浮动小型堆堆芯热工水力验证能力分析

2020-11-03刘宇生刘希瑞王昆鹏

核安全 2020年5期

刘宇生，吴鹏，刘希瑞，马帅，王昆鹏，许超，李扬

（1.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2.国家核安全局，北京 100035）

浮动小型堆（Floating Small Modular Reactor，简称FSMR）是一种多用途海洋浮动式反应堆，反应堆处于复杂的海洋环境下，波浪的拍打、台风及海啸等恶劣天气情况下船体的剧烈摆动，都会对浮动小堆的安全运行产生显著影响［1］。为应对海洋条件的影响，确保安全性，提高经济性，浮动小型堆在设计研发过程中引入了大量创新设计理念，因与陆上固定式大型压水堆设计存在明显差异，且缺少运行经验，浮动小型堆的创新设计及其分析软件必须通过热工水力试验开展验证和确认［2,3］。

本文针对浮动小型堆堆芯热工水力分析的验证需求，结合浮动小型堆的典型设计参数，分析了现有海洋条件下压水堆堆芯热工水力分析的验证试验，并针对我国试验验证能力的现状，提出了试验研究的相关建议。

1 浮动小堆设计特点分析

目前，世界上具有代表性的浮动小型压水堆主要有KLT-40、RITM、MRX、ACPR50S等堆型［4,5］，总体来看，FSMR主要应用于核动力船舶、浮动核电厂等领域，其设计参数、设计理念与大型陆地式核电厂压水堆存在很大区别，见表1［4,5］。为便于对比，表1以M310为例，给出了大型压水堆的设计参数。

对比表1中的堆芯参数可知，在燃料棒的材料和结构形式方面，浮动小型堆与典型压水堆核电厂基本一致；在几何尺寸方面，俄罗斯的浮动小型堆与其核动力破冰船一致，MRX浮动小型堆燃料的外径与已有压水堆核电厂一致。此外，浮动小型堆燃料棒活性区的长度范围为1.2～1.6 m，为压水堆核电厂燃料棒活性区长度的1/3～1/2；功率密度方面，浮动小型堆的燃料线功率密度范围为7.9～14.0 kW/m，低于大型压水堆核电厂的18.6 kW/m。从流动换热稳定性的角度看，浮动小型堆的燃料棒变短后，传热流动长度变短，利于抑制流动失稳。

表1 不同浮动小型堆的设计参数Table 1 Design parameters of different FSMRs

在运行条件方面，典型的海洋运动条件设计基准［6］为：最大水平加速度≤±1g，最大竖直加速度≤±1g，最大摇摆角≤45°，最大倾斜角≤30°；该参数范围较大，与典型压水堆核电厂相比，运行状态对浮动反应堆堆芯的热工水力影响无法忽略。

已有研究表明，海洋运动条件不仅会影响自然循环、流动换热等反应堆的系统热工水力行为，还会影响汽液两相分布、临界热流密度等局部流动换热过程，因此，在开展堆芯热工水力分析验证过程中，应分析海洋条件对堆芯重要热工水力现象的影响。根据VIPRE、CORBA等子通道分析程序的模型［7］，在堆芯热工水力分析中具有重要影响的现象可以归结为4大类，即流动及压降、换热及空泡、横向及湍流交混、临界热流密度。已有海洋条件下的堆芯热工水力试验研究，也大多聚焦于这4类现象。因此，本文也从这4类现象出发，分析我国开展浮动小型堆堆芯热工水力分析的试验验证能力。

2 试验验证能力分析

2.1 流动及压降特性验证能力分析

在堆芯热工水力分析中，流动及压降特性主要与燃料组件的几何结构、冷却剂流动速度相关。根据流动工质的不同，可以分为单相流动和两相流动过程。目前，已开展的海洋条件下的相关试验见表2。

表2 流动及压降特性实验工况分析Table 2 Analysis of experiment conditions of flow and pressure drop

表2表明，国内对于流动及压降特性的实验研究以圆管和矩形通道等简单通道为主，侧重于基础研究；日本Hiroyuki等以模拟堆芯为对象，与工程实际应用更为接近。此外，大部分实验都在常压或者低压情况下进行，与浮动小堆的运行压力差异较大。对于单相流动过程，低压低温条件下的流体黏性较大，流动过程的阻力与小堆实际运行压力下的阻力会存在差异；对于两相流动过程，低压条件下的气泡直径更大，气泡直径的差异会直接影响两相流型和汽液两相分布。因此，基于上述实验结果开发得到的流动及压降关系式能否应用于FSMR，还有待进一步分析论证。

此外，已有文献表明，在自然循环等低驱动压头工况中，海洋条件对流体的流动及压降特性存在显著影响。

2.2 换热及空泡特性验证能力分析

传热特性验证可分为自然循环和强迫循环两种换热模式。根据王畅等的研究，在强迫循环流动换热过程中，当强迫循环的驱动压头较大时，摇摆引起的附加惯性力可以忽略［18］。目前的换热及空泡特性试验研究中，多为自然循环流动换热，强迫循环流动换热的研究较少，具体见表3。

表3 换热及空泡实验工况分析Table 3 Analysis of experiment conditions of heat transfer and void fraction

