铅冷微堆SMILE典型无保护瞬态热工安全分析.pdf

第 卷第期原子能科学技术V o l ,N o 年月A t o m i cE n e r g yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA p r 铅冷微堆S M I L E典型无保护瞬态热工安全分析柳春源,肖骏,陈笑松,孙培栋,邢勉(国家电投集团科学技术研究院有限公司,北京 ;中山大学,广东 广州 )摘要:核能系统小型化是核能未来发展的重要方向,其中小型铅冷快堆是技术路线之一.在小型铅冷快堆研发过程中,瞬态工况下热工水力安全特性是重要的研究内容之一,这不仅是对反应堆安全特性的重要验证,也对反应堆系统的后续设计完善具有重要参考价值.兆瓦级铅冷快堆S M I L E是国家电投集团科学技术研究院有限公司提出的高安全、紧凑型铅冷快堆方案.为研究S M I L E的安全特性,使用系统分析程序A THL E T对其进行典型无保护瞬态热工水力性能分析.结果表明,S M I L E在应对典型无保护瞬态事故时具备良好的固有安全特性.关键词:铅冷微堆;系统分析程序;瞬态热工安全分析中图分类号:T L 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金重大仪器专项();国家电投集团科学技术研究院有限公司项目(C HN )d o i:/y z k y o u x i a n T r a n s i e n tT h e r m a l h y d r a u l i cS a f e t yA n a l y s i su n d e rT y p i c a lU n p r o t e c t e dA c c i d e n t so fM i c r oL e a d c o o l e dF a s tR e a c t o rS M I L EL I UC h u n y u a n,X I AOJ u n,CHE NX i a o s o n g,S UNP e i d o n g,X I NG M i a n(S t a t eP o w e rI n v e s t m e n tC o r p o r a t i o nR e s e a r c hI n s t i t u t e,B e i j i n g ,C h i n a;S u nY a t S e nU n i v e r s i t y,G u a n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:M i n i a t u r i z a t i o no fn u c l e a re n e r g ys y s t e m sw i l lb eap r o m i s i n gd i r e c t i o nf o rn u c l e a r i n d u s t r yd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e,i n w h i c h m i c r ol e a d c o o l e df a s tr e a c t o r s(L F R s)a r eat y p eo ft e c h n i c a lr o u t ei nr e l e v a n t D u r i n gt h eR&Do fm i c r oL F R s,t r a n s i e n t t h e r m a l h y d r a u l i c s a f e t ya n a l y s i s i so n eo f t h e i m p o r t a n t r e s e a r c h f i e l d s,w h i c hc a nn o to n l yv e r i f yt h es a f e t yo f t h ed e s i g n,b u ta l s op r o v i d eo p t i m i z a t i o nr e f e r e n c ef o rt h e f o l l o w u pd e s i g no ft h er e a c t o r S M I L Ei sam e g a w a t t l e v e lm i c r oL F R w i t hh i g hs a f e t ya n dc o m p a c t n e s s,d e s i g n e db yS t a t eP o w e rI n v e s t m e n tC o r p o r a t i o n R e s e a r c hI n s t i t u t e F o rS M I L E,p u r e l e a d i sa p p l i e da s t h ec o o l a n t T h e f u e l a d o p t sUO,w h i l et h ec l a