反应堆瞬态热工分析简介课件

1、第五章第五章 反应堆瞬态热工分析简介反应堆瞬态热工分析简介事故分析事故分析堆芯欠冷事故堆芯欠冷事故冷却剂丧失事故（冷却剂丧失事故（LOCALOCA）反应堆堆芯欠冷事故简介反应堆堆芯欠冷事故简介-失流事故失流事故失流事故：当主回路中的阀门由于偶然原因突然关闭，失流事故：当主回路中的阀门由于偶然原因突然关闭，主循环泵因机械故障卡死或失去动力电源而被迫停止主循环泵因机械故障卡死或失去动力电源而被迫停止运行时，反应堆的运行时，反应堆的冷却剂流量冷却剂流量就要减少，甚至中断。就要减少，甚至中断。冷却剂失流后，反应堆燃料元件的温度变化是由冷却冷却剂失流后，反应堆燃料元件的温度变化是由冷却剂流量下降过程和堆

2、芯释热率下降过程这两个因素决剂流量下降过程和堆芯释热率下降过程这两个因素决定的。定的。 n在主循环泵失去动力电源时，冷却剂的流量会立即开始下降。在主循环泵失去动力电源时，冷却剂的流量会立即开始下降。n由于反应堆控制系统的响应存在滞后，控制棒的下插也需要由于反应堆控制系统的响应存在滞后，控制棒的下插也需要时间，因而反应堆不可能在断电后马上停堆。时间，因而反应堆不可能在断电后马上停堆。w停堆以后，燃料元件表面热流量下降是比较缓慢的。停堆以后，燃料元件表面热流量下降是比较缓慢的。 在停堆之后，燃料元件表面热流密度下降的速度是否与在停堆之后，燃料元件表面热流密度下降的速度是否与燃料剩余释热率的下降速度

3、相同？为什么？可能导致怎燃料剩余释热率的下降速度相同？为什么？可能导致怎样的结果？样的结果？答：不相同，释热率下降快，热流密度下降慢。答：不相同，释热率下降快，热流密度下降慢。n这是因为在停堆后，原来温度很高的燃料芯块降温，要释放出许多这是因为在停堆后，原来温度很高的燃料芯块降温，要释放出许多热量来，热量来，元件表面传出的热量是燃料剩余释热和芯块降温放出的热元件表面传出的热量是燃料剩余释热和芯块降温放出的热量之和量之和。如图。如图。n特别是用二氧化铀作燃料的反应堆，由于二氧化铀的导热能力很差，特别是用二氧化铀作燃料的反应堆，由于二氧化铀的导热能力很差，燃料元件的中心温度很高。当燃料元件表面传热

4、恶化时，元件内的燃料元件的中心温度很高。当燃料元件表面传热恶化时，元件内的热量要重新分配，中心温度虽然降低，但包壳温度却要升高热量要重新分配，中心温度虽然降低，但包壳温度却要升高。 采取措施采取措施 一是紧急停堆。然而停堆的速度受到控制系统能力的限制，只能一是紧急停堆。然而停堆的速度受到控制系统能力的限制，只能快到一定程度。快到一定程度。二是设法减缓冷却剂流量在泵断电后的下降速度，并设法在泵停二是设法减缓冷却剂流量在泵断电后的下降速度，并设法在泵停止运行后的相当长时间内维持一定的冷却剂流量，以去除衰变热。止运行后的相当长时间内维持一定的冷却剂流量，以去除衰变热。 n水堆：可以用加大冷却剂主循环

5、泵转动惯量的方法（例如在泵转子水堆：可以用加大冷却剂主循环泵转动惯量的方法（例如在泵转子上加惰转飞轮）来延长泵的惰转时间。在惰转停止以后，可以利用上加惰转飞轮）来延长泵的惰转时间。在惰转停止以后，可以利用一回路的自然循环来保证适当的冷却剂流量。为了增大自然循环的一回路的自然循环来保证适当的冷却剂流量。为了增大自然循环的驱动压头，在这些类型堆的设计中，总是设法加大蒸汽发生器与堆驱动压头，在这些类型堆的设计中，总是设法加大蒸汽发生器与堆芯之间的高度差。芯之间的高度差。 n船用动力压水堆：要用由备用电源供电的应急冷却水泵来给堆芯提船用动力压水堆：要用由备用电源供电的应急冷却水泵来给堆芯提供冷却剂流量

