CFR600冷停堆工况下主系统热量平衡分析

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　　【摘 要】反应堆主热传输系统需要考虑系统散热的影响，根据散热情况设置保温。压水堆电厂在冷停堆工况下只需要维持在较低的温度下，而钠冷快堆以液态金属钠作为冷却剂，其热传输性能远高于水，且其温度必须维持在一定温度以上不能使钠凝固。本文通过分析CFR600冷停堆工况下主系统的热源和散热情况，建立主系统热平衡分析模型，编制计算程序，为后续进行热平衡计算、为CFR600维持稳定运行工况提供技术参考。
　　【关键字】散热;热平衡;主系统;钠冷快堆
　　中图分类号： TH243 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）18-0096-002
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.047
　　Analysis of Main System of CFR600 Heat Balance under Cold Shutdown Condition
　　CAO Ling
　　（CNNP XiaPu Nuclear Power Co，Ltd. Operations Branch， Ningde Fujian 352000， China）
　　【Abstract】The reactor cooling system needs to consider the influence of the heat dissipation and set the insulation. The pressurized water reactor power plant only needs to be maintained at a lower temperature under the cold shutdown condition. But sodium cooled fast reactor uses liquid metal sodium as the coolant， and its heat transfer performance is much higher than water， and its temperature must be maintained at a higher temperature. This paper analyzes the heat source and heat dissipation of the reactor cooling system under the CFR600 cold shutdown condition， and establishes the heat balance analysis model and writes calculation program to provide a technical reference for heat balance calculation and reactor operation.
　　【Key words】Heat dissipation; Heat balance; Main system; Sodium cold fast reactor
　　0 概述
　　鈉冷快堆使用液态金属钠作为冷却剂，钠的熔点低、沸点高，是具有良好导热性的金属，熔点为97.8℃，在常温下为固态，在同样的工作温度下（钠250℃，水280℃、15.5MPa），钠的导热系数为水的130倍左右。此外，钠还具有活泼的化学性质，与水、空气都会发生化学反应，这就导致钠冷快堆与压水堆电厂有较大的区别。压水堆核电厂在大修换料期间可以将冷却剂排出主系统，在冷停堆和换料工况下，由于其冷却剂是水，也不存在冷冻凝固的风险。而钠冷快堆冷却剂充入主系统后运行阶段不能将冷却剂排出主系统，必须始终维持钠温在其熔点之上，再考虑到钠中杂质的影响、主系统中各个部位钠温分布不均匀的情况，冷停堆工况下钠温必须维持在比较高的水平，CFR600的设计温度为250℃。冷停堆工况下，堆芯发热很少（衰变热），主冷却剂系统的散热对钠温的影响很大，通过建立冷停堆工况下的热平衡分析模型，掌握影响主冷却剂系统钠温稳定的主要因素，可以为反应堆钠温的有效控制提供技术参考。
　　1 主系统热平衡分析
　　CFR600一回路主冷却系统为池式结构，一回路主要设备均布置在反应堆容器中，为了防止一回路的放射性物质进入水汽循环回路，同时也为防止蒸汽发生器发生钠水反应后，水/蒸汽进入反应堆主容器造成破坏，钠冷快堆设置了起隔离作用的二回路主冷却剂系统。在冷停堆工况下，反应堆运行应满足热平衡的要求，即
　　Q加热=Q散热
　　停堆工况下的加热源主要取决于核功率的剩余衰变和主泵的加热功率，另外，当二回路钠温高于一回路钠温时，中间热交换器则向一回路冷却剂系统反向加热。在计算中若中间热交换器的散热量为负值，则表示中间热交换器反向加热。而热量丧失主要是反应堆容器表面散热和事故余热排出、一回路钠净化系统、二回路主冷却剂系统从主系统带走的热量。
　　1.1 一回路加热源
　　一回路主冷却剂系统的加热源主要为以下几项：
　　1.1.1 反应堆堆芯衰变热
　　反应堆停堆后主要由裂变产物和锕系元素的放射性衰变对剩余功率作贡献。这部分能量就是衰变热。根据博斯特-惠勒函数可以近似计算出反应堆停堆后的衰变热。
　　P（t，T）=6.65×10-2P[t-0.2-（t+T）-0.2][1]
　　其中，P为停堆前反应堆运行功率，MW
　　T为反应堆运行时间，s
　　t为反应堆停堆时间，s
　　对于首次充钠后的反应堆主冷却剂系统，由于尚未进行核裂变反应，该项加热源加热功率为零。