d d i n ga n ds t r u c t u r a lm a t e r i a l su s e i n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e dw i d eo x y g e n c o n t r o l l i n gc o r r o s i o n r e s i s t a n t m a t e r i a l s,w h i c hc a ns i m p l i f yo re v e no m i tc o m p l e xo x y g e nm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m s I t sc o r ei sd e s i g n e df o rl o n g l i f ew i t h o u tr e f u e l i n g,e l i m i n a t i n gc o m p l e xr e f u e l i n gd e v i c e s I t sr e a c t i v i t yi sc o n t r o l l e db ye x t e r n a ld r u m s T h em a i ns y s t e m e m p l o y sac o m p a c td e s i g ns c h e m e,u s i n gap o o l t y p ei n t e g r a t e dc o m p a c t l a y o u t,w i t ha n i n t e g r a t e dm a i np u m pa n dm a i nh e a t e x c h a n g e r s t r u c t u r e T h es e c o n d a r ys y s t e mu s e s a c o m p a c tw a t e r s t e a mc y c l eo rS C OB r a y t o nc y c l e,a l o n gw i t han o n p a s s i v er e s i d u a lh e a tr e m o v a l s y s t e mD u et ot h ea d v a n c e dc o n c e p t so f l e a d c o o l e df a s t r e a c t o r d e s i g n s,t h e r eh a sn o t b e e nam a t u r eu n i f i e d t h e r m a l h y d r a u l i c s a f e t yc r i t e r i o n B a s e do nS M I L Esd e s i g nc h a r a c t e r i s t i c s a n da l i t e r a t u r e r e v i e w,s o m ek e yp a r a m e t e r sp e r f o r m a n c ec r i t e r i af o rt h e r m a l h y d r a u l i cs a f e t ya r ep r o p o s e d,i n c l u d i n gf l o wv e l o c i t yo f t h e c o o l a n t,c o o l a n t t e m p e r a t u r e,t e m p e r a t u r eo f t h e f u e l c l a d d i n g,e t c D u r i n gr e a c t o ro p e r a t i o n,v a r i o u sa b n o r m a le v e n t sd e v i a t i n gf r o mn o r m a lo p e r a t i n gr a n g e sm a yo c c u r,p o t e n t i a l l yl e a d i n gt oa c c i d e n tc o n d i t i o n s F o rS M I L E,u n p r o t e c t e dl o s so ff l o w(U L O F),u n p r o t e c t e dt r a n s i e n to v e r p o w e r(UT O P),u n p r o t e c t e dl o s so fh e a ts i n k(U L OH S),w e r ed e e p l yi n v e s t i g a t e di nt h ep r e s e n tp a p e r ATHL E T(a n a l y s i so ft h e r m a l h y d r a u l i c so fl e a k