6、供冷却剂流量 对冷却剂失流事故进行热工水力分析的主要任务对冷却剂失流事故进行热工水力分析的主要任务确定安全保护系统允许的动作滞后时间确定安全保护系统允许的动作滞后时间确定主循环泵（或风机）惰转风轮的转动惯量确定主循环泵（或风机）惰转风轮的转动惯量对于使用应急泵来提供余热冷却的反应堆，还要确定应急泵必须对于使用应急泵来提供余热冷却的反应堆，还要确定应急泵必须投入运行的时间和必要的循环流量等投入运行的时间和必要的循环流量等反应堆冷却剂丧失事故反应堆冷却剂丧失事故在安全分析中，设想最严重的情况是一根主管道发生脆性断裂，在安全分析中，设想最严重的情况是一根主管道发生脆性断裂，管道在一瞬间内完全断开并错

7、位。这时冷却剂从断开的两个端口、管道在一瞬间内完全断开并错位。这时冷却剂从断开的两个端口、即相当于两倍主管道截面积的开口同时喷出，这种断裂叫做即相当于两倍主管道截面积的开口同时喷出，这种断裂叫做“双双端断裂端断裂”。可以想象，在焊口处（例如在主管道与压力壳接管连接处）发生可以想象，在焊口处（例如在主管道与压力壳接管连接处）发生这种断裂的可能性最大。在设计堆芯结构、安全保护系统和安全这种断裂的可能性最大。在设计堆芯结构、安全保护系统和安全壳时，往往以这种事故做为出发点，所以有时又把这种事故叫做壳时，往往以这种事故做为出发点，所以有时又把这种事故叫做“设计基准事故设计基准事故”。 双端断裂失水事故

8、所造成的严重后果是多方面的双端断裂失水事故所造成的严重后果是多方面的 首先，在管道断开的一瞬间，冷却剂在断口处突然失压，会在一回路系首先，在管道断开的一瞬间，冷却剂在断口处突然失压，会在一回路系统内形成一个很强的统内形成一个很强的冲击波冲击波。这种冲击波在系统内传播，可能会使堆芯。这种冲击波在系统内传播，可能会使堆芯结构遭到严重破坏，其后果可能是控制棒插不进去，或使一部分冷却剂结构遭到严重破坏，其后果可能是控制棒插不进去，或使一部分冷却剂通道发生堵塞。通道发生堵塞。 其二，由于冷却剂迅速流失，冷却剂液面可能降到堆芯顶面以下，这样其二，由于冷却剂迅速流失，冷却剂液面可能降到堆芯顶面以下，这样一来

9、就使堆芯传热工况严重恶化，从而有可能使一来就使堆芯传热工况严重恶化，从而有可能使堆芯烧毁或熔化堆芯烧毁或熔化。如果。如果堆芯大量燃料元件发生了熔化，熔化的燃料同残存在压力壳内的水相接堆芯大量燃料元件发生了熔化，熔化的燃料同残存在压力壳内的水相接触，进行剧烈的放热反应。在水被蒸干以后，熔化的燃料就会把触，进行剧烈的放热反应。在水被蒸干以后，熔化的燃料就会把压力壳压力壳熔穿熔穿。熔融的燃料进入安全壳后同水接触，会产生冲击波，它有可能把。熔融的燃料进入安全壳后同水接触，会产生冲击波，它有可能把安全壳破坏安全壳破坏。其三，管道破裂后，高温高压的冷却剂大量喷放到安全壳中，会使壳内其三，管道破裂后，高温高

10、压的冷却剂大量喷放到安全壳中，会使壳内气体的气体的温度和压力升高温度和压力升高，这也有可能造成，这也有可能造成安全壳的破坏安全壳的破坏。 其四，失水事故发生后，还有一个潜在危险，就是作为燃料元件包壳的其四，失水事故发生后，还有一个潜在危险，就是作为燃料元件包壳的锆在高温时会与水蒸汽发生剧烈的化学反应。锆在高温时会与水蒸汽发生剧烈的化学反应。 锆水反应的后果和危害锆水反应的后果和危害氢气会跑到安全壳中。当反应量相当大，所产生的氢气和氧氢气会跑到安全壳中。当反应量相当大，所产生的氢气和氧气的比例达到爆炸限度时，就有可能发生气的比例达到爆炸限度时，就有可能发生爆炸爆炸，致使安全壳，致使安全壳遭到破坏

11、。遭到破坏。使使燃料元件包壳脆化燃料元件包壳脆化。当反应堆压力壳内的压力降低下来以。当反应堆压力壳内的压力降低下来以后，脆化的包壳可能不足以承受燃料元件的内压，而使包壳后，脆化的包壳可能不足以承受燃料元件的内压，而使包壳破裂破裂。锆水反应产生的热量还会加大燃料元件表面的热流量，使包锆水反应产生的热量还会加大燃料元件表面的热流量，使包壳的温度更高，壳的温度更高，锆水反应更剧烈锆水反应更剧烈。 对失水事故进行热工水力分析的主要内容对失水事故进行热工水力分析的主要内容有以下几个方面有以下几个方面研究管道破裂后因冷却剂失压而产生的冲击波的大小，分析堆研究管道破裂后因冷却剂失压而产生的冲击波的大小，分析

