超臨界輕水堆安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、超臨界輕水堆安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)YukiISHIWATARI1,YoshiakiOKA,SeiichiKOSHIZUKA,AkifumiYAMAJI，JieLIU（日本東京大學(xué)）本文描述高溫超臨界壓力輕水堆(SuperLWR)的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念，該堆具有向下流動(dòng)的水棒。因?yàn)樵摱咽菦]有水位和冷卻劑循環(huán)的直流冷卻系統(tǒng)，所以其基本安全要求是保持堆芯的冷卻劑流量，而輕水堆(LWR)的基本安全要求則是保持冷卻劑裝量。對(duì)這種堆來(lái)說(shuō)，“從冷段供給冷卻劑”和“在熱段排出冷卻劑”是必要的。直流冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)堆卸壓會(huì)導(dǎo)致堆芯冷卻劑流動(dòng)并冷卻堆芯。向下流動(dòng)的水棒加強(qiáng)了這種效應(yīng)，因

2、為頂部水室和水棒就像一個(gè)反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的安注箱一樣將其水裝量供給堆芯。SuperLWR的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考了LWR的安全系統(tǒng)并考慮到它自身的特點(diǎn)和安全原則?！袄鋮s劑供給”由高壓輔助給水系統(tǒng)和低壓堆芯注入系統(tǒng)來(lái)保持，“冷卻劑排出”則由安全釋放閥和自動(dòng)卸壓系統(tǒng)來(lái)保持。SuperLWR配備有兩套獨(dú)立的停堆系統(tǒng)：緊急停堆系統(tǒng)和備用液體控制系統(tǒng)。本研究所確定的容量和動(dòng)作條件將用于安全分析中。關(guān)鍵詞：直流冷卻循環(huán)，超臨界壓力，向下流水棒，安全原則，安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)I.引言超臨界壓力水冷堆（SCWR）的設(shè)計(jì)概念已由東京大學(xué)進(jìn)行了研究。與輕水堆(LWR)相比，SCWR的優(yōu)點(diǎn)是

3、反應(yīng)堆系統(tǒng)簡(jiǎn)單、反應(yīng)堆和汽輪機(jī)系統(tǒng)緊湊、熱效率高。典型的SCWR設(shè)計(jì)的堆芯特性與沸水堆(BWR)和壓水堆(PWR)的堆芯特性比較見表1。在超臨界壓力下不發(fā)生沸騰。由于堆芯焓升高和采用無(wú)再循環(huán)的直流循環(huán)方式，因此堆芯冷卻劑流量比LWR小得多。堆芯流量與電功率的比值大約是BWR的1/10或者PWR的1/12。SCWR的冷卻系統(tǒng)與BWR、PWR和超臨界火電廠(FPP)的冷卻系統(tǒng)比較見圖1。SCWR采用了和FPP一樣的直流冷卻系統(tǒng)。SCWR的安全原則不同于LWR，LWR具有冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)和水位。SCWR的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全分析需要考慮這些特點(diǎn)。SCWR有高溫?zé)岫研?/p>

4、（稱為SuperLWR或SCLWR-H）和高溫快堆型（稱為SCFR-H）。SuperLWR目前主要在東京大學(xué)進(jìn)行研究，其燃料組件的橫截面見14圖2。因?yàn)镾uperLWR的堆芯流量比LWR低很多，所以在燃料棒之間需考慮狹窄的間隙，以便為排熱保持高的冷卻劑流速。目前的設(shè)計(jì)間隙是1.0mm。由于堆芯上部燃料通道內(nèi)的冷卻劑密度相當(dāng)大的降低，燃料組件含有許多中子慢化用的方形水棒。這種布置是由于均勻的子通道面積可獲得均勻的慢化。采用向下流的水棒系統(tǒng)是為了達(dá)到更高的冷卻劑出口溫度，并使軸向慢化劑密度分布更加均勻。在反應(yīng)堆壓力容器（RPV）內(nèi)的冷卻劑流動(dòng)見圖3。在目前的設(shè)

5、計(jì)中，30％的冷卻劑流量流到堆頂水室再向下通過(guò)控制棒導(dǎo)向管流入水棒，在底部水室與來(lái)自于下降腔的冷卻劑混合，然后向上流經(jīng)燃料通道。表1堆芯特性比較SCWRBWRPWR壓力(MPa)257.215.7熱/電功率(MW)2,740/1,2003,293/1,1373,411/1,180熱效率(%)43.834.534.6堆芯入口/出口溫度(_C)280/500216/286289/325堆芯流量(kg/s)1,42013,40016,700主蒸汽流量(kg/s)1,4201,7801,860堆芯流量/電功率(kg/s/MW)1.1811.814.2主蒸汽流量/電

6、功率(kg/s/MW)1.181.571.58圖1電廠系統(tǒng)比較14圖2SuperLWR（熱堆）的燃料組件圖3在RPV內(nèi)的冷卻劑流在過(guò)去的研究中進(jìn)行過(guò)SCFR-H的安全分析。SCFR-H采用如圖4所示的不帶水棒的稠密柵六角形燃料組件。結(jié)果表明流動(dòng)異常是最重要的事件，因?yàn)樵谥苯永鋮s系統(tǒng)中“給水失流”會(huì)立即導(dǎo)致“堆芯冷卻劑失流”。在SCFR-H的研究中，安全原則和安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有詳細(xì)考慮。因?yàn)镾uperLWR的電廠系統(tǒng)幾乎和SCFR-H的相同，所以SCFR-H的瞬態(tài)和事故序列可作為SuperLWR安全分析的參考。然而，由于SuperLWR14具有向下流的水棒，預(yù)

7、期它的特性會(huì)不同于SCFR-H。許多水棒作為一個(gè)熱阱預(yù)期會(huì)緩解堆芯加熱。由于冷卻劑裝量很大的頂部水室和水棒位于堆芯上游（見圖3），因此預(yù)期它們會(huì)減輕流動(dòng)異常。雖然已進(jìn)行了SuperLWR的初步安全分析，但還沒有開展安全系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文的目的是描述SuperLWR的安全原則和還未公布的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；诒疚牡脑诔R界壓力條件下的瞬態(tài)和事故分析在文獻(xiàn)11中描述?；诒疚牡氖鹿史治鰧⒃谙乱黄獔?bào)告中描述。圖4SCFR-H（快堆）的燃料組件II.安全原則直流冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是卸壓可有效冷卻堆芯。卸壓期間的冷卻劑流動(dòng)見圖5。啟動(dòng)自動(dòng)卸壓系統(tǒng)（ADS）就導(dǎo)致堆芯冷

8、卻劑流動(dòng)。向下流的水棒系統(tǒng)增強(qiáng)了這種效應(yīng)，因?yàn)樵陧敳克液退糁械?/p>