压水堆稳态系统程序开发

Science&TechnologyVision

科技视界

压水堆稳态系统程序开发

习蒙蒙初晓蔡容

渊

中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室

袁

四川成都

610213冤

揖

摘要

铱

针对一体化压水堆的具体结构

袁

建立合理的系统模型

袁

利用

FORTRAN90

语言开发了系统稳态计

算程序

遥

利用本程序对满功率强迫循环和

30%

功率自然循环稳态运行工况下的热工水力特性进行了分析

袁

得

到了蒸汽发生器套管段一二次侧冷却剂和换热管内温度沿轴向高度的分布

袁

冷却剂及燃料元件温度沿堆芯轴

向的分布等结果

袁

并利用

RELAP5

程序进行验证

袁

证明了本程序的可靠性

遥

本程序可以作为一体化压水堆系统

的热工水力方案设计

袁

也可用于系统的运行和安全管理

遥

揖

关键字

铱

一体化压水堆

曰

稳态计算

曰

热工水力

中图分类号

院TL421.1

文献标识码

院A

DOI院10.19694/2095-2457.2019.30.002

文章编号

院2095-2457渊2019冤30-0004-004

DevelopmentofSteadySystemProgramforPressurizedWaterReactor

XIMeng-mengCHUXiaoCAIRong

(ScienceandTechnologyonReactorSystemDesignTechnologyLaboratory,NuclearPowerInstituteofChina,

ChengduSichuan610213,China)

揖Abstract铱Areasonablesystemmodelwasestablishedinthepapertodevelopthesteadythermal-hydraulicanalysis

codefortheintegralpressurizedwaterreactor,hesteadyanalysiscode,thesteady-

statethermal-hydrauliccharacteristicsofbothforcedcirculationandnaturalcirculationarepresentedinthisdissertation.

Thetemperaturedistributionalongtheaxialheightofthecoolant,steamgeneratortubesandfuelelementswere

ametime,thesimulatedresultsofthesteadyanalysiscodewerecomparedwiththoseofRELAP5

adyanalysiscodeprovidesimportanttheoreticalbaseforthedesign,

operationandsecuritymanagementofintegralpressurizedwaterreactor.

揖Keywords铱IntegralPressurizedWaterReactor;Steady-stateanalysis;Thermal-hydraulic

0

前言

一体化压水堆是一座轻水慢化和冷却的具有非能

动安全技术的新型压水反应堆

遥

其一回路系统设备

袁

包括堆芯

尧

蒸汽发生器

尧

主泵等

袁

一体化布置于压力容

器内

袁

如图

1

所示

遥

堆芯由下底板支撑

袁

燃料组件由上

部组件压紧

袁

堆芯吊篮和上部压紧部件由上部环形弹

簧经反应堆压力容器顶盖压紧

遥

一回路流体由主泵驱

动自上而下流经蒸汽发生器

袁

然后经下腔室自下而上

流经堆芯

尧

上腔室

袁

再进入主泵

袁

由此构成一个循环回

路

遥

蒸汽发生器是具有环形间隙的套管型换热器

渊

见

图

2冤遥

过冷的二回路流体经给水阀进入给水室

袁

流经

给水管水平段

尧

下降段后到达蒸汽发生器底部

袁

再转

而向上依次流经蒸汽发生器二次侧传热区域

尧

蒸汽

管

尧

蒸汽腔室

袁

最后进入汽轮机做功

遥

本文针对一体化压水堆布置的结构特点

袁

建立

合理的系统模型

袁

开发了稳态热工水力计算程序

袁

并计算分析了强迫循环和自然循环下的稳态热工

水力特性

遥

图

1

一体化压水堆系统简图

作者简介

院

习蒙蒙

渊1990要冤袁

女

袁

陕西咸阳人

袁

工程师

袁

工作于中国核动力研究设计院

袁

研究方向为核反应堆热工水力分析

遥

4

科技视界

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Science&TechnologyVision

科技视界

图

2

直流蒸汽发生器结构示意图

1

系统模型

1.1

堆

堆

芯

芯

热

模

工

型

水力计算采用单通道模型

[1]

