反应堆自然循环运行研究

牟小磊

（大亚湾核电运营管理责任有限公司，广东 深圳 518124）

1 引言

电网环境错综复杂，受诸多因素的影响，外电源丧失后，反应堆主泵停运就会失去强迫循环，导致冷却效率降低，堆芯由于放射性衰变等因素仍会发出小部分功率。，此时需要依靠自然循环进行余热导出。本文从自然循环原理出发，分析了维持自然循环的条件、找出判断自然循环是否形成的依据，以及自然循环下的控制要点。

2 自然循环的定义

广义上的自然循环，是指在封闭的回路系统中，存在热源和冷源，且热源和冷源存在高度差，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循环。

从自然循环定义中我们可以看出，建立自然循环必须具备以下条件：

①系统中必须存在热源和冷源；

②热源和冷源中存在高度差，热源在下面，冷源在上面；

③系统冷段和热段中的流体存在密度差。

3 自然循环工作原理

自然循环的工作原理为：工质依靠上升管受热所产生的密度差沿着闭合的路线运动。

简单循环压差平衡式：

其中，h、hi为下降管的高度（即循环回路的高度）及上升管各区段的高度，单位m；

Δpxj、Δpss下降管及上升管流动阻力损失，单位Pa。

与运动压头相对应的是阻力压头，取决于管路特性以及流速等因素，当运动压头与阻力压头相等时，自然循环流动达到平衡状态，此时的循环流量和压差即为工作流程和工作压差（A点）。

4 反应堆自然循环

4.1 反应堆内自然循环的冷段和热段

根据通用压水反应堆一回路的几何结构，将下面几部分定义为热段：①堆芯；②蒸汽发生器与堆芯之间的热段；③蒸汽发生器U型管的上行段。

将下面几部分定义为冷段：①蒸汽发生器U型管的下行段；②蒸汽发生器和堆芯之间的冷段；③反应堆压力容器内堆水的下降通道。

4.2 反应堆内自然循环的冷源和热源

冷源是3个蒸汽发生器，热量以下列两种方式带出：①将进入蒸汽发生器中较冷的水加热成饱和水；②饱和水吸热变成饱和蒸汽排往大气。

热源可能的能量来源有以下几种：核裂变，剩余功率，镐-水反应，主泵，在所有主泵停运、反应堆停堆时，自然循环的热源包括以下几种可能的来源：①核裂变产物的衰变；②U238捕获产物的衰变；③缓发中子产生的剩余裂变；④一回路结构材料所产生的热量。

5 反应堆自然循环影响因素分析

根据广义自然循环的定义，可以得到影响反应堆自然循环的因素具体影响如下。

①冷源和热源的温差，温差越大，自然循环能力越强；

②冷源和热源的位差，位差越大，自然循环能力越强；

③管道的延程阻力，阻力越大，自然循环能力越弱。

冷却剂中的含汽率，含汽率的作用对自然循环含有双重性，堆芯表面局部沸腾可以增强冷却剂和燃料组件的热量交换，有助于自然循环的建立和维持。但反应堆上腔积汽会增加环路的流阻，阻碍自然循环。而在两相流动，较高含汽率下，可能引起流量的不稳定性，会阻碍甚至终止自然循环。

不凝结气体，对自然循环起阻碍作用，不凝结气体越多，对自然循环的阻碍越强。

图1 自然循环变化趋势

根据传热公式Pth=QfCP(Thot-Tcold），反应堆进入自然循环后，一回路冷段和热段温度变化为：如下。

刚跳堆时：堆芯热负荷Pth由100%下降到10%以下，由于主泵惰转流量Qf变化不大，所以温差(Thot-Tcold）由变小，也即Thot变化大，Tcold变化相对小，总体而言△T变小，见t1点。

到时间t2：Pth变化较小，而随主泵转速迅速下降，流量Qf变小，Thot变大。

主泵停转后，Pth不变，流量Qf变化不大，温差 (Thot-Tcold）保持不变，即t3时的状态。

堆芯的燃耗将会影响停堆后的裂变产物和U-238俘获产物的衰变功率，燃耗越深，裂变产物和衰变产物衰变功率越大。

蒸汽发生器一次侧的上升段为热段，下降段为冷段，二次侧的冷却将使冷段和热段的温度同时下降，且热段下降的幅度更大，热段温度下过多降将使自然循环的驱动力减弱，因此说蒸汽发生器二次侧的冷却要适中，过度的冷却反而会阻碍自然循环的形成和建立，而这种效应在堆芯是冷堆芯时，冷却剂流经堆芯时密度变化不大时尤为明显。

二次侧过大的冷却速率将导致自然循环的驱动压头（密度差压头—Pm=-∮ρgdz）下降，自然循环的减弱或中断，在堆芯是冷堆芯时，能造成自然循环终止甚至可能造成流量反转。

由于压力容器上封头内冷却剂流动减弱，过度冷却可能引起上封头冷却剂汽化，这不仅会减弱自然循环的循环动力，也对设备造成冲击。

一回路系统存在不凝结气体或压力容器上封头汽化时，均会增加自然循环的阻力。

6 反应堆自然循环控制建议

6.1 自然循环形成判断依据

主泵停运后，机组利用自然循环到处堆芯热量，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形成。

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，可判断已形成自然循环。

自然循环的目的是导出堆芯的余热，在考虑堆芯剩余能量与蒸汽发生器冷却的同时，要充分考虑一回路冷却剂系统巨大的热容量和其热量的储存能力。

如果堆芯的出口温度在上升，或反应堆冷腿的温度在上升，表示二回路的冷却不足，不足以带走堆芯的余热，能量应调节GCT的开度，加大二次侧的冷却，以带走全部堆芯余热。

如果堆芯出口温度稳定，反应堆冷腿的温度在保持不变，表示二回路的冷却刚好带走堆芯的余热。

如果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，温度下降的速率可通过调节GCT的开度进行调节。

6.2 自然循环控制建议

根据前述论证，为了维持已经存在的自然循环，需要采取各种措施来加强监测和控制，具体来说有以下几点：。

为保持温差，二回路要有冷却，即要有ASG的给水及GCT的排放，否则SG内二回路将是死水，随着温度升高，一回路将停止自然循环。

为了保证冷却得有冷源，二回路要冷却一回路则：TSG＜Tcold而TSG对应得饱和压力即PSG，所以要保证PSG＜Psatcold。

自然循环初期，操纵员应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。

利用自然循环进行冷却要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。