12、堆内构件和一回路部件在冲击波的作用下遭受破坏的可能性。内构件和一回路部件在冲击波的作用下遭受破坏的可能性。研究在失水事故的全过程中冷却剂流失的速度，以及系统内冷研究在失水事故的全过程中冷却剂流失的速度，以及系统内冷却剂的压力、流量、焓、密度、液位等参数随时间的变化，以却剂的压力、流量、焓、密度、液位等参数随时间的变化，以确定堆芯冷却剂的工况，计算燃料元件的温度场，检验它们是确定堆芯冷却剂的工况，计算燃料元件的温度场，检验它们是否超过了安全限度。否超过了安全限度。分析事故过程中氢的产生和积累所造成的后果。分析事故过程中氢的产生和积累所造成的后果。分析安全壳在冲击波以及一回路冷却剂喷放的作用下发生

13、破裂分析安全壳在冲击波以及一回路冷却剂喷放的作用下发生破裂的危险性。的危险性。 安全设施安全设施堆芯应急冷却系统堆芯应急冷却系统n应急冷却系统可以在堆芯丧失冷却剂的情况下向堆芯注入应应急冷却系统可以在堆芯丧失冷却剂的情况下向堆芯注入应急冷却剂，防止堆苡熔化。急冷却剂，防止堆苡熔化。安全壳喷淋系统安全壳喷淋系统n安全壳喷淋系统可以向安全壳空间喷淋含硼过冷水，以便把安全壳喷淋系统可以向安全壳空间喷淋含硼过冷水，以便把事故过程中从一回路喷放出来的大量事故过程中从一回路喷放出来的大量蒸汽凝结成水，降低壳蒸汽凝结成水，降低壳内的压力内的压力。n同时，喷淋的雾滴还可以清除悬浮在安全壳中的同时，喷淋的雾滴还

14、可以清除悬浮在安全壳中的放射性物质放射性物质（主要是碘）（主要是碘）。把溶解有放射性物质的喷淋水收集起来加以。把溶解有放射性物质的喷淋水收集起来加以浓缩而后储存起来，即可避免放射性物质向周围环境扩散。浓缩而后储存起来，即可避免放射性物质向周围环境扩散。 大破口失水事故的事故序列大破口失水事故的事故序列喷放阶段喷放阶段再灌水阶段再灌水阶段再淹没阶段再淹没阶段长期冷却长期冷却欠热喷放阶段欠热喷放阶段- -卸压卸压n由于欠热卸压，使系统压力在几十毫秒内降到流体的最高局部由于欠热卸压，使系统压力在几十毫秒内降到流体的最高局部饱和压力。饱和压力。n卸压波具有这样的特点：卸压波具有这样的特点：w卸压波穿过

15、一次冷却系统和压力容器传播，使堆芯吊篮发卸压波穿过一次冷却系统和压力容器传播，使堆芯吊篮发生动态形变。生动态形变。力学效应力学效应在分析时通常假定这一过程可以被分成若干段来作近似处理。破口面积上的压力在分析时通常假定这一过程可以被分成若干段来作近似处理。破口面积上的压力在每一段中下降一定数量，这样形成的压力波传到整个系统。在传播过程中，每在每一段中下降一定数量，这样形成的压力波传到整个系统。在传播过程中，每遇到流道截面发生变化的地方，压力波的一部分按原来的方向传播，而另一部分遇到流道截面发生变化的地方，压力波的一部分按原来的方向传播，而另一部分以压缩波的形成反射回来。以压缩波的形成反射回来。在

16、传播的过程中压力波逐渐衰减。在传播的过程中压力波逐渐衰减。 欠热喷放阶段欠热喷放阶段- -流量流量n破口在热管段，加速破口在热管段，加速-降低降低n破口在冷管段，减速很快破口在冷管段，减速很快欠热喷放系统流动欠热喷放系统流动图（冷段、热段）图（冷段、热段）饱和喷放阶段饱和喷放阶段过冷喷放阶段的时间很短，随断裂位置的不同，大约在过冷喷放阶段的时间很短，随断裂位置的不同，大约在5-100毫毫秒之间。秒之间。此后，在冷却剂压力降到低于局部饱和压力以后，冷却剂开始沸此后，在冷却剂压力降到低于局部饱和压力以后，冷却剂开始沸腾，其结果是以一个慢得多的速率继续卸压过程。腾，其结果是以一个慢得多的速率继续卸压