功率求解采用具有

6

组缓发中子

尧

考虑燃

遥

料

停

多

堆

普

后

勒

的

效

应和冷却剂密度

尧

空泡等反应性反馈的点堆中子动力

学方程

遥

板状燃料元件芯块和包壳的温度场求解采用

一

1.2

维导热模型

遥

自

主

然

循

循

环

环

泵

时

模

袁

型

主循环泵不转动

袁

旁通阀自动打开

袁

大部分流体流经旁通阀

袁

只有很少量的流体流经主

泵

遥

由于旁通阀和主泵的局部阻力不同

袁

流量按如下

关系

W

分

驻

=

配

W

院

p

+W

v

渊1冤

即

p

p

=驻p

v

渊2冤

1

2

f

2

lp

(1+A

w

v

姨

f

lp

/f

lv

/A

p

)

2

A

2

p

籽

渊3冤

由式

渊1冤~渊3冤

可得

驻p

2

p

=

1

2

f

lp

(1+A

w

v

姨

f

lp

/f

lv

/A

p

)

2

A

2

p

籽

渊4冤

p

和

式

v

中

分

院

别

W

表

为

示

流

主

经

泵

主

和

泵

旁

系

通

统

阀

的

遥

质量流量

渊kg/s冤曰

下标

描述主循环泵的主要参数有泵的扬程

尧

转矩

尧

体积

流量和角速度

袁

通常把由实验得出的这些参数之间对

应关系的曲线称为泵的四象限曲线

遥

然而这种模型很

难在程序中应用

袁

因为这种模型对泵的特性参数要求

过于详细

袁

即使对于一个确定的泵

袁

这些参数很难全

部获得或是不准确

遥

本文采用主泵惰转的相似定律模

型

[2]

泵

袁

得

的

出

有

主

效

循

功

环

率

泵

N

惰

p

与

转

扬

工

程

况下

H

p

的

和

扬

流

程

量

计

W

算

之

模

间

型

存

遥

在如

下关

N

系

院

p

=WH

p

g渊5冤

在泵失电惰转情况下

袁

泵的有效功率是由其转子

动能的减少提供

袁

表示为

院

N

p

=-I棕浊

d棕

dt

渊6冤

式中

院I

为主循环泵的转动惯量

(kg窑m

2

环泵转速

(r/min)曰浊

为运行效率

遥

)曰棕

为主循

根据泵的相似定律

袁

对同一台泵

院

w

w

o

=

棕

棕

o

渊7冤

式中

院

下标

o

代表额定值

遥

由式

渊5冤~渊7冤

可以得到惰转工况下泵的扬程表

达式

院

H

p

=-

In

g

(

棕

o

2

3

w

o

)

dw

dt

渊8冤

1.

本

稳

文

压

所

器

研

模

究

型

的系统采用氮气稳压器

袁

在早期建立

的稳压器模型

[3]

的基础上还考虑了各区在不同条件下

所处的状态以及在稳压器内发生的所有重要的热工水

力现象

遥

稳压器中的工质分为两个区

院

氮气区和水区

遥

在建

渊

立模型前作如下合理假

渊

1

渊

2

冤

冤

氮

稳

气

压

区与水区之间的

设

质

院

量交换可忽略

遥

渊

3

在

4

冤

上

冤

氮

氮

气

器

区

的

与

总

水

体

区

积

的

保

压

持

力

不

相

变

同

遥

遥

述

气

假

区

设

和

下

水

袁

区

基

的

于

物

质

性

量

不

尧

动

随

量

空

和

间

能

变

量

化

守

遥

恒方程

袁

建立了稳压器水位方程

尧

氮气区温度方程

尧

氮气区体

积

1.4

方程

本

蒸

和

系

汽

氮

统

发

气

采

生

区

用

器

压

直

模

力

流

型

方程等

遥

蒸汽发生器

袁

直流蒸汽发生器采用

双面加热的管套管结构

袁

具有较高的循环效率

[4]

[5]

次侧流体在套管内管及套管外管壳侧自上而下流动

遥

袁

一

二

次侧流体在环形间隙内自下而上流动

遥

套管式直流蒸汽

发生器二次侧区域的热工水力特性非常复杂

遥

过冷的给

水在换热区首先被加热升温

袁

然后发生过冷沸腾

尧

饱和

沸腾

尧

烧干和过热

遥

在蒸汽发生器的二次侧可能发生两

相流的大部分流型

袁

如泡状流

尧

弹状流

尧

搅拌流

尧

环状流

和弥散流

遥

采用一维冷却剂热工水力模型求解一次侧和

二次侧各参数

袁

并考虑冷却剂单相和两相状态

袁

其中两

相采用漂移流模型

[6-7]

守恒方程

尧

动量守恒方程

袁

建

尧

立

能量守

蒸汽发

恒方程

生器一

尧

一次

尧

二次

侧

侧

流

质

量

量

分

配

1.

