核电站乏燃料池虹吸破坏效应实验研究

2023-10-26崔满满程会方

核安全 2023年5期

苏夏，崔满满，程会方

（上海核工程研究设计院，上海 200233）

核电站的乏燃料贮存在乏燃料池中，池水的容积用于确保乏燃料组件的贮存安全，包括衰变热导出和辐射屏蔽。核电站乏燃料池设有池水循环冷却系统，用来降低池水温度，同时导出乏燃料的衰变热。为了达到充分、均匀的冷却效果，冷却系统的吸水管和回水管尽量布置在乏燃料池的对角位置，同时回水管线尽量深入乏燃料池内部。如果回水管线池外部在较低位置发生了破口，池水容积就会由于虹吸效应而持续流失，威胁乏燃料组件的贮存安全。工程上通常在回水管线适当位置开一个破虹吸孔，当液位下降到破虹吸孔高度时，大气通过开孔与管内流动混合形成两相流，破坏虹吸流负压，阻断管内水流，以达到虹吸破坏效果。破虹吸孔的尺寸是成功断流的关键因素。

J. Howard Arthur［1］等对小尺寸管道的虹吸破坏进行了实验研究和分析计算，但国内各核电厂乏燃料池回水管线的管径通常在DN80～DN250之间，小尺寸管内两相流动的相关经验关系式并不能很好地预测实际工程。郑伊芸［2］等通过实验的方式对低压系统中非能动虹吸破坏进行了机理研究，区分了竖直下降两相流的4种流型。在数值模拟方面，岳芷廷［3］等针对49-2池式反应堆的265 mm主管道双端断裂事故，使用RELAP5建模分析了破虹吸孔的虹吸破坏过程。冯健［4］等使用RELAP5对某电厂乏燃料池的虹吸破坏管的安全性进行了验证分析，表明现有的虹吸管设计能保证乏燃料池的安全。综上所述，工程上大尺寸虹吸管道内气液两相流动问题较为复杂，目前还没有足够精确的计算模型或实验结果可以直接用于指导工程的设计。而核电领域中有关虹吸破坏的研究多采用数值模拟的方法分析具体问题，缺乏工程尺度上的实验研究。

本文采用1∶1的实验台架，在核电厂乏燃料池常用管径范围内，对破虹吸孔的作用效果开展实验研究，并进一步研究高差、管径、阻力等影响因素对虹吸破坏效果的影响，给出推荐的临界孔径及相关因素的影响关系，用于指导核电站乏燃料池或类似大水池的虹吸破坏设计。

1 实验描述

1.1 电厂设计

国内各核电厂乏燃料池回水管线的管径通常在DN80～DN250之间，管线的布置一般包含上升段、水平段、下降段、各类弯管/弯头以及必要的阀门。图1给出了某核电站典型乏池回水管线的立体图。回水管线在乏燃料池外的布置一般连续向下，管道破口则假定位于管线布置的最低点。根据工程经验，核电站乏燃料池破虹吸孔径一般取25 mm，而孔的标高位置则无明确规定，破虹吸孔与管道破口之间的高差ΔH最多可达到15 m，在工程条件下，该高差下的虹吸流量预计会达到约1200 m³/hr。

图1 某核电站乏燃料水池管线示意图Fig.1 Layout of spent fuel pool return line

1.2 实验装置

虹吸破坏实验装置如图2所示。实验装置由模拟乏池的水箱、1∶1管径的回水管线、阻力孔板、出口阀门、给水泵以及相关的流量、液位和压力仪表组成。乏燃料池回水管线的管路布置较为复杂，实验中不便1∶1模拟，因此使用孔板来模拟管线阻力，某电厂回水管线的阻力件主要包括：1个DN150蝶阀、1个200×150大小头、11个DN200弯管/弯头以及直管。孔板设置于实验管道出口处，可更换。实验还设计了多个孔板模拟不同管线阻力，以拓展研究管线阻力大小对虹吸破坏效果的影响，例如表3中的孔板2，模拟了某电厂的实际管线阻力，其余孔板用于拓展研究。出水口由阀门进行开关控制，模拟管道破口工况。实验时监测模拟水箱的液位、回水管的流量、下降直管段的压降和孔板处的局部压降。

图2 虹吸破坏实验装置示意图Fig.2 Experiment facility for siphon breaking research

1.3 实验工况

实验的目的是在改变管径、阻力和高差的条件下，研究有效破坏虹吸流动所需的临界孔径（最小孔径）。出于工程实施考虑，孔径以Φ25 mm为起始，5 mm为一个阶梯递增，直至可以成功实现虹吸破坏。通常虹吸破坏后的稳定液位低于破虹吸孔的标高，两者之间的高差称为安全液位高差Δh，认为安全液位高Δh差小于1 m是判定虹吸破坏成功的准则，同时也满足工程实际的要求。表1中列出了实验工况范围，由于各电厂乏燃料池回水管线的管线布置、阀门类型、仪表数量等设计差异较大，实验中为每种管径的回水管线设计了一组孔板，用来模拟不同阻力系数ξ。

