循环回路系统的堆芯模拟体和蒸汽发生器模拟体设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于反应堆热工水利领域，尤其设及一种循环回路系统的堆忍模拟体和蒸 汽发生器模拟体设计方法。
【背景技术】
[0002] 反应堆可W利用自然循环不依赖外部动力就将热量导出的能力，实现反应堆非能 动安全设施在事故下的运行，从而提高反应堆的安全性。
[0003] 自日本福岛事件后，国际和国内社会对核能安全提出了更高的要求，特别针对全 厂断电和完全丧失冷却链等超设计基准事故缓解措施的可靠性给予了越来越多的关注。 2012年6月国家核安全局对外发布的《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求（试 行）》中，多次提出对在运和在建核电机组在核电厂部分或全部安全系统功能丧失的情况 下，如超设计基准洪水事件条件下，应该采取更多措施W带出余热。新近发布的r十二五" 期间新建核电厂安全要求和审评原则》中，明确要求十二五期间新建核电厂须增加反应堆 堆忍的余热排出、应急冷却和最终热阱的考虑，应设置多样化的最终热阱。
[0004] ACPR1000项目目前的技术方案，尽管已经针对超设计基准事故设置了一些缓解措 施，但在核电厂安全系统多样化设计方面尚有较大欠缺。根据目前确定论安全分析和PSA 分析结果，蒸汽发生器二次侧相关事故具有重大贡献。因此，需要针对完全丧失给水、主蒸 汽管道破裂及主给水管道破裂叠加辅助给水丧失、全厂断电、完全丧失冷却链等超设计基 准事故设置可靠性更高的多样化缓解系统，而二次侧非能动余热排除系统正符合该要求。 本发明正是针对上述问题而设计。
【发明内容】
阳〇化]本发明实施例的目的在于提供一种循环回路系统的堆忍模拟体和蒸汽发生器模 拟体设计方法，旨在解决对超设计基准事故设置的措施可靠性不够高，核电厂安全系统多 样化存在较大欠缺的问题。
[0006] 本发明是运样实现的，一种循环回路系统的堆忍模拟体和蒸汽发生器模拟体设计 方法，包括堆忍模拟体的设计要求、结构设计、相似比例分析和设计，W及蒸汽发生器模拟 体的设计要求、结构设计和设计结果，该方法根据自然循环实验回路的设计参数和功能需 求，确定实验回路系统堆忍模拟体和蒸汽发生器模拟体的设计要求，再分别对堆忍模拟体 和蒸汽发生器模拟体进行设计和分析计算。
[0007] 进一步，堆忍模拟体的设计WACPR1000为原型，ACPR1000堆忍有157盒燃料组 件，该堆忍模拟体模拟其中的一盒燃料组件，高度比取1:4,速度比为1:2,电加热元件的表 面热流密度比为2:1 ;
[0008] 堆忍模拟体包括铜棒、平盖、筒体端部、进出口接头、进出口法兰、筒体、吊篮、陶 瓷、燃料组件模拟件、下封头、挂环、进出口反法兰；
[0009] 燃料组件模拟件通过吊篮悬挂于挂环上，平盖上装有2根铜棒，铜棒中的两根铜 棒一端分别和电源的正负极相连，另一端与燃料组件模拟件相连；
[0010] 组件模拟件和金属吊篮之间用陶瓷填充。
[0011] 进一步，堆忍模拟体堆忍模拟体管道用长度、水力学当量直径和流通截面积体现 其流速、流动阻力。
[0012] 进一步，堆忍模拟体设计中的无量纲动量方程为：
[0013]
[0014] 无量纲能量方程为：
[0015]
阳016] 动量和能量方程中无量纲参数的定义分别为：化chardson数
，:表征 浮升力与惯性力之间的关系；阻力系数
表征回路的摩擦 和形阻；热源数也称相变数
，表征燃料元件释热对回路洽升的影响； 热容1
，表征结构的热容量与回路洽升的关系。
[0017] 进一步，堆忍模拟体设计中的无量纲相变数为：
[0018]
[0019] 无量纲过冷度数为：
[0020]
[0021] 进一步，蒸汽发生器模拟体对蒸汽发生器进行模化，换热管高度比取1:4,采用原 型的换热管径W及栅距，蒸汽发生器一次侧和二次侧的溫度和压力都与原型一致，根据原 型中蒸汽发生器的换热能力和换热面积，模化得到实验回路中蒸汽发生器的换热面积及换 热管的结构尺寸；
[0022] 蒸汽发生器模拟体包括上封头、端壳体、换热管、下端壳体、下封头，换热管通过固 定管板固定于下端壳体上，换热管的不同位置装有足够数量的支撑板和挡板，下封头被隔 板隔开隔开。
[0023] 进一步，堆忍模拟体采用长1050mm，外径9. 5mm的不诱钢管作为加热元件，电加热 元件采用定位格架固定，定位格架拟采用原型中的定位格架，电加热元件的上下端和铜板 相连，铜板分别和电源的正负极相连，堆忍模拟体的进出口管道用内径为105mm的不诱钢 管，位置按原型布置，电加热元件和压力容器之间用陶瓷填充。