方程及

5

非

非

能

能

二次侧

动

动

余

余

热

热

压力方程

遥

排

排

出

出

系

系

统

统

由

模

余

型

热交换器

尧

水池

尧

连接管

道和阀门组成

袁

其主要功能是在反应堆失去正常冷却

时

袁

能保证堆芯余热排出

遥

本文采用一维两流体模型

分析该系统热工水力特性

[8]

2

程序开发

遥

在建立合理的数学物理模型的基础上

袁

对系统进

行合理的控制体和节点划分

袁

采用耦合迭代求解的方

法对稳态方程进行数值求解

袁

以

FORTRAN90

语言为工

具

袁

开发了用于一体化压水堆系统强迫循环和自然循

环热工水力特性分析的稳态计算程序

曰

自然循环工况

下

袁

求解流程如图

3

所示

遥

程序采用模块化结构设计

袁

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5

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各模块之间相对独立

袁

易于修改和扩充

遥

图

3

自然循环工况下程序计算流程图

3

程序验证

分别利用本项目开发的稳态程序和

RELAP5

对满

功率强迫循环和

30%

满功率自然循环运行工况下的稳

态特性进行计算分析

遥

图

4尧5

和图

6尧7

分别给出了蒸

汽发生器套管段一二次侧冷却剂和换热管内的温度场

沿轴向高度的分布

遥

图

4

满功率强迫循环稳态运行工况下蒸汽发生器套

管段内管一二次侧流体温度场分布

图

8

和图

9

分别给出了满功率强迫循环和

30豫

满

功率自然循环稳态运行工况下

袁

冷却剂及燃料元件温

6

科技视界

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度场沿堆芯轴向的分布

遥

如前所述

袁

由于采用了堆芯

功率沿轴向均匀分布的假定

袁

所以冷却剂温度

尧

燃料

包壳温度以及燃料中心温度都随轴向高度线性增大

遥

图中横坐标为零处对应的冷却剂温度为堆芯下腔室的

冷却剂温度

袁

即堆芯进口冷却剂温度

遥

从图中可以看

出

袁

在满功率强迫循环稳态运行工况下

袁RELAP5

计算

所

3

得的堆芯进口温度比本项目

向

益

同

左

一

右

位

袁

因

置

此

处

引

袁

起

总

之

是

后

RELAP5

的冷却

的

剂

开

计

和

发

算

燃

程

结

料

序

果

元

的

比

件

计

温

算

本

度

值

项

在

大

目

轴

开

发程序的计算值高

3益

左右

遥

但其变化趋势是一致的

袁

两

30

者

的

豫

堆

满

所

芯

功

得

进

率

的

口

自

堆

流

然

芯

体

循

进

温

环

出

度

稳

口

比

态

的温

本

运

度差都是

40益

左右

遥

对于

项

行

目

工

开

况

发

袁

的

RELAP5

程序计

计

算

算

所

得

得

到

的

值高

1.6益袁

但

RELAP5

计算所得的堆芯出口流体温度

比本项目程序的计算所得的值高

0.8益遥

这主要是因

为在

30豫

满功率自然循环稳态运行工况下

袁RELAP5

计

算所得的一回路自然循环流量为

131kg/s,

稍高于本项

目开发程序所得的

129.84kg/s袁

所以在同一功率下

袁

两者所得的堆芯出口流体温度的差值小于堆芯进口流

体温度的差值

遥

图

5

满功率强迫循环稳态运行工况下蒸汽发生器套

管段外管一二次侧流体温度场分布

图

630豫

功率自然循环稳态运行工况下蒸汽发生器

套管段内管一二次侧流体温度场分布

满功率强迫循环和

30豫

满功率自然循环稳态条件

下的蒸汽发生器二次侧压力沿流程的变化趋势分别如

图

10

和图

11

所示

遥

这里的流程是指从蒸汽发生器入

口到出口的整个流动过程

袁

图中横坐标零点对应蒸汽

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发生器给水入口腔室

遥

从图中可以看出蒸汽发生器二

次侧的压力损失主要集中在给水管水平段

尧

下降段和

换

1.