表1 实验工况范围Table 1 Experimentcondition

2 实验结果分析

2.1 虹吸破坏的过程

图3给出了虹吸破坏过程的流量和液面高度随时间的变化曲线。出口阀门开启后，模拟水箱中的水从下降管流出，流量快速上升到约1180 m3/h，并维持了大约15 s的稳定阶段，此时管内是单相流动，随着水箱液位降低，流量略有下降。当36 s左右液位下降到破虹吸孔位置时，空气从破口进入管道，并被下降流夹带形成两相流，流量曲线突然下降，此时对应的两相流态可能是泡状流［5］。至50 s左右，流量下降趋势明显减缓，这是因为随着液位高度逐渐下降和含气率不断升高，下降流的夹带作用减弱［5］，随后虹吸流量进一步下降，当水箱液位下降至足够低时，驱动压头不能继续维持虹吸流动，流量快速降为零，虹吸破坏成功。

图3 虹吸破坏曲线图DN250，孔径35 mm，孔板2，ΔH=15 mFig.3 Flow rate and water level：DN250，hole diameter 35 mm，orifice 2，ΔH=15 m

图4给出了下降直管段的压降曲线。出口阀门开启后，随着下降流量快速上升，直管段压降快速增加，然后下降到一个稳定阶段，这是由于下降段中的残余气体被排出，流动回到了稳定的单相流状态。在36 s左右，液位降低到虹吸孔露出水面，空气被动进入管道，开始形成气液两相流，沿程阻力增加，阻力曲线上升。至120 s左右，虹吸破坏成功，流动停止，直管段压降最终保持为引压管内的重力压降。

图4 虹吸破坏曲线图——4 m直管段压降曲线DN250，孔径35 mm，孔板2，ΔH=15 mFig.4 Pressure drop of verticalpipe DN250，hole diameter 35 mm，orifice 2，ΔH=15 m

2.2 临界虹吸孔径

表2给出了不同阻力特性条件下实验得到的临界破虹吸孔径。实验结果表明，在15 m高差范围内，对于DN80和DN150的回水管线，工程常用的25 mm破虹吸孔即可在最不利的管线阻力特性（无阻力孔板）下有效阻断虹吸流动，并且安全液位高差Δh符合≤1 m的要求。其中DN80管线的最终破虹Δh为0.12 m，DN80管线的最终虹吸破坏Δh为0.66 m。

表2 临界破虹吸孔径实验结果（ΔH=15 m）Table 2 Critical diameter of siphon break hole

从表3中可以看出，回水管线管径越大，虹吸破坏所需的临界孔径越大，而管线阻力的作用则相反。这是因为流速降低时，对空气的夹带作用也相应减弱，由破虹吸孔进入流体的空气更容易聚合，中断了连续的虹吸流动。对于DN250的大尺寸管道，即使在最大管线阻力下，也需要设置至少35 mm的破虹吸孔。

表3 临界破虹吸孔径实验结果Table 3 Critical diameter of siphon break hole

以DN200、孔板2工况的实验结果分析高差ΔH对临界破虹吸孔径的影响（表4），管道最低点破口与虹吸孔之间的高差越大，重力势能差产生的虹吸驱动力越强，虹吸破坏所需的临界孔径就越大。在相同的管径和阻力条件下，ΔH为15 m所需的临界破虹吸孔径比12 m大一档（大5 mm）。

表4 不同ΔH下的临界虹吸孔径实验结果Table 4 Critical diameter of siphon break hole under different ΔH

2.3 影响因素分析

综上所述，本文认为安全液位高差Δh小于1 m即可满足核电站乏燃料池的设计要求，但工程实际中部分核电厂乏燃料池的Δh裕量可能小于1 m，需要更快的虹吸破坏进程。上文实验结果表明：在其他条件相同时，破虹吸孔孔径越大，虹吸破坏过程越迅速，Δh就越小。本节以DN200，ΔH=15 m/12 m工况为例，分析Δh与破虹吸孔径Φ之间的关系，以及Δh与管线阻力之间的关系。

图5给出了DN200，ΔH=15 m工况的实验结果：相同阻力孔板的条件下，破虹吸孔径越大，安全液位高差Δh就越小，两者之间呈典型的幂指数递减关系，且在不同阻力条件下的递减趋势一致。

图5 虹吸孔径与安全液位高差的关系：DN200，ΔH=15 mFig.5 Effect of Critical diameter on the undershooting height：DN200，ΔH=15 m

图6给出了不同高差下，安全液位高差Δh与破虹吸孔径之间的关系。从图中可以看出，12 m高差和15 m高差情况下，两者之间的趋势具有很好的一致性，均呈幂指数递减关系。

图6 虹吸孔径与安全液位高差的关系：DN200，孔板2Fig.6 Effect of Critical diameter on the undershooting height：DN200，orifice 2

工程中安全液位高差裕量不足时，可通过调整破虹吸孔径，确保虹吸破坏成功时的最终液位满足乏燃料池的安全要求。

图7给出了不同破虹吸孔尺寸条件下，安全液位高差Δh与管线阻力系数的关系。管径和高差ΔH不变时，回水管线上的阻力件（如阀门、弯头等）越多，阻力越大，管内虹吸流越容易被破坏。因为流动会在阻力的作用下放缓，使空气的夹带作用减弱［6］，两相流中的气泡更容易聚合，连续的虹吸流动更容易被打断。安全液位高差Δh与管线阻力之间呈对数递减关系。