sa n dt r a n s i e n t s)i sab e s t e s t i m a t eo n e d i m e n s i o n a ls y s t e ms a f e t ya n a l y s i sp r o g r a m d e v e l o p e db yG e s e l l s c h a f tf rA n l a g e n u n dR e a k t o r s i c h e r h e i t(G R S),w h i c h i sa p p l i c a b l e t oa n a l y z i n gv a r i o u s r e a c t o r t y p e s s u c ha sp r e s s u r i z e dw a t e rr e a c t o r s,b o i l i n gw a t e r r e a c t o r s,g r a p h i t e w a t e r c o o l e dr e a c t o r s,a n dC AN DUr e a c t o r s,f o rb o t hb e n c h m a r ka n db e y o n d b e n c h m a r ka c c i d e n t a n a l y s e s W i t ht h ed e v e l o p m e n to fG e n n u c l e a r e n e r g ys y s t e m s,G R Sh a s e x t e n d e d t h e a p p l i c a b i l i t yo fATHL E T,i n c o r p o r a t i n gp r o p e r t i e so fm e t a l s a n d l i q u i dm e t a l h e a t t r a n s f e r r e l a t i o n s h i p s,e n a b l i n g t ob ea p p l i e df o ra n a l y z i n gt h et h e r m a l h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f l e a d c o o l e df a s tr e a c t o r s T h r o u g ha n a l y s i s,i t i sf o u n dt h a tu n d e rn o r m a lc o n d i t i o n s,t h er e s u l t so b t a i n e df r o mATHL E Ta r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ed e s i g nv a l u e s,t h u sAHT L E Tp r o g r a mi sc a p a b l eo f a n a l y z i n gt h e t r a n s i e n t f e a t u r e so fS M I L EU n d e r t y p i c a l u n p r o t e c t e dt r a n s i e n t a c c i d e n t c o n d i t i o n s,S M I L Es h o w sag o o dn a t u r a l c i r c u l a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h e r m a l c h a r a c t e r i s t i c s,i np a r t i c u l a rg i v e ni t i n h e r e n ts a f e t yf e a t u r e s H o w e v e r,a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s,i n t h e e v e n t o f a nU L O Ft r a n s i e n t a c c i d e n t,t h e c l a d d i n g t e m p e r a t u r eo f t h e f u e l e x c e e d s t h em a x i m u mt e m p e r a t u r e l i m i t,w h i c hc o u l dp o t e n t i a l l y t h r e a t e nt h er e a c t o rss a f eo p e r a t i o n T h e r e f o r e,i nt h ef u t u r eh i g h t e m p e r a t u r ec o r r o s i o n