安全壳卸压排放过程模化分析

高志超，曹学武

(上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

当反应堆发生事故时，如果安全壳内的热量不能导出，壳内压力将会持续上升。此时，安全壳过滤排放系统将是一种可能采用的卸压手段[1]。安全壳过滤排放系统有很多种，包括沙床式过滤排放系统、干式过滤排放系统、湿式与金属纤维联合过滤排放系统等[2-3]。除此之外，将安全壳内的气体直接排放到乏燃料水池中也是一种卸压方式。

在开展实验设计时，往往需要进行模化分析。因此，需对安全壳卸压排放过程的模化分析方法进行研究。Ishii等[4]在研究简化沸水堆中不同于沸水堆的独特安全系统的性能和相互作用时，开发了三尺度缩放方法。Jose等[5]在研究AP600的ADS卸压过程时，以H2TS方法为基础，开发了ASM模化分析方法。除此之外，对于池内蒸汽喷射冷凝现象，国内外已开展了大量的实验研究。Chun等[6]和Zhang等[7]分别对单孔鼓泡器的喷射长度和ADS卸压过程中水池内的混合现象进行了研究。Song[8]在研究APR1400内置换料水箱中的热交换过程时认为，池内的整体热力学状态、鼓泡器附近的凝结和混合、蒸汽射流长度、射流特性、池表面扰动和凝结状态等现象为描述蒸汽喷射冷凝过程的重要现象。

本文对安全壳卸压排放过程模化分析方法进行探讨，并结合文献中的实验研究结果，对该过程中的重要现象及相似准则进行讨论。

1 安全壳卸压排放过程

以乏燃料水池作为洗涤过滤装置的安全壳卸压排放过程是将乏燃料水池作为热阱，将安全壳内的混合气体通过鼓泡器排入乏燃料水池中，通过高温气体与过冷水的直接接触进行能量交换，如图1所示。安全壳卸压排放过程涉及到多种热工水力现象，在对实验原型进行比例缩放之前需对这些现象进行分析、评估，以保证实验装置与原型在现象上的相似。

2 PIRT分析方法

现象过程识别与排序表(PIRT)能向研究人员提供反应堆特定事故场景下的各种现象及其重要程度等信息，以方便研究人员在研究过程中对事故场景进行适当的、有侧重的简化[9]。为得到真实可靠的安全壳卸压排放过程中涉及的热工水力现象及其重要程度，利用现有的类似卸压过程PIRT中涉及的现象及相关验证性试验装置搭建经验和实验研究结果，开发了一套针对安全壳卸压排放过程的关键现象识别及重要性的分析方法。

PIRT的主要内容包括两部分，一部分是通过甄别分析得到关键现象，另一部分是关键现象的重要度排序结果。PIRT根据每个现象的重要程度由高至低依次将其分为H、M、L、I 4级[10]，分别代表高重要度现象、中等重要度现象、低重要度现象及不相干现象。

本文采用的分析方法建立在现有类似过程的PIRT分析结果和相关模化实验结果的基础上，考虑以下3个问题，来对安全壳卸压排放过程中的关键现象进行识别与重要度排序：1) 在安全壳卸压排放过程中是否会发生这个现象；2) 这种现象是否会影响所研究的内容，如果影响会有多大；3) 对这一现象是否有足够的理解，目前的研究结果如何。

图2示出关键现象识别及重要度分析方法框图。如果待分析现象不会在给定位置的给定事故阶段发生，则类似现象的PIRT结果不适用，判断该现象为不相干现象，为I级。如果一个现象会发生，但不会对热工水力过程产生影响，则认为其重要性较低，为L级。如果这种现象会对热工水力过程产生影响，则需根据目前对这种现象的理解，来判断这种现象对热工水力过程的影响程度，对于影响程度小的，根据目前研究对其理解，将其重要性认定为L级或M级。如果这一现象会对蒸汽冷凝相关现象产生很大影响，那么需根据目前的研究成果进行判断，假设对该现象已研究透彻，则根据实际情况认定其为M级或H级；若该现象研究不透彻，则认定其为H级。

图2 关键现象识别及重要度分析方法框图Fig.2 Flowchart of key phenomena identification and ranking analysis method

3 PIRT分析结果

安全壳卸压排放过程与压水堆一回路卸压、沸水堆卸压、蒸汽与水直接接触冷凝等过程类似，这些卸压及冷凝过程所涉及的部件结构及流动工质与安全壳卸压排放过程基本一致，因此可为安全壳卸压过程的PIRT分析提供借鉴意义。参考AP系列压水堆一回路卸压过程的PIRT[9]，对比相关缩放实验及实验研究结果[4-8,11-13]，对在安全壳卸压排放过程中所涉及现象的重要程度进行评级，得到了安全壳卸压排放过程的PIRT，结果列于表1、2。