表3表明，已公开验证试验的压力都在1 MPa以下，涉及的现象主要为低压自然循环换热、强迫循环单相换热和两相沸腾换热。早期开展的试验均为机理研究试验，多采用环形通道、圆形单管等简单通道，近年来开展的试验已聚焦于典型的压水堆堆芯结构。已有研究表明，因海洋条件会对流动过程产生影响，瞬态换热系数也会随之受到影响；在自然循环等低驱动压头工况中，海洋条件对换热过程的影响更为显著。

2.3 横向流动及湍流交混验证能力分析

格架结构对燃料组件内的横流和湍流交混具有决定性影响，其验证试验一般针对特定的格架结构，试验结果一般不具有通用性。

目前，针对海洋条件开展的横向流动及湍流交混试验较少，仅有部分试验针对流量波动现象开展研究，如叶辛欧文等针对棒径比为1.1的紧密栅通道，采用双排六棒束方形通道开展了非稳态流动的可视化研究［27］，其试验参数范围为：雷诺数（Re）范围为2 000～40 000，试验段长度1 m，振动波长60～70 mm，频率10～60 Hz；李兴等基于激光诊断技术，采用未装配格架的5×5棒束通道，开展了脉动条件下子通道内瞬态流场及相位差的研究［28］，其试验参数范围为：回路水温25℃，脉动周期20～100 s，平均雷诺数800～9 000，脉动振幅0.2～0.6。总体来看，这类试验以机理研究为主，其结果可用于设计优化，但无法直接用于设计验证。

对于非海洋条件下的燃料组件交混试验，曹念等采用5×5全长棒束装配法国某型格架，开展了燃料组件单相交混系数试验研究［29］，其试验参数范围为：系统压力6.84～7.25 MPa，质量流率 980～4 070 kg· m-2· s-1，入口温度 58.8～145.9℃，热流密度0.234～0.979 MW·m-2；谢峰等针对三角形排列的紧密排列燃料组件开展了交混系数的试验研究［30］，其试验参数范围约为：压力8.2～10.4 MPa，质量流率300～4 500 kg·m-2·s-1，平衡含气率-0.2～0.54。

在海洋条件下，摇摆、起伏等运动将强化FSMR开放棒束通道内的横向流动和湍流交混过程，考虑到FSMR的燃料棒长度较传统燃料棒的传热流动长度显著缩短，因此，其堆芯内的热工水力过程将体现出更为显著的三维效应。

2.4 临界热流密度特性验证能力分析

棒束通道内的临界热流密度受燃料组件的几何特征、流体工质参数、格架结构等多种因素影响，是流动压降特性、换热空泡特性、横流及湍流交混特性等多种因素耦合后的集中体现。已公开文献中，海洋条件下的CHF试验研究主要采用环形通道和圆形单管，工质为去离子水和氟利昂，入口过冷度为0.4～64℃，见表4。

3 试验验证能力综合分析

在流动过程中，长径比反映了试验通道内流场的发展演化尺度，雷诺数反映了流体流动的惯性效应，以长径比-雷诺数为坐标，并以KLT-40和M310分别作为FSMR和大型压水堆的典型参数，将不同试验的参数情况绘制于图1。可知，已有试验研究的长径比范围已覆盖浮动小型堆的典型参数范围，但雷诺数范围一般都远小于浮动小型堆的典型参数范围。

表4 临界热流密度实验工况分析Table 4 Analysis of experiment conditions of critical heat flux

图1 流动及压降试验长径比与雷诺数分布情况Fig.1 Distribution of aspect ratio and Reynolds number for flow and pressure drop tests

对于换热过程，努谢尔特数（Nu）反映了试验段内流体的换热特征，雷诺数反映了流动的惯性，以努谢尔特数-雷诺数为坐标，将不同试验、原型的参数和边界情况绘制于图2。可知，对于正常运行状态，目前还缺乏可以用于验证浮动小堆的试验数据；在非破口类事故瞬态中，堆芯流量会出现快速降低，并以自然循环方式导出堆芯衰变热，现有的自然循环试验数据对于该现象有较高的参考价值。

对于CHF过程，图3展示了不同CHF试验和原型FSMR的质量流率-长径比分布情况。可知，已有试验的质量流率和长径比范围与原型FSMR基本一致。由于CHF现象受到多种因素影响，在工程实践中，设计验证一般需要使用与原型组件相同的试验段，对于我国自主设计的FSMR，仍需要针对其具体的燃料组件设计开展特定的CHF试验。

图2 换热试验Nu数与雷诺数分布情况Fig.2 Distribution of Nusselt number and Reynolds number for heat transfer tests

图3 CHF试验长径比与质量流率分布情况Fig.3 Distribution of aspect ratio and mass flux for CHF tests

图4 为堆芯热工水力试验海洋条件参数的分布情况，图中采用FSMR的典型设计基准作为参考值。图4表明，在摇摆振幅或起伏运动加速度方面，只有CHF试验的海洋运动参数范围可覆盖设计基准参数，流动及换热试验尚缺乏高振幅或高加速度参数的试验数据；在摇摆频率方面，现有试验数据已覆盖浮动小型堆的设计参数，可用于不同摇摆或脉动周期下相关现象的验证。