r e s i s t a n tm a t e r i a l sw i l lb ed e v e l o p e d,f o re l i m i n a t i n go rm i t i g a t i n gi t si m p a c to nt h es y s t e mss a f eo p e r a t i o n K e yw o r d s:m i c r o l e a d c o o l e df a s t r e a c t o r;s y s t e ma n a l y s i sp r o g r a m;t r a n s i e n t t h e r m a l h y d r a u l i cs a f e t ya n a l y s i s铅冷快堆指以液态铅或铅铋合金(L B E)作为冷却剂的快中子反应堆,被G I F列为种四代堆候选堆型之一,其具有较高的运行温度、较高的热效率、冷却剂与水或空气不发生剧烈反应等特点,拥有良好的经济性、固有安全性和广阔应用前景.与常规压水堆相比,铅冷快堆堆芯拥有较大的核燃料增殖和核废料嬗变潜力,有望近期实现工业化示范.同时,铅冷快堆小型化潜力巨大,主要归于以下特性:)堆芯燃料功率密度高,所需体积小;)一回路系统常压运行,冷却剂与水或空气不发生剧烈反应,自然循环能力强,固有安全性高,系统简单紧凑;)可灵活搭载二回路循环系统,适配空间紧凑超临界二氧化碳循环系统.应用场景方面,小型铅冷快堆适用于以下场景,包括:)为偏远离网地区提供长期稳定的电源、热源或用于制氢和海水淡化,包括偏远居民区、极地地区和海岛矿山等;)提供陆地移动电源,包括应急救援电源和数据中心电源等;)为深海探索提供动力,包括深海潜航器、深海空间站等.基于小型核能系统潜在的应用前景,国家电投集团科学技术研究院有限公司提出了兆瓦级紧凑型铅冷快堆S M I L E(s m a l la n dm i c r o 第期柳春源等:铅冷微堆S M I L E典型无保护瞬态热工安全分析i n n o v a t i v e l e a d c o o l e dn u c l e a re n e r g ys y s t e m)设计方案.本文针对S M I L E设计方案,开展关键热工水力准则及瞬态安全特性进行分析,重点研究瞬态工况下燃料和冷却剂性能特性,验证系统安全性.小型铅冷快堆S M I L E简介鉴于小型铅冷快堆广阔的应用前景,国内外多家研究机构相继进行了小型铅冷快堆设计研发.国内外部分小型铅冷快堆汇总列于表.可见,大部分堆型设计电功率为 MW,间接反映出小型核能系统具有很强的市场需求,代表了未来核能发展的潜在方向.小型铅冷快堆S M I L E系统设计简介聚焦偏远地区、离网地区等应用场景,国家电投集团科学技术研究院有限公司自主研发设计小型宽氧控紧凑型铅冷快堆S M I L E,其设计电功率为MW,具备体积功率比高、长寿命不换料、非能动安全等技术特点,其总体技术参数列于表.表国内外部分小型铅冷快堆汇总T a b l eS u mm a r yo f s o m em i c r oL F R sa th o m ea n da b r o a d名称国家热功率/MW电功率/MW堆芯寿命/a项目进展核电宝中国 概念设计H y d r o m i n eL F R /L F R 美国/概念设计G M美国 概念设计S S T A R美国 概念设计S E A L E R瑞典 概念设计L F R T L /卢森堡/概念设计M i c r o UR ANU S韩国 概念设计表S M I L E总体技术参数 T a b l eO v e r a l l t e c h n i c a lp a r a m e t e ro fS M I L E 参数数值参数数值电功率,MW冷却方式强迫循环热功率,MW燃料类型UO热效率,燃料富集度,堆芯寿期,a 燃料棒根数 反应堆体积,m燃料组件盒数 控制方式控制鼓堆芯入口温度,冷却剂P b堆芯出口温度,反应堆本体结构S M I L E堆本体筒体由反应堆容器筒体结构和顶盖组成,里面包含内部容器、堆芯、堆芯支撑、堆芯上隔板、主冷却剂泵、台螺旋管式直流蒸汽发生器和控制鼓等部件,如图所示.堆芯布置及控制系统S M I L E燃料元件由富集度为 的UO陶瓷芯块、氦气气隙组成.燃料组件为六边形结构,燃料元件呈三角形排布,燃料元件中心距为 mm.堆芯有 盒燃料组件,每盒 根燃料元件,共 根燃料元件.堆芯横纵向截面分别如图所示.图S M I L E总体结构示意图 F i g O v e r a l l s t r u c t u r es c h e m eo fS M I L E 堆芯反应性由 个控制转鼓控制,沿着堆芯燃料周向布置.个控制转鼓分为个调节转鼓(编号/)和个安全转鼓(编号/).堆芯外围有材料为Z r O YO的反射层,控制转鼓布置在径向反原子能科学技术第 卷射层内.调节转鼓负责补偿过剩的后备反应性以及反应堆在运行过程中反应性的变化.在紧急停堆工况下,安全转鼓可通过旋入,将反应堆迅速调控为次临界状态,实现停堆.