[0024] 本发明提高了超设计基准事故设置的措施的可靠性和核电厂安全系统的多样化， 具有很高的工程价值。
【附图说明】
[00巧]图1是本发明实施例提供的堆忍模拟体主视图；
[0026]图2是本发明实施例提供的堆忍模拟体进出口管府视图；
[0027] 图3是本发明实施例提供的堆忍模拟体管座俯视图；
[0028]图4是本发明实施例提供的换热管布管示意图；
[0029] 图5是本发明实施例提供的换热管布管的B-B向剖视图；
[0030] 图中：1、铜棒；2、平盖；3、筒体端部；4、进出口接头；5、进出口法兰；6、筒体；7、吊 篮；8、陶瓷；9、燃料组件模拟件；10、下封头；11、挂环；12、进出口反法兰；13、蒸汽出口接 管；14、上封头；15、上端壳体；16、换热管；17、下端壳体；18、固定管板；19、下封头；20、隔 板；21、去离子水进出口接管；22、自来水进口接管；23、去离子水进口；24、去离子水出口； 25、自来水进口；26、蒸汽出口。
【具体实施方式】
[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合实施例，对本本发 明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本本发明，并不 用于限定本发明。
[0032] 1、堆忍模拟体的设计要求
[0033] 堆忍模拟体是自然循环实验回路开展非能动余热排除实验研究的关键性设备之 一。WACPR1000为原型，ACPR1000堆忍有157盒燃料组件，本堆忍模拟体模拟其中的一盒 燃料组件。高度比取1:4,速度比为1:2,电加热元件的表面热流密度比为2:1，并合理设计 轴向和横向阻力特性。
[0034]2、堆忍模拟体结构设计
[0035] 堆忍模拟体结构总图如图1-图3所示。堆忍模拟体包括铜棒1、平盖2、筒体端部 3、进出口接头4、进出口法兰5、筒体6、吊篮7、陶瓷8、燃料组件模拟件9、下封头10、挂环 11、进出口反法兰12。
[0036] 所述燃料组件模拟件9采用长1050mm(燃料组件高度的1/4)，外径9. 5mm(燃料组 件的外径）的不诱钢管作为加热元件。为模拟燃料组件的定位格架，电加热元件也采用定 位格架固定，其定位格架拟采用原型中的定位格架。燃料组件模拟件9通过吊篮7悬挂于 挂环11上，实现固定。平盖2上装有2根铜棒1，铜棒1中的两根铜棒一端分别和电源的正 负极相连，另一端与燃料组件模拟件9相连，实现电加热的目的。
[0037] 为减小金属热容，组件模拟件9和金属吊篮7之间用陶瓷8填充。进出口接头4 采用用内径为105mm的不诱钢管（约原型尺寸的1/7)，且位置按原型布置。
[003引 3、堆忍模拟体相似比例分析
[0039] 反应堆一回路系统结构复杂，不论是堆忍还是蒸汽发生器，都需要通过一定的假 设进行简化。反应堆一回路系统的设备可W简单的分为两种类型，即有热量传递和无热量 传递己种设备：管路、蒸汽发生器、堆忍。其中，此处的蒸汽发生器是指发生了进出口溫度 或密度变化的那部分，即蒸汽发生器管束。而反应堆堆忍则是发生了溫度或密度变化的那 部分堆忍，即加热部分，其余部分则视为管道。如果考虑到两相流型的影响，严格的说管道 内流体的密度也可W发生变化。管道的特征是没有热量传递，只是流体的位置发生变化，并 贡献阻力。反应堆管束中，如冷管和热管，在符合一维假设方面没有什么大的问题，而一些 局部有突变的构件可W通过阻力作用来体现其在自然循环过程中的作用。因此，管道可W 用长度、水力学当量直径和流通截面积体现其流速、流动阻力；通过在重力方向的投影体现 其位置变化对重力作用的贡献。不论是几根管道，均可W-维化为上述特征的元件。
[0040] 3. 1基本方程
[0041] 首先是一维假设，认为流动沿着设备或管道的轴向方向进行，而传热则在一维边 界的径向进行；其次，可W通过采用特征参数，如热工水力直径等方法，对径向影响的作用 进行评估并进行模拟；此外，还需要忽略热损失、轴向传热及方程中的高阶项，其控制方程 为： 阳0创 （1)连续性方程
[0043]
[0044] 上式中P为流体密度，U为流体流速。 柳45]似动量方程
[0046]
[0047] 上式中P为压力，f为阻力系数，为水力学当量直径。 W4引 0)能量方程
[0049]
[0050]上式中h为流体的洽，G为周长，A为截面积，1；和Tf分别为壁面溫度和流体溫 度。 阳0川 （4)传热方程
[0052]
[0053] 本发明对流换热系数不进行模拟，主要原因有：①金属构件结构复杂，本模型中的 一维方法模拟不能准确描述；②两相传热溫差很小，测量到的壁溫不具有很大的价值；③ 燃料元件基本上是定热流密度传热，不受传热系数的影响，而燃料棒本身的