工况条件下，ERVC流道各处达到临界热通量时所对应的加热功率最高约达350 kW，但完全不足以将入口过冷度补偿至出口饱和态。显然，在ERVC弧形加热流道各截面，从加热段入口直至其出口都有较大过冷度，故沸腾加热段内蒸汽产生与冷凝非平衡共存。因此，在REPEC-II试验中，上升侧的“加热段”两相区伴有强烈汽相冷凝，除按加热功率分布峰值处有稍高汽相外，其他各处产生的汽相都不高；而“上升段”很大一部分流道几乎非常接近于单相流动；而上升管出口至上水箱底部区段（即“上升段出口”），因向上流动静压降低，以及流速减慢，发生显著的闪蒸现象，剧烈生成大量汽泡并浮升；结合相应可视化图像可明确看到这一点：图4是试验水位为8 m，保温层流道进、出口面积比为0.6:1，入口水温为100 °C，采用PS-90功率分布形状，总功率为250 kW时的试验过程中加热段、上升段及上升段出口典型位置视窗中获得的相应可视化图像。至于回路下降侧直至“加热段入口”，则几乎均为单相流动。

图4 加热功率为250 kW时，加热段(a)、上升段中部(b)及上升段出口(c)视窗中获得的相应可视化图像Fig.4 Visual observation at flow channel (a), middle of riser1 (b) and exit of riser1 (c) with total heating power of 250 kW.

3.2 REPEC-II的自然循环能力及阻力特性

除了下封头外壁流道各处局部因素，如：下封头外壁热流分布、加热面局部几何条件、当地沸腾汽相行为与两相对流特性，以及换热条件等以外，包括ERVC两相自然循环能力（循环流量G）、各区段（特别是上升侧）压降等在内的回路系统流动与阻力特性，对压力容器外部冷却能力也有影响。不同加热功率条件下自然循环流量变化的规律，反映ERVC流动和传热状况，同时也反映非能动ERVC系统自然循环能力。

取试验水位为8 m，保温层流道进、出口面积比为0.6:1、入口水温为100 °C的一组基准工况试验结果了解REPEC-II的自然循环能力及其阻力特性。图5为装置分别采用图2中PS-15、PS-30、PS-45、 PS-60、PS-75、PS-90功率分布形状加热时，循环流量随加热功率变化规律的部分实测结果。可以看到，尽管各试验工况功率分布形状有所不同，但循环流量随加热功率变化规律比较接近。图5还给出了以PS-90功率分布形状进行加热的工况中，装置流量随加热功率变化的试验测量值与相应RELAP5模拟计算结果之对比。可见，数值模拟计算结果与试验数据符合较好。试验与计算所反映的装置自然循环特性表明，在流道任何位置达到临界热通量前，回路自然循环能力随加热功率而增加，加热表面换热能力与系统输热能力也随流量而增强。由图5还可看到，流量先随加热功率快速增长，然后增速趋缓。这表明随着加热功率增加，有可能出现自然循环能力的“饱和”，这“饱和”现象对ERVC不利，有可能进一步导致传热恶化，出现沸腾危机。这也是影响ERVC临界热通量系统方面的一个因素。

在非能动ERVC系统中，阻力特性是影响自然循环能力的重要因素。图6给出了某试验工况（本体采用PS-90功率形状因子加热，水位8 m，进出口面积比0.6:1，入口水温100 °C）时，REPEC-II加热入口段、加热段、上升段、上升段出口等处压降在CHF前的各功率水平上随循环流量的变化趋势的实测值。

图5 加热功率对循环流量影响的实测与RELAP模拟计算结果之对比Fig.5 Circulation flow rate for different input powers by experiment and calculation.