图S M I L E堆芯截面图 F i g S e c t i o nv i e wo f c o r e 为保证反应堆具有良好的固有安全性,设计要求在寿期初、中和末临界状态下的燃料温度系数、冷却剂温度系数和空泡系数均为负值,从而保证负反馈机制.通过数值计算,得到堆芯反应性系数(表).表S M I L E堆芯反应性系数计算结果 T a b l eC o r er e a c t i v i t yc o e f f i c i e n tc a l c u l a t i o nr e s u l t o fS M I L E 参数数值寿期初寿期中寿期末燃料温度系数,p c m/K 冷却剂温度系数,p c m/K 冷却剂排空反应性,p c m 寿期初、中和末临界状态堆芯功率峰值因子计算结果列于表.可发现,无论是组件功率峰值因子还是燃料棒功率峰值因子都随燃耗加深越来越小,说明径向功率分布越来越均匀化.表S M I L E堆芯功率峰值因子 T a b l eP o w e r f a c t o ro fS M I L E 参数数值寿期初寿期中寿期末径向组件功率峰因子 径向单棒功率峰因子 轴向功率峰因子 蒸汽发生器及二回路系统S M I L E蒸汽发生器选用直流螺旋管式换热器,其由多组缠绕成螺旋状的金属管和外部壳体构成,管内介质为二氧化碳或水,壳侧介质为铅.该换热器具有结构紧凑、传热性能高、温差应力小、破裂可能性小等特点.其外形如图所示.图S M I L E蒸汽发生器F i g S t e a mg e n e r a t o ro fS M I L E二回路系统是反应堆系统的重要组成部分之一.为提高二回路系统的紧凑度,从而减小整个反应堆系统的布置空间,S M I L E二回路系统方案之一是采用超临界二氧化碳布雷顿循环方式.该系统具有体积较小、重量轻、循环效率高、噪音低等特点.考虑数值计算和技术成熟度,本文二回路系统工质选为水,二氧化碳将在后续研究中讨论.二次侧非能动余热排出系统设计对于事故工况堆 芯余热导出 问题,结合S M I L E反应堆系统高安全性等设计原则,采用二次侧非能动余热排出系统,如图所示.该系统主要包含反应堆堆芯余热导出回路和无时限空气冷却回路.反应堆堆芯余热导出回路主要包括堆芯蒸汽发生器、外部水箱和水水换热器等,工作原理为系统内水工质在蒸汽发生器吸收热量后温度升高,在自然循环作用下,非能动流动至水水换热器,在与外部水箱进行换热后温度降低,最终流回蒸汽发生器,完成整个循环.无时限空气冷却回路主要包括外部水箱和空冷器等,其工作原理是外部常温空气在通过通道与外部水箱接触时会吸收热量,从而使得第期柳春源等:铅冷微堆S M I L E典型无保护瞬态热工安全分析温度升高,在浮力作用下热空气上升,实现了水箱内热量载出.图S M I L E二次侧非能动余热排出系统示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f s e c o n d a r ys i d ep a s s i v er e s i d u a l h e a t r e m o v a l s y s t e mo fS M I L E二次侧非能动余热排出系统利用了两个换热器相互配合的形式,将堆芯余热非能动导出,保证系统处于安全状态.同时,系统设计可以确保在事故演变后期,铅工质依然保持液态,避免或延缓冷却剂冷却凝固的进程.S M I L E瞬态热工水力安全分析 系统分析程序A T H L E T简介ATHL E T(a n a l y s i so ft h e r m a l h y d r a u l i c so f l e a k sa n dt r a n s i e n t s)是一款由德国核安全技术咨询和安全分析中心(G R S)开发的最佳估算一维系统安全分析程序,适用于压水堆、沸水堆、石墨水冷堆和C AN DU堆等众多堆型的基准事故和超基准事故分析.ATHL E T程序的结构遵循高度模块化原则,包含数个基本功能模块如流体动力学模块、热传导模块、中子动力学模块和 通用控制模 块 等.ATHL E T经 过G R S多年的开发、完善和验证,已成为国际上较主流的反应堆系统热工水力安全分析程序之一,获得德国和欧洲多个国家核安全评价机构的认证,可用于核设施执照申请 .随着 第 四 代 核 能 系 统 的 发 展,G R S对ATHL E T进行了适用性开发,通过添加金属物性以及液态金属换热关系式等,使得其新版本可用于铅冷快堆的系统热工水力安全分析.热工水力安全判定准则当前,由于国内外铅冷快堆堆型概念设计的先进性和多样性,尚未提出较成熟统一的热工水力安全判定准则.根据S M I L E的设计特点,结合调研结果,提出以下热工水力安全关键参数性能判定准则.)液铅温度方面.稳态运行时冷却剂液铅温度需高于 ,保证距凝固点有 以上的裕量.事故工况下允许暂时降至 以下,但不能过于接近凝固点.全工况条件下液铅温度需低于沸点 .)液铅流速方面.在正常运行工况下,液铅流速要小于m/s.