表1 排放管线及鼓泡器中相关现象的PIRTTable 1 PIRT of phenomena in vent line and sparger

表2 乏燃料水池相关现象的PIRTTable 2 PIRT of phenomena in spent fuel pool

以排放管线及鼓泡器中相关现象的PIRT中的几何尺寸现象为例，对排放管线及鼓泡器中每个现象的重要度评级过程进行举例说明：几何尺寸是指组件的几何形状、大小对流出组件的临界流量有显著影响的过程。鼓泡器作为排放管线的一部分，是排放管线中几何结构最复杂的部分，鼓泡器的几何形状对流出组件的临界流量有显著影响，故安全壳卸压排放过程中会发生复杂几何现象。根据相关实验[11-13]，鼓泡器的孔数、孔径均会对水池中的高压气体排放产生较大影响，不同几何结果会影响到气体进入水池后的传热情况，因此该现象会影响热工水力过程，且影响较大，故其重要度为H级。

以影响乏燃料水池中冷凝现象的鼓泡器深度为例，对乏燃料水池中每个现象的重要度评级过程进行举例说明：鼓泡器深度会影响喷口处压力及气泡最大上升距离，进而影响鼓泡器的喷射流量和气泡迁移过程，因此鼓泡器深度会影响热工水力过程，且影响较大，故其重要度为H级。

由表1、2可看出：排放管线及鼓泡器中对安全壳卸压排放过程影响程度较高的现象有临界和摩擦流、两相压降、几何尺寸及流动状态；乏燃料水池中对安全壳卸压排放过程影响程度较高的现象有冷凝、传热、几何尺寸、流体混合、不凝性气体及热分层。

根据表1、2中的结果及相关实验台架搭建经验和研究结果[4-8]，为准确表征以上过程中所涉及的现象，安全壳卸压排放过程验证性试验装置需满足以下准则数：

式中：Eu为欧拉数，表征的是排放管线中的临界和摩擦流、两相压降；Δp为排放管线进出口处压差，Pa；ρg为排放管线内混合流体密度，kg/m3；uline为排放管线中流体表观速度，m/s；Πb为管内流动准则数，表征排放管线中的临界和摩擦流、两相压降、几何尺寸现象；Gin为鼓泡器进口处混合气体质量流速，kg/(m2·s)；ain为鼓泡器喷射面积，m2；τsys为系统时间缩放比值；ρp，0为稳定状态下管道内混合流体密度，kg/m3；Vp，0为稳定状态下管道内混合流体体积，m3；ΠG为鼓泡器喷射长度缩放准则数，表征排放管线中的鼓泡器几何尺寸、流动状态现象；l为气流喷射长度，m；d为鼓泡器单孔孔径，m；G0为鼓泡器出口处混合气体质量流速，kg/(m2·s)；Gm为混合气体从被喷射出到完全冷凝过程中的平均质量流速，kg/(m2·s)；Sm为运输系数；B为冷凝驱动势；Πd为水池中蒸汽冷凝现象准则数，表征排放管线中的鼓泡器几何尺寸、临界和摩擦流以及乏燃料水池中的冷凝、传热、流体混合现象；Qc为蒸汽凝结功率；Eg为蒸汽潜热通量；LTR为鼓泡器淹没深度缩放比值；Qg为混合气体体积流量，m3/s；n为鼓泡器孔数；g为当地的重力加速度；Πe为水池排气过程准则数，表征乏燃料水池中的热分层、水池几何尺寸、不凝性气体现象；nR为鼓泡器孔数缩放比值；DJ，R为喷射区域当量直径缩放比值；QgR为混合气体体积流量缩放比值；Ri为理查森数；β为冷却水的热膨胀系数；Tg与Tl分别为混合气体与冷却水温度，℃；ug为混合气体的流速，m/s；Ls为鼓泡器到底部壁面的距离；ρl为冷却水密度，kg/m3。

表3总结了每个准则数所针对的现象、参数及依据来源，所有准则数均参考已搭建并测试成功的实验装置在模拟类似过程所采用的准则数，通过现象的相似性对比，进而选取为安全壳卸压排放过程模型实验的缩放准则。这些准则数分别表征了PIRT分析中的重要度较高的现象，根据《AP1000的PIRT分析和模化评估报告》[9]中的要求，以上相似准则数在缩放过程中应保证在0.5～2之间，才能认为实验装置的缩放失真是可以接受的。

表3 缩放准则数总结Table 3 Summary of scaling criteria

4 结论

本文基于已有的PIRT和实验研究，对大型非能动先进压水堆安全壳卸压排放过程进行了系统性的分析，探索性地讨论了一套适用于该过程的现象识别及重要性分析方法，得到如下结果。

1) 利用开发的关键现象识别及重要性分析方法，得到了安全壳卸压排放过程中排放管线和鼓泡器及乏燃料水池中相关现象的PIRT。

2) 根据安全壳卸压排放过程的PIRT，结合类似实验台架的搭建经验及实验结果，得到了验证性试验装置模拟实验原型所需满足的缩放准则。

根据本文的研究，给出了模拟安全壳卸压排放过程需要满足的准则数，为验证性试验装置的搭建提供设计基础和理论依据，为后续研究奠定了基础。