热段第一段

袁

在满功率运行工况下

布

0MPa

置有阻

左

力

右

系

曰

由

数

于

很

在

大

蒸

的

汽

节

发

流

生

件

器

袁

第

压

三

这

力

换

一

有

热

段

一

段

的

个

的

压

阶

入

降

跃

口

为

的

处

下

降

RELAP5

曰

之后

和

的

本

压

程

力

序

降

的

很

计

缓

算

慢

结果

遥

符

同

合

时

的

袁

较

从

好

图

遥

中可以看出

图

730豫

功率自然循环稳态运行工况下蒸汽发生器

套管段外管一二次侧流体温度场分布

图

8

满功率强迫循环稳态运行工况下堆芯平均通道

内温度场分布

图

930豫

满功率自然循环稳态运行工况下堆芯平均

通道内温度场分布

图

10

满功率强迫循环稳态运行工况下蒸汽发生器

二次侧压力沿流程的变化

图

1130豫

满功率自然循环稳态运行工况下蒸汽发

生器二次侧压力沿流程的变化

4

结论

本文针对一体化压水堆的结构特点

袁

成功开发了

一体化压水堆稳态计算程序

袁

并利用大型商用软件

RELAP5

率强迫循

/MOD3.

环和

30

0

对

%

程

功

序

率

进

自

行

然

了

循

验

环

证

稳

遥

态

计

运

算

行

得

工

到

况

了

下

满

蒸

功

汽

发生器套管段一二次侧冷却剂和换热管内温度沿轴向

高度的分布

袁

冷却剂及燃料元件温度沿堆芯轴向的分

布和蒸汽发生器二次侧压力沿流程的变化趋势

遥

本程

序的计算结果均与

RELAP5

的计算结果符合较好

遥

此

结果验证了本程序的可靠性

遥

本程序可应用于新型一

体化压水堆在自然循环条件下三重回路系统的热工水

力方案设计

袁

也可用于系统的运行与安全管理

遥

揖

参考文献

铱

咱1暂Hetsroni

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咱

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杨诗成

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咱

Model

3暂Kuridan

forthe

RM

Pressurizer

,Beynon

of

TD

the

,A

Safe

Linearized

Integral

渊

Non

下转第

Steady

42

State

页

冤

Science&TechnologyVision

科技视界

7

Science&TechnologyVision

科技视界

项目及开放实验室项目来开展一些设计性

尧

研究性实

验项目

遥

如聚合物的应力

-

应变曲线测定实验中

,

以往

选用不同交联度的天然橡胶为样品

袁

每组学生得到的

实验数据类似

袁

以致分析实验结果时互相抄袭现象严

重

遥

为改变这种现状

袁

我们挑选相关教师课题组所合

成的高分子产品为样品

袁

学生通过查阅文献了解产品

性质

袁

摸索最佳实验条件

袁

确定详细实验方案

袁

学生独

立完成实验

尧

解决实验中问题和综合分析实验结果

遥

设计性

尧

研究性实验的开设

袁

让学生成为实验主体

袁

有

利于学生创新能力和科研兴趣的培养

遥

为主

袁

学生做实验常处于被动状态

袁

缺少学习积极性

袁

严重抑制了学生的独立思考能力和创新精神

遥

运用开

放式实验教学

袁

实验中指导教师主要起启发

尧

引导的

作用

袁

帮助学生解决问题

遥

结合我校专业实验教学现

状和设备条件

袁

为激发学生的主动性

袁

提高大型仪器

设备的利用率

袁

我们尝试实验时间开放

尧

实验设备开

放

尧

实验人员开放的三开放实验模式

[4]

遥

开放式实验教

学的实施

袁

充分发挥学生的积极性

袁

充分锻炼学生的

实验动手能力

袁

提高学生综合分析问题

尧

解决问题的

能力

遥

2野

多样化

冶

的教学方法

3

教学考核的改革

传统高分子物理实验普遍采用

野

浇灌式

冶

教学

袁

教

师讲

尧

学生听

袁

然后教师指导学生做实验

袁

教学过程中

学生依赖性强

袁

经常出现

野

围观

冶

现象

遥

这种教学方式

单一

尧

呆板

袁

学生提不起兴趣

袁

不利于学生深入理解实

验内容

袁

更谈不上主动查阅相关资料和提出有价值的

问题

[2]