考虑到S M I L E的宽氧控特性,为避免发生大面积的氧化膜剥落,进一步保守规定正常运行工况下液铅流速不高于 m/s.)包壳材料耐温方面.在正常运行工况下,包壳表面温度须低于 ,避免燃料包壳表面氧化膜被腐蚀破坏.在瞬态工况下,包壳表面温度不超过 .在严重事故工况下,包壳表面长期温度不超过 ,可短暂超过该限值,但必须低于其熔点 .)燃料耐温方面.燃料棒芯块中心温度不超过 .未辐照的二氧化铀熔点为 ,每加深燃耗 MWd/t U,二氧化铀熔点下降 .铅冷快堆典型瞬态事故简介反应堆在运行过程中,可能会发生各种偏离正常运行范围的异常事件,一旦系统调节能力无法应对时,便可能导致各种事故工况.在液态金属冷却快堆中,比较典型的事故工况包括超 功 率 瞬 态 事 故(T O P)、失 流 瞬 态 事 故(L O F)、失热阱瞬态事故(L OH S)等.反应堆在发生瞬态事故时,停堆保护系统会触发紧急停堆系统.如果停堆保护系统可正常发挥作用,则该瞬态事故称为有保护瞬态事故.如果停堆保护系统失效而无法实现紧急停堆,则称为无保护瞬态事故.无保护失流瞬态事故(U L O F)、无保护超功率瞬态事故(U T O P)和无保护失热阱瞬态事故(U L OH S)等是一般需要考虑的超设计范围的瞬态事故.为了研究更恶劣条件下反应堆状态,验证系统设计原子能科学技术第 卷安全性,本文主要针对无保护瞬态事故进行模拟分析.A T H L E T计算模型S M I L E一回路主冷却剂系统的ATHL E T模型示意图如图所示(仅显示个换热器).二回路采用简化模型,即给定二回路入口水的温度和流量并给定出口压力边界条件.对于堆芯通道分布,根据S M I L E堆芯径向功率分布,将堆芯简化为个冷却剂通道,分别为外部燃料区平均通道(CHANN E L)、内部燃料区热通道(CHANN E L)和中 心燃料区最 热通道(CHANN E L),各通道功率根据功率峰值因子设定.图S M I L E一回路主冷却剂系统模型示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fp r i m a r yc o o l a n t s y s t e m m o d e l o fS M I L E冷却剂流动路径如下:液铅从反应堆底部下腔室(L OWE R P L E NUM)流入堆芯,流经堆芯通道后吸收热量,然后汇入堆芯出口区域(C O R E OUT);液铅在堆芯出口区域充分混合后,通过上升通 道(C O R E U P)并经主 泵加压后分别进入个换热器(HE A T E X);高温液铅通过 换 热 器 将 热 量 传 递 给 换 热 器 二 次 侧(S E C H E A T E X)水,然后汇入换热器出口区域充分混合,经上升通道(U P)、下降段(D OWN C O M E R),最终流入反应堆底部下腔室,完成整个循环.此外,堆内自由液面均与反应堆顶部氩气覆盖腔(A R)连接.氩气覆盖腔压强保持一定数值.稳态计算开展S M I L E系统稳态性能数值计算与分析.ATHL E T计算得出的S M I L E主要稳态热工水力参数列于表.由表可知,ATH L E T的计算结果与S M I L E的设计参数基本一致,其中最大相对误差绝对值不超过,因此可认为S M I L E的ATHL E T建模及参数设置合理,可用于后续的瞬态热工水力安全分析.表S M I L E主要稳态热工水力相关参数T a b l eM a i ns t e a d y s t a t et h e r m a l h y d r a u l i cp a r a m e t e r so fS M I L E参数A THL E T计算值S M I L E设计值相对误差/堆芯热功率,MW冷却剂质量流率,k g/s 堆芯入口温度,堆芯出口温度,换热器入口温度,换热器出口温度,瞬态计算针对无保护失流瞬态事故、无保护超功率瞬态事故和无保护失热阱瞬态事故工况,开展S M I L E关键热工水力性能研究.)无保护失流瞬态事故(U L O F)由于S M I L E的一回路冷却方式设计采用强迫循环,因此需要研究非能动停堆系统失效条件下,因断电、卡轴或断轴等因素导致的主冷却剂泵停转情况下系统的状态.初始工况:反应堆于 功率的额定工况下运行.瞬态工况:触发事故工况后,一回路主冷却剂泵故障,在惰转 s后彻底停转.此过程中,二回路换热正常,非能动停堆系统失效.中子动力学采用点堆模型,考虑燃料多普勒效应和冷却剂温度效应.U L O F事故时各参数随时间的变化如图所示.由图可看出,事故后,堆芯功率在 s内迅速下降至不足额定功率的.在事故后约 s后,堆芯功率开始缓慢回升,并在事故后约 s重新达稳态,约为额定功率的.可见,在非能动停堆系统失效的情况下,主泵完全停转不会导致反应堆自动停堆,而是第期柳春源等:铅冷微堆S M I L E典型无保护瞬态热工安全分析图U L O F事故时各参数随时间的变化F i g P a r a m e t e rv s t i m ed u r i n gU L O Fa c c i d e n t通过负反馈调节,在经历瞬态后重新以一个较小的功率运行.