图6 压降随流量的变化趋势(a) 加热段入口处，(b) 加热段，(c) 上升段，(d) 上升段出口处Fig.6 Pressure drop over flow rate. (a) The Inlet of heating section, (b) Heating section, (c) The riser1, (d) The outlet of the riser1

由图6(a)、(c)可见，在加热入口段（入口组件两侧），以及上升段（不含上升段出口附近区段），其中以单相流动为主，加速与摩阻压降所占份额又不大，故实测压降以液相重位压降为主，随流量变化不大，且阻力特性非常确定。

对本体加热段来说，因沸腾产生大量汽相，该区段的净蒸汽是整个循环中主要浮升驱动力，循环流量随加热功率而增大。同时，因加热段内主流过冷度较大，产生的蒸汽又迅速冷凝，因此，在自然循环流量不高（加热功率也不高）的情况下，除了在近加热壁热流峰值处空泡份额较高，甚至有较大块状汽泡外，其他较远的区域几乎都是呈现很小的汽泡在加热面上滑移流动的过冷沸腾状况，流道内（平均）空泡份额较低；加热段向上升段的出口处空泡份额也因冷凝殆尽而非常低，几乎无明显汽泡流出。这样，流道压降特性以单相重位压降为主，循环流量稍增压降也几乎无变化；随着加热功率进一步增加，自然循环流量也有所增加，相应地，空泡份额也有所增加，然而仍然是由于加热段内过冷度较大，较强的冷凝致使加热段内空泡份额平均起来也不高，且在自然循环较低流量下，加速与摩阻压降份额很低，实测到的仍以液相重位压降为主，只是由于净蒸汽量（空泡份额）随着循环流量（加热功率）而有一定程度增加，故压降随自然循环流量增加而略有降低，此阻力特性参见图6(b)。

至上升管出口段，可视化观测表明，显著的闪蒸是该段重要特征，该段流道内含有大量闪蒸汽泡，体积含汽率较高，是REPEC-II回路自然循环的另一个驱动力源；同时该处流道设计相当重要，务求尽可能减小形阻。然该区段较短，因闪蒸所致流动加速未及发展，反而因闪蒸随加热功率增加而致此处体积含汽率陡增，重位压降急剧下降，且该趋势超过摩阻随流量而增加的趋势，形成该段实测压降随自然循环流量增加而明显降低的阻力特性，参见图6(d)。

由图6还可以看到，上升侧各段压降随流量的实测数据与以RELAP5进行相应模拟的结果基本符合，反映了计算可靠性，也为进一步深入分析REPEC-II装置流动特性奠定了基础。

3.3 若干参数对自然循环能力的影响

3.3.1 加热段几何形状的影响

ERVC加热流道（REPEC-II中的加热段）主要由压力容器下封头外壁和保温层构成，流道几何形状与尺寸对ERVC自然循环能力、阻力特性以及ERVC冷却能力限值（临界热通量）都会带来影响，在实际设计中有必要优化流道；此外，实际实施IVR-ERVC时，压力容器处于热态，下封头有可能由于高温及熔融物重量等原因而拉长变形以致“下沉”，所以实际条件也会使加热流道有一定程度改变，对ERVC过程有一定影响。为考察加热段几何形状对ERVC自然循环之影响，在试验过程中，保持加热段出口流通面积B3不变，通过调节改变REPEC-II装置加热段的几何形状与尺寸，从而进行流道敏感性研究。共采用了如图7所示的3种流道，各进出口截面比分别为：A1: A2: A3= 0.45 : 0.6 : 1，且A3= B3。

图7 不同加热流道截面形状示意图Fig.7 Schematic diagram at different flow channel sections.

图8 给出了在加热段不同的几何条件下，采用PS-90功率形状因子，水位为8 m，入口水温为100°C时，3种加热段流道对ERVC自然循环流量影响的试验结果，以及RELAP计算模拟结果。可以看到，不同几何形状尺寸的（渐扩或等截面）加热段流道，进出口截面比越大，循环流量随加热功率增加越显著；而在不同加热功率条件下，循环流量随加热段流道进出口截面比变化的趋势有所不同，循环流量随流道进出口截面比变化有一个最大值，当加热功率达到一定值时，等截面流道的自然循环能力最大。因此，考虑到自然循环流量对临界热通量的正相关影响，当考虑加热段流道宜采用等截面或较高进出口截面比的形式。

图8 加热流道尺寸对自然循环流量的影响Fig.8 Circulation flow rate at different flow channel sections.