遥

如何改善这一境况

袁

让学生由被动听为主动

学

袁

充分发挥实验主体作用

袁

提高教学质量

袁

引起了我

们一线教师的关注

遥

2.1野

线上线下混合式

冶

实验教学

目前我校高分子物理实验所依托的大型仪器设备

数量少且实验课时有限

袁

为提高学生上课时实验技能

训练的效率和质量

袁

我们采用

野

线上线下混合式

冶

的教

学模式

遥

实验课前

袁

教师将实验教学资源上传到学校

网络平台

袁

为学生提供线上教学资源

袁

供学生自主学

习

遥

在讲解实验中

袁

教师针对学生线上学习遇到问题

进行指导

袁

将更多时间的时间用于疑难点的分析讨论

上

遥

实验后

袁

学生将实验结果

尧

实验内容的疑问等上传

至平台

袁

教师进行线上解答

遥

混合式实验教学更能结

合学生特点

袁

给学生更多学习思考知识的空间和理解

运用知识的时间

袁

更能激发和吸引学生的学习兴趣

遥

2.2野

教师主导

尧

学生主体

冶

实验教学

俗话说

袁

授人以鱼不如授人以渔

遥

实验教学中

袁

我

们应该改变教师讲解

尧

示范

袁

学生模仿

尧

亦步亦趋的

传统教学模式

袁

采用

野

教师主导和学生主体

冶

的教学

模式

[3]

遥

实验课前

袁

教师检查学生的预习情况

袁

对未

按规定预习者

袁

令其缓做实验

曰

在讲解实验中

袁

教师

对实验关键之处提出质疑

袁

让学生边做实验边思考

曰

实验后

袁

教师在批改学生实验报告签字时对操作步

骤提出问题

袁

检查学生是否认真做实验

尧

做记录

袁

同

时

袁

积极引导与支持学生提出新问题

遥

实验课程由

野

教师讲

尧

学生听和做

冶

的单向交往的教学方式改变

为

野

教师主导和学生主体

冶

的形式

袁

让学生真正成为

实验主体

袁

在教师的合理引导和组织下进行主动自

发的学习

遥

2.3野

开放式

冶

实验教学

传统高分子物理实验教学方法主要以讲解

尧

验证

渊

上接第

7

页

冤

ReactorConcept[J].ProgressinNuclearEnergy.

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水力特性分析与计算

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核科学与工程

.1997,17(2):97-102.

咱6暂-DimensionalDrift-FluxModelandConstitutive

考核是实验教学的重要环节

袁

是教师检查教学效

果和考察学生学习效果的重要手段

[5]

遥

实验教学注重

培养学生实际动手能力

尧

分析问题和解决问题的能

力

袁

使学生具备运用知识并独立完成实验的能力

遥

因

此

袁

实验考核应贯穿整个实验教学过程

袁

对学生进行

全面

尧

客观的评定

遥

为此

袁

我们摒弃了传统的以实验报

告和期末笔试成绩为主的实验考核方式

袁

建立一套符

合高分子物理实验特点

袁

有利于培养学生综合能力的

考核方式

[6]

遥

考核具体内容包括课前准备工作

尧

实验预

习

袁

课堂表现及实验操作技能

袁

课后实验报告

袁

实验考

试

遥

教学实践中发现

袁

采用平时考核和实验考试考核

相结合的方式

袁

有效提高学生的学习效果

袁

有利于科

学评价教师的教学效果

遥

4

结语

为实现应用型地方本科院校材料化学专业的人才

培养目标

袁

作为专业实践教学的重要环节

袁

高分子物

理实验教学的改革非常必要

袁

对改善教学效果

袁

提高

人才培养质量起着重要作用

遥

我校材化专业结合本校

办学特色

袁

对高分子物理实验教学进行了探索性改

革

袁

有助于激发学生的学习兴趣

袁

调动学生的学习积

极性

袁

提高学生的实验技能

尧

动手能力与创新能力

袁

为

应用型人才的培养与创新型人才的塑造奠定基础

遥

揖

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