结合图中反应性变化规律可知,堆芯冷却能力急剧减小导致冷却剂温度和燃料棒温度大幅升高,从而引入了大量负反应性,总反应性下降至约 p c m.之后,由于反应堆迅速建立起了自然循环,通过堆芯的冷却剂流量开始回升,堆芯冷却能力增强,冷却剂温度和燃料棒温度下降,总反应性回升至附近.此后,在经历一个较小的波动后,堆芯反应性在事故后约 s时达到新的稳态值,即此时堆芯功率重新达稳态.在整个过程中,多普勒反应性占主导作用,对S M I L E应对U L O F事故时的安全响应起着至关重要的作用.主泵停转后,归一化堆芯冷却剂流量骤降至额定流量的约 ,表明此时堆芯内发生了冷却剂逆流现象.此后,反应堆迅速建立起自然循环,冷却剂流量迅速回升并在事故后约 s达到峰值,约为额定流量的.冷却剂流量在事故后约 s时达到新的稳态值,约为额定流量的.该结果显示S M I L E在U L O F事故时可继续排出堆芯热量,具有良好的自然循环性能,有效遏制事故后果.正常运行工况下,由于在模型设置时,堆芯出口与换热器一次侧入口间、换热器一次侧出口与堆芯入口间为绝热条件且未有内部热源,因此温度保持一致.在事故工况下,堆芯功率和堆芯冷却剂流量都在下降,且后者下降幅度大于前者下降幅度,导致堆芯出口温度上升,在事故后约 s时达到峰值,约为 .之后,由于冷却剂流量回升,堆芯出口温度逐渐回落至约 .随着堆芯功率及冷却剂流量重新达稳态,堆芯出口温度也在事故后约 s时达到新的稳态,约为 .换热器一次侧入口温度变化趋势与堆芯出口温度变化趋势基本一致,但存在一定滞后.对于换热器一次侧出口温度,由于换热器热交换能力变化不大,尽管换热器一次侧入口温度有较大幅度的升高,但同时冷却剂流量骤降,因此换热器一次侧出口温度出现较大幅的降低,最低降至约 ,并同样在事故后约 s时重新达到稳态,约为 .堆芯入口温度在事故工况初期逐渐下降,但下降速度较之换热器一次侧出口温度减缓许多,重新达稳态时两者温度数值基本相等.整个循环中个,冷却剂最低温度约为 ,距离凝固点 尚有一定裕量,说明S M I L E在面对U L O F事故时不会出现冷却剂凝固的严重后果.由于堆芯冷却剂流量下降幅度大于堆芯功率下降幅度,导致最热棒包壳最高温度先骤升至约 ,而后由于冷却剂流量回升速度较之堆芯功率回升速度更快,堆芯冷却能力有所原子能科学技术第 卷恢复,包壳最高温度开始下降.最后随着堆芯功率逐渐回升,包壳最高温度再次上升,并在事故后约 s时达到稳态,约为 .在事故演变过程中,包壳最高温度峰值和稳定值均在最高温度限值 以下,但都超过了 ,长期可能会对氧化层造成破坏,需要进一步研究.同时,最热棒芯块中心最高温度变化趋势与包壳最高温度变化趋势相似,其峰值和稳定值均远低于燃料芯块的安全温度限值 .)无保护超功率瞬态事故(UT O P)S M I L E的堆芯反应性通过调节反应鼓的角度实现,有可能发生反应鼓转向驱动装置故障,且非能动停堆系统失效,从而突然引入一个预期外的正反应性,需要重点研究.初始工况:反应堆于 功率的额定工况下运行.瞬态工况:事故工况触发后,一个价值最大的控制鼓驱动装置失控,从而在 s内引入 (p c m)的反应性.此过程中,二回路换热正常,非能动停堆系统失效.中子动力学采用点堆模型,考虑燃料多普勒效应和冷却剂温度效应.UT O P事故时各参数随时间的变化如图所示.可发现,在事故工况触发后,堆芯功率迅速上升并且出现了两个峰值,第个峰值出现在事故后约第 s,即反应性完全引入的时刻,此时堆芯功率约为额定功率的 倍.随后在反应性负反馈调节下,堆芯功率降低,并在事故后约 s出现第个峰值,约为额定功率的 倍.在事故工况触发后约 s,堆芯功率重新达到稳态,该稳态值约为额定功率的 倍,表明反应堆在一个较高的功率下运行.堆芯功率出现两个峰值的现象机理如下.事故后反应性完全引入时,堆芯总反应性达到峰值,堆芯瞬发中子通量也达到峰值,此时堆芯功率达到其第个峰值.随后,在反应性负反馈调节作用下,总反应性下降,瞬发中子通量随之下降,从而堆芯功率开始下降.随着缓发中子在裂变反应中逐渐积累,在事故后约 s其通量达到峰值,总反应性有所升高,故而堆芯功率在此时出现第个峰值.事故后由于堆芯功率的上升,堆芯冷却能力不足导致冷却剂温度和燃料芯块温度上升,从而引入较大的负反应性以弥补外部反应性.其中,多普勒反应性占主要作用,其绝对值远大于冷却剂温度反应性,堆芯重新达稳态时多普勒反应性和冷却剂温度反应性均维持在负值,表明此时冷却剂温度和燃料芯块温度均高于初始状态.尽管事故引入了 p c m反应性,但在迅速的负反馈调节下,总反应性并未上升至 p c m,而是约为其/,即约 p c m.图UT O P事故时各参数随时间的变化F i g P a r a m e t e rv s t i m ed u r i n gUT O Pa c c i d e n t第期柳春源等:铅冷微堆S M I L E典型无保护瞬态热工安全分析事故后堆芯功率的上升使得堆芯自然循环能力得到增强,归一化堆芯冷却剂流量因此上升,并在事故后约 s时达到峰值,约为额定流量的 倍.随着堆芯功率的不断下降,冷却剂流量开始回落并在事故后约