3.3.2 堆腔淹没水位对ERVC循环流动的影响

在发生严重事故时，IVR-ERVC策略是迅速向堆腔进行注入冷却水。冷却水水位高低对ERVC自然循环能力有一定的影响。在试验过程中，我们分别选取了7.5 m、8.0 m、8.5 m、9.0 m进行水位敏感性试验。

图9给出了在采用PS-90功率形状因子，进出口面积比为0.6:1，入口水温为100 °C时，堆腔注水水位对ERVC自然循环之影响的试验与计算结果。可以看到，水位越高，对于REPEC-II装置而言，其自然循环流量就越小，且水位提升使自然循环流量减小的影响随实际水位的增加而趋缓。在较低功率和较高功率水平下，REPEC-II装置系统均呈现这一规律。当然，堆腔注水水位也不可过低，过低则甚至无法形成有效的自然循环，则ERVC流道中的沸腾过程则更近于池沸腾，其中是自然对流而非自然循环，也有可能使临界热通量过低。所以各个堆型应根据ERVC系统实际结构，选取合适的堆腔注水水位，使堆腔淹没即可较好促进自然循环，也不能因水位过低造成自然循环中断。

图9 水位对自然循环流量的影响Fig.9 Circulation flow rate at different flooding water levels.

3.3.3 冷却水温对ERVC循环流动的影响

就ERVC能力而言，当加热流道入口水温越低（入口欠热度越大），则流道内沸腾换热离临界热通量就越远，显然，冷却水具有一定欠热度对提高ERVC热负荷有效性裕量是有利的。仅就ERVC加热流道入口冷却水温而言，当其约100 °C（即堆腔注水的自由液面温度）时，此时对ERVC能力的评估是最保守的。然而，实际情况则是：入口水温往往低于100 °C，即具有更大的入口欠热度。与此同时，入口冷却水温对ERVC循环流动也有一定的影响，从而间接影响ERVC沸腾换热。

图10 加热流道入口处冷却水温对自然循环流量的影响Fig.10 Circulation flow rate at different inlet water temperatures.

图10 给出了在较低入口欠热度范围内，在采用PS-90功率形状因子，水位为8 m，进出口面积比为0.6:1时，ERVC加热流道入口处冷却水温对自然循环流动的影响。可以看到在功率较低时，上升管中产生的气相均较少，自然循环的驱动力主要来自于试验段处过冷沸腾产生的气相而产生的密度差，故在较低功率水平时，随欠热度的减小，流量的增幅并不大。在功率较高时，上升管中闪蒸而产生的驱动力占较大的份额，而欠热度的增大对闪蒸是极为不利的，故在较高功率水平时，随欠热度的减小，流量的增幅较大。

3.4 试验中典型的闪蒸喷发现象及其诱发的流动不稳定性

在自然循环流动过程中，两相流动不稳定性不仅会对ERVC局部传热特性产生影响，也有可能使流道部件遭受强迫振动，对保温层结构带来一定的水动力载荷。除了在很低加热功率条件下，ERVC回路偶尔能观测到振动较大的喷泉不稳定性外[6]，在REPEC-II试验较广的加热功率范围内，更容易发现一种典型的闪蒸喷发不稳定性现象[7]，在试验与计算模拟中均可发现这一周期振荡的流动不稳定性现象。

在REPEC-II试验装置中采用PS-90功率形状因子，水位为8 m，进出口面积比为0.6:1时，控制ERVC流道入口水位约为100 °C，功率水平为140 kW，由于位置水头原因，整个REPEC-II的ERVC上升侧流道（圆弧加热流道+上升段+上水箱）下部加热区处于过冷状态，经处于低位的流道加热后，局域沸腾产生汽泡又发生凝结；然而，当加热段出来的热水浮升流至上升段近出口处时，因上部压力降低，突然发生闪蒸(Flash)，从而导致上升段出口处会再次出现大量汽相向上喷发。由于该闪蒸喷发现象的存在，可能造成系统流量的振荡，而流量振荡又影响流体在上升段达到饱和温度发生闪蒸的高度，进而影响到上升段出口处的空泡份额。上升段闪蒸汽泡较多时，自然循环驱动力较大，也产生较大的反馈流量。较大反馈流量流经加热段，故使加热段出口流体温度下降，这又使上升段中发生闪蒸起始点上升，造成闪蒸汽化区域减小，又造成驱动力减小，使得反馈流量减小，小流量流过加热段，又使加热段出口温度上升，闪蒸汽泡增多，又引起大流量的反馈。可见一旦闪蒸速率与自然循环系统流量振荡耦合“谐振”起来，则可能诱发自然循环流动不稳定性。

