CEFR事故余热排出系统稳态热工流体计算

邰永　余华金

摘 要：论述了CEFR事故余热排出系统的基本构成和工作原理，给出了该系统热工流体计算的稳态数学模型，并由此编制了该系统的稳态热工水力计算程序，计算结果与已有数据吻合较好，验证了数学模型的正确性，对后续的快堆事故余热排出系统的设计具有一定的指导意义。

关键词：CEFR；事故余热排出系统；稳态；热工流体

中图分类号：TL353.13 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0146-03

1 事故余热排出系统的作用

中国实验快堆（以下简称CEFR）是我国第一座快堆，相比于压水堆，快堆具有增殖和嬗变的两大优势，是第四代核能系统的优选堆型。

事故余热排出系统作为CEFR快堆最重要的专设安全设施之一，是实现反应堆在事故工况下余热排出的安全功能的主要手段，对保持堆的各屏障的完整性，避免放射性物質向周围环境释放具有重要作用。

当快堆运行中遭遇地震作用、系统供电全部中断以及所有蒸汽发生器供水中断的情况时，其堆芯热量无法通过主热传输系统的一、二、三回路正常导出，为了能够有效导出堆芯余热，避免发生堆芯熔化等重大事故，在快堆中设置了专门用于堆芯余热排出的事故余热排出系统，依靠这个系统使堆芯和整个反应堆得到冷却，保证燃料棒、堆内构件和堆容器处于可接受的温度限值范围内，从而保障反应堆的安全。

2 CEFR事故余热排出系统的基本构成和工作原理

CEFR事故余热排出系统示意图，如图1所示。由图中可以看出，系统包含3个回路，即堆芯回路、中间回路和空冷器冷却回路。堆芯回路包括堆芯、热钠池、中间热交换器、冷池、泵和栅板联箱；中间回路包括独立热交换器管侧和空冷器管侧；空冷器冷却回路包括风门、空冷器壳侧和通风塔。

堆芯回路由堆芯、热钠池、中间热交换器、冷池、泵和栅板联箱组成。一次钠泵从冷池吸入冷钠，由泵加压后送到栅板联箱，经过堆芯加热后，冷钠变成热钠，在热钠池交混后进入中间热交换器，重新流入冷池，这样就完成一个回路的循环。

中间回路由独立热交换器管侧、空冷器管侧和回路管道构成。独立热交换器安放在热钠池主容器和挡板构成的环隙内，它为管壳结构，一次钠从壳的上部窗口进入，经管间向下流，然后从壳的下部窗口回到环隙下部。二次钠从独立热交换器顶部进入中央下降管，流到底部腔室后转向进入传热管内，钠从传热管内自下而上流过，进入上腔室，然后进入回路管，流到空冷器的上集流管，再经传热管流向下集流管，最后经回路管回到独立热交换器，构成一个封闭回路。

空冷器冷却回路包括风门、空冷器壳侧和通风塔。空气从空冷器下部风门进入，经空冷器传热管间隙流过，最后由通风塔排到大气，可近似看作一个回路。为了模拟衰变热排放过程，建立了系统计算的简化模型如图2所示[1-3]。

3 事故余热排出系统的稳态换热计算

为了验证系统以及系统内主要设备的设计是否满足预先的要求，需要对系统在名义冷却工况下的主要技术特性和参数进行计算。

4 事故余热排出系统推动力和阻力计算

独立热交换器置于反应堆钠池中，处于热态。空气热交换器是通过空气将热散入大气，处于冷态。两者之间形成温差。同时由于两者标高不同，形成位差。因此，温差和位差形成自然循环驱动力。此推动力克服在回路中流经管道和设备时产生的阻力。在稳态工况下，系统的自然循环推动力与系统的管道和设备阻力总是相等的，即P动=P阻。

在计算系统中间回路的驱动力时，做了如下近似假设：

回路时绝热的，即上行管道时等温的热态温度，下行管道是等温的冷态温度。

在热交换器的管道中温度沿高度呈线性变化。

自然循环的推动力公式为：

P动=g×β×ρc×（T2out-T2in）×（ZX-ZF）

g为重力加速度，β为钠体积膨胀系数，ρc为冷态流体密度，T2out为热态流体温度，T2in为冷态流体温度，ZX为空气热交换器散热段中心标高，ZF为独立热交换器吸热段中心标高。

系统中独立热交换器和空气热交换器的阻力计算在前面已经给出，本节只给出管道的阻力计算。系统中间回路的管道可以看作是许多直管和弯管的组合，因此管道内的流动阻力将由摩擦压降和局部压降来决定。

4.1 由摩擦力引起的压力损失

计算按下列公式进行：

5 CEFR事故余热排出系统稳态结果

根据上节给出数学模型，利用Fortran语言编制了CEFR事故余热排出系统的稳态热工水力计算程序，通过对独立热交换器和空气热交换器以及相对应的三条回路进行建模和计算，得到CEFR事故余热排出系统名义冷却工况下的热工水力参数如表2所示。

通过上表可以看出，三条回路的流量和温度参数与现有数据的误差都在1%以内，结果吻合较好。这就验证了系统稳态模型和计算方法的正确性。可以将这种数学模型和计算方法应用到后续的大型商业快堆的事故余热排出系统的设计计算，可以将设计的独立热交换器和空冷器放入到程序中进行计算，以验证设备的设计是否满足系统的性能要求，也可以通过程序对设备的相关结构参数以及系统整体参数进行修改，最终得到满足系统要求的设计结果，这对于后期的示范快堆事故余热排出系统的设计具有很好的指导意义。

参考文献

[1]廖智杰，任玉新，沈孟育，杨福昌，杨志明.在事故工况下快堆衰变热排放的数值模拟[J].应用基础与工程科学学报，1998，6（1）：59-64.

[2]廖智杰，任玉新，沈孟育，杨福昌，杨志明.中国实验快堆事故停堆后余热排放过程的数值模拟[J].核科学与工程，1999，19（3）：201-209.

[3]许义军.中国实验快堆钠池三维热工水力分析[D].中国原子能科学研究院，2003.

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