17、过程。沸腾前沿从上部堆芯和上腔室内最热位置开始，通过整个一次冷沸腾前沿从上部堆芯和上腔室内最热位置开始，通过整个一次冷却系统传播。却系统传播。 饱和喷放系统流动图（热段、冷段）饱和喷放系统流动图（热段、冷段）当进口管道断裂时，堆芯进口很当进口管道断裂时，堆芯进口很快卸压，冷却剂从下腔室大量反快卸压，冷却剂从下腔室大量反流到破，使堆芯的冷却剂由向上流到破，使堆芯的冷却剂由向上流动转变为向下流动流动转变为向下流动 沸腾工况转变沸腾工况转变-偏离泡核沸腾偏离泡核沸腾由于冷却剂沸腾堆芯内产生大量汽泡，反应堆会由于空泡负反应性而自由于冷却剂沸腾堆芯内产生大量汽泡，反应堆会由于空泡负反应性而自动停堆，使堆

18、芯功率下降到衰变热的水平。动停堆，使堆芯功率下降到衰变热的水平。尽管如此，由于流动工况急剧恶化，仍然会出现沸腾临界现象，包壳温尽管如此，由于流动工况急剧恶化，仍然会出现沸腾临界现象，包壳温度迅速上升（堆芯功率衰减不多，且燃料元件芯块储存的热量传导包壳度迅速上升（堆芯功率衰减不多，且燃料元件芯块储存的热量传导包壳表面表面）。）。经过几秒钟之后，燃料芯块的温度大幅度降下来（此时，温度由衰变热经过几秒钟之后，燃料芯块的温度大幅度降下来（此时，温度由衰变热大小与冷却剂传热能力的平衡来决定）。大小与冷却剂传热能力的平衡来决定）。包壳峰值温度包壳峰值温度应急堆芯冷却阶段（安注箱）应急堆芯冷却阶段（安注箱）

19、安注箱启动，向堆芯注水。安注箱启动，向堆芯注水。在冷段管道破裂的回路里，在冷段管道破裂的回路里，注水点离断口很近，注入的应注水点离断口很近，注入的应急冷却水几乎全部从断口排出。急冷却水几乎全部从断口排出。安注旁通安注旁通只有等到汽水混合物流出的速度降低下来以后，应急冷却水才能注入到堆芯中去。基于上述现象，在进行失水事故分析时，作为保守的估计，有时假设在整个喷放阶段结束之前，应急冷却水达不到下腔室。 在出口管道断裂的情况下，包壳温度上升在出口管道断裂的情况下，包壳温度上升得比较缓慢得比较缓慢这是因为卸压首先出现在堆芯的出口侧，冷却剂不会出现倒流现象。而且由于堆芯出口到断口之间的流动阻力很小，因而

20、在两相流喷放期间，堆芯内还会一直保持比较高的冷却剂流速，从而使沸腾临界出现得比较晚。到沸腾临界出现的时候，燃料元件内储存的热能已基本传出，包壳温度的升高只是由于衰变热的存在。所以这时沸腾临界的出现造成的包壳温度上升的幅度要比冷段管道断裂时小。同时，由于堆芯到断口的阻力很小，冷却剂在堆芯内一直保持正向流动，因此应急冷却剂可以顺利地注入堆芯。 再灌水再灌水应急冷却水注入压力壳之后，首先要把下腔室充满。待水位到达应急冷却水注入压力壳之后，首先要把下腔室充满。待水位到达堆芯底部之后才开始进入堆芯。应急冷却水充满下腔室这段时间堆芯底部之后才开始进入堆芯。应急冷却水充满下腔室这段时间叫作再灌水阶段。在这段

21、时间内，燃料元件只靠残存在下腔室中叫作再灌水阶段。在这段时间内，燃料元件只靠残存在下腔室中的水产生的蒸汽对流和向周围进行热辐射来散热，传热条件极差。的水产生的蒸汽对流和向周围进行热辐射来散热，传热条件极差。在衰变热的作用下，其温度不断提高，因此应该尽量缩短这一段在衰变热的作用下，其温度不断提高，因此应该尽量缩短这一段时间。时间。 再淹没再淹没- -蒸汽粘结蒸汽粘结应急冷却水注入堆芯的速度决定于注入的压头和冷却水从堆芯出应急冷却水注入堆芯的速度决定于注入的压头和冷却水从堆芯出口到破口的流动阻力。口到破口的流动阻力。在冷段管道破裂的情况下，由于多余的水会绕过堆芯周围的环形在冷段管道破裂的情况下，由于多余的水会绕过堆芯周围的环形空间从破口溢出，所以蓄水的高度不会太大，注水压头不会太高。空间从破口溢出，所以蓄水的高度不会太大，注水压头不会太高。冷却水进入堆芯以后被蒸发，形成高速的汽流。这部分汽流在经冷却水进入堆芯以后被蒸发，形成高速的汽流。这部分汽流在经过蒸汽发生器时被二次水加热，流速进一步提高，最