采用RELAP5数值模拟计算与实际试验的测量结果均验证了REPEC-II试验过程中的闪蒸喷发现象，及其诱发的自然循环流动不稳定性的存在。

图11展示了某次试验中在上升段出口附近用高速摄影拍摄的闪蒸所形成的空泡份额振荡、相应的循环流量、上升段出口处（出口组件两侧）压降以及三者之间对应关系。可以看到，该工况中的流动不稳定性振荡的频率极低，约为0.03 Hz。由此也初步验证了系统循环流量与压降脉动中极低频成分正是来自于上升管出口闪蒸振荡影响；装置系统中正经历闪蒸诱发的自然循环流动不稳定性。

图11 上升段出口处发生闪蒸喷发不稳定性时的可视化观测与热工水力参数随时间变化的趋势图Fig.11 Visual observation and thermal-hydraulic parameters variation of time under flashing eruption instability condition at the outlet of ascent section.

4 结语

本文对大型先进压水堆IVR-ERVC工程试验装置REPEC-II的流动特性，特别是自然循环能力进行了初步研究。通过RELAP程序的数值模拟计算，并且与REPEC-II试验中相关实测数据和可视化观测结果进行对比印证，初步表明了相关的RELAP建模及自然循环流动模拟计算的可靠性，也说明基于模拟预测计算，可为进一步深入分析装置的流动特性，并进行后续试验规划提供依据。同时，还得到以下初步规律与结论：

(1) 在压力容器外部冷却中，自然循环流量随加热功率增加而先快速增长，而后增速趋缓甚至达到“饱和”，表明在较大加热功率下，有可能出现自然循环能力不足，导致传热恶化，甚至使局域达到沸腾临界；

(2) 在保持弧形ERVC加热流道出口截面不变情况下，随着入口流道尺寸减小，自然循环能力也逐渐减弱，但并不明显；对传热及临界热通量影响则应试验考察；

(3) 在系统实现有效的自然循环后，水位越高，循环流量越小，在低欠热度范围内，随着冷却水温增大，系统自然循环流量增大；

(4) 进一步地，在REPEC-II的系统数值模拟计算与试验中，发现了典型的闪蒸喷发现象，并通过实测数据、可视化观测以及计算模拟对特定工况条件下闪蒸诱发的自然循环流动不稳定性进行了初步确认。

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CLCTL364

Preliminary analysis of channel flow characteristics in the passive IVR-ERVC experimental facility

TANG Chaoli KUANG Bo LIU Pengfei ZHU Chen WANG Fan
(School of Nuclear Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Background: Through External Reactor Vessel Cooling (ERVC) to achieve the aim of In-Vessel Retention (IVR) is an important severe accident mitigation measure. After the Fukushima nuclear power plant severe accident, IVR-ERVC gains more and more attention. A full-scale IVR-ERVC engineering verification facility REPEC-II was constructed by Shanghai Jiao Tong University. Purpose: To study in-vessel retention by external reactor vessel cooling in large-scale advanced pressurized water reactor under severe accident conditions and meet the demand of verifying the validity of severe accident mitigation. Methods: The flow characteristics of the passages in some parts of the experiment conditions were calculated by RELAP5/MOD3. The natural circulation flow capabilities and features and the typical flashing eruption phenomenon in the experiment on the REPEC-II were preliminarily analyzed. Results and Conclusion: Comparative analysis showed that the calculated results were consistent well with the measured data and visual observation, and basically reflected the reliability of the calculations. Preliminary indication of the flow characteristics of the facility can be further analyzed in-depth, and applied to plan of follow-up experiments.

IVR-ERVC, Channel flow characteristics, Engineering verification experiment, RELAP5

TL364

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120604

No.51076091)、重大专项ERVC全尺寸下封头外壁临界热通量和流道流动试验(No.2010ZX06002-004)资助

唐超力，男，1989年出生，2012年毕业于华北电力大学，研究领域为核工程与核技术

匡波，E-mail: bkuang@sjtu.edu.cn

2014-09-04，

2014-10-12