　　1.1.2 一回路主冷却剂钠循环泵加热功率 　　一回路主冷却系统主循环泵用于驱动主容器内的液态钠冷却剂循环，冷却剂首先通过堆芯，冷却堆芯，带走热量，然后经过中间热交换器冷却再进入一回路主循环钠泵。随流体流动，主循环泵机械能转化为热能，具备一定的加热能力。这也是冷停堆工况下主系统的主要热源。
　　根据泵的工作原理，泵的电机功率中有一部分转换成了一回路主冷却剂的热量，其他部分则由于损耗而释放到环境中，即
　　泵的电机功率=泵的机械功率+电机损失
　　=泵的加热功率+泵的机械损失+电机损失
　　泵的机械损失可以通过下式计算：
　　N机械损失=N1+N2+N3+N4+N5
　　其中N电机=f（n），根据泵与转速的实际对应关系得出，ηe为电机效率。
　　一回路主冷却系统设置两台主循环泵，每台泵电机额定功率4000kW，在冷停堆工况下，主泵转速为额定转速的15%。根据主循环泵的设备参数和调试结果可以得出冷停堆工况下主循环泵的加热功率。
　　1.1.3 二回路主冷却剂系统反向加热功率
　　二回路主冷却剂系统也设置有两台钠循环泵，还布置有电加热系统，在冷停堆工况下为系统提供加热以平衡系统散热。并且可以维持钠温在250℃以上，通过中间热交换器反向加热一回路冷却剂。
　　根据热交换器的换热原理，得出二回路向一回路反向加热的热量为：
　　式中，cp为钠的定压比热容2为二回路质量流量，ΔT为中间热交换器二回路侧进、出口温差。中间热交换器二次侧进口钠温10JGB10CT002（10JGB20CT002），中間热交换器二次侧出口钠温10JGB10CT006（10JGB20CT006），系统工作压力10JGB10CP001（10JGB20CP001），环路流量10JGB11CF002～10JGB18CF002（10JGB21CF002～10JGB28CF002）。
　　在堆容器首次充钠时，若二回路尚未充钠，则该项为零。
　　1.2 一回路散热
　　CFR600一回路设备均布置在反应堆容器中，在堆容器顶部有管道分别与二回路主冷却系统、事故余热排出系统、一回路钠净化系统连接。因此，一回路系统的散热也主要通过堆容器、二回路主冷却系统、事故余热排出系统和一回路钠净化系统。
　　1.2.1 通过反应堆容器散热
　　CFR600反应堆容器是双层结构，即内部为主容器、外部为保护容器，从形状结构上来看，可以分为椭球形底部、圆柱形筒体和锥形顶盖三部分，锥形顶盖上部设置有旋塞;从容器内部介质来看，底部和圆柱形筒体下部为液态金属钠、圆柱形筒体上部和锥形顶盖部分为氩气。堆容器的总散热量可表示为
　　Q堆容器=Q旋塞+Q锥形顶盖+Q圆筒体+Q底部封头
　　对各部位采用一维平板散热近似计算。
　　旋塞两侧未设置壁面温度测点，采用锥形顶盖上部的壁温来替代旋塞底部温度，旋塞上部温度使用堆顶防护罩内空气温度，则
　　其中αair表示空气换热系数。
　　对于其他部位热端温度取保护容器壁温，圆筒体部分在温度偏差较大的情况下采用分段计算散热量，冷端温度取堆腔坑温度。则
　　1.2.2 通过二回路主冷却剂系统散热
　　通过中间热交换器的热量传递取决于一、二回路的温度，当一回路钠温高于二回路时为散热项，低于二回路时为加热源。故该项同QIHX。
　　1.2.3 通过事故余热排出系统散热
　　事故余热排出系统由4条相互独立的环路构成，每一条由独立热交换器、钠-空气热交换器、钠缓冲罐、拔风烟囱、钠接收罐及连接它们的管道组成。它依靠自然循环驱动力为一回路主冷却系统提供冷却，通过该系统的散热量可以根据换热器模型进行计算表示为：
　　该系统的参数可以通过系统仪表读取，独立热交换器二次侧进口钠温10JNB10（20/30/40）CT003，独立热交换器二次侧出口钠温10JNB10（20/30/40）CT004，独立热交换器二次侧钠流量10JNB10（20/30/40）CF001，事故余热排出系统工作压力10JNB10（20/30/40）CP001，在堆容器首次充钠阶段，由于该系统尚未充钠，散热量可视为零。
　　1.2.4 通过一回路钠净化系统散热
　　一回路钠净化系统正常运行工况下，以稳定的流量对一回路冷却剂进行净化，一回路冷却剂由电磁泵驱动、经过省热器冷却、冷阱净化、省热器加热然后回到主系统。该系统还与一回路钠分析监测系统、一回路钠充排系统连接。忽略中间过程，只关注钠净化系统的进出口温度和流量，可以将该系统等效为一个热交换器，因此其散热量可简化计算为
　　其中净化流量、系统压力、进出口钠温通过以下仪表测量获取：
　　一回路钠净化流量10KBE10CF001，一回路钠净化系统进口钠温10KBECT001、一回路钠净化系统工作压力10KBE20CP001（10KBE20CP002）、一回路钠净化系统出口钠温10KBE30CT015（10KBE40CT015或10KBE50CT015）。
　　上述钠的比热容可以通过下式计算得到：
　　cp=38.121-6.9×104T-2-1.949×10-2T+1.024×10-5T2[3]
　　其中371.02K？燮T？燮2300K。
　　2 结论
　　根据钠冷快堆一回路主冷却剂系统的结构和布置情况，分析了加热源和散热项，利用泵的工作原理和传热学基本知识对各项的热量建立了计算方法，通过编制计算程序，在堆容器进钠后利用系统参数作为输入进行计算，将计算结果和实际运行情况进行对比，并对计算模型进行修正，一方面可以验证设计是否满足冷停堆工况下主系统的热量平衡需求，另一方面也可以为反应堆温度控制提供参考。
　　【参考文献】
　　[1]李泽华.快中子反应堆物理，北京：原子能出版社，2011.
　　[2]刘尚波.中国实验快堆堆本体和一回路系统热平衡分析，核科学与工程，2013（3）：225-230.
　　[3]徐銤，洪顺章.钠工艺基础，北京：原子能出版社，2011.
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