（核能科学与工程专业论文）密度锁工作特性的实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 本文通过实验研究密度锁的工作特性，对密度锁的稳态特性、启动特性 以及事故响应特性进行了研究。结果表明：稳态运行时，密度锁通道内会形 成一个稳定的热一冷流体分界面，从而将高温主冷却剂和低温事故冷却剂分 隔开；当发生主泵停转事故时，密度锁会迅速打开，使余热排出回路中的冷 却水进入堆芯进行冷却。 在稳态特性实验中，对密度锁通道内流体的稳态温度场分析得到：密度 锁内的流体从上到下大致可以分为三个区域：混合区、过渡区、恒温区。过 渡区具有较大的温度梯度，将高温流体与低温流体隔开，热一冷流体分界面 就在这一区域内。 回路稳态运行时，在主回路流量以及加热水箱的入口温度发生小幅度波 动后，密度锁仅仅依靠分界面位置的变化就能够再次关闭，而不会对回路的 正常运行和密度锁的封闭性能产生影响。 在密度锁启动时，由于回路的运行参数和稳态参数存在偏差，在一定的 偏差范围内，余热排出回路中的流体流量在启动的瞬间会出现一个较大的正 向流量波动或反向流量波动。 当发生主泵停转事故时，由于主回路上升段压降的消失，在自然循环压 头的作用下，密度锁会迅速打开，余热排出回路中也会建立一个稳定的自然 循环，这一自然循环足以带走水箱的热量。 在实验研究的基础上，通过对压降平衡关系式进行分析，得出了上、下 分界面之间的高度差和主回路流量的关系式，经过修正后，该关系式与实验 结果吻合得较好。 关键词：密度锁；热一冷流体分界面；工作特性；压降平衡 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd e n s i t yl o c k i n c l u d i n gt h e s t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h es t a r t u pc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e s p o n s eo fd e n s i t y l o c kw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti n t e r f a c eb e t w e e nt h e h o ta n dt h ec o l df l u i df o r m e di nd e n s i t yl o c ka ts t e a d y s t a t eo p e r a t i o nc o n d i t i o n a n dt h ec o o l i n gw a t e rw a ss e p a r a t e df r o mt h eh o tp r i m a r yc o o l a n tb yi n t e r f a c e w h e nt h ep u m pf a i l e d ，t h ed e n s i t yl o c kw o u l do p e na u t o m a t i c a l l y ，s ot h ec o o l a n t o ft h er e s i d u a lh e a tr e m o v a lc i r c u i tw o u l df l o wi n t ot h ec o r er a p i d l y i nt h es t e a d y s t a t ee x p e r i m e n t s ，t h es t a b l et e m p e r a t u r ef i e l do fd e n s i t yl o c k w a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l u i di nd e n s i t yl o c kw a sd i v i d e di n t o t h r e er e g i o n s ：m i x i n gr e g i o n ，t r a n s i t i o nr e g i o na n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r er e g i o n i nt r a n s i t i o nr e g i o n ，t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tw a sp r e c i p i t o u s ，t h eh o tf l u i dw a s s e p a r a t e df r o mt h ec o l df l u i d ，a n dt h e r ew a sah o t c o l df l u i di n t e r f a c ei nt h i s r e g i o n i nt h es t e a d yo p e r a t i o n ，a f t e rt h el i t t l ef l u c t u a t i o no ff l o wi np r i m a r yc i r c u i t a n de x i tt e m p e r a t u r eo ft h eh e a t e rh a p p e n e d ，d e n s i t yl o c kc o u l dq u i c k l yc l o s eo n l y b yt h ec h a n g eo fi n t e r f a c ep o s i t i o n ，w i t h o u ta f f e c t i n gt h en o r m a lo p e r a t i n go ft h e c i r c u i ta n dt h es e a l i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed e n s i t yl o c k a tt h es t a r t u po fd e n s i t yl o c k ，t h e r ew a sd e v i a t i o nb e t w e e no p e r a t i o n p a r a m e t e r sa n ds t e a d y s t a t ep a r a m e t e r s ，w h i c hc a u s e d f l o wf l u c t u a t i o ni nt h e r e s i d u a lh e a tr e m o v a lc i r c u i t w h e nt h ep u m pt r i ph a p p e n e d ，t h ed i s a p p e a r a n c eo fi r r e v e r s i b l ep r e s s u r e d i f f e r e n c eb r o k et h ep r e s s u r eb a l a n c ea tt h ei n t e r f a c e t h ed e n s i t yl o c kc o u l d q u i c k l yo p e nu n d e rt h ed r i v i n go fn a t u r a lc i r c u l a t i o n a n dt h es t a b l en a t u r a l c i r c u l a t i o nc o u l d b ef o r m e di nt h er e s i d u a lh e a tr e m o v a lc i r c u i t ；t h eh e a t i n g 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 c o m p o n e n tc o u l db ec o o l e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n t e r f a c ed i s t a n c e a n dt h ep r i m a r yc i r c u i tf l o ww a so b t m n e db yt h er e l a t i o no f p r e s s u r eb a l a n c e t h e c o r r e c t i o n a le x p r e s s i o nf i t t e dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：d e n s i t yl o c k ；i n t e r f a c eb e t w e e nh o ta n dc o l df l u i d ；w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c s ；p r e s s u r eb a l a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：孙孝蓐象 日期： 加d 7 年3 月岁日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 耐在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：强稻嚷 日期： 卵年圣月歹日 导师( 签字) ：阳吕掳 孙叩年了月箩日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 自2 0 0 2 年起，能源供应短缺的问题在世界各国逐渐严重起来，据2 0 0 4 年世界能源统计年鉴的最新数据显示，世界石油总储量为1 1 5 万亿桶，仅供 生产4 0 余年；全球天然气储量为1 7 6 万亿立方米，仅供开采约6 0 年。据统 计，全球煤炭埋藏量1 0 3 1 6 亿吨，仅够开采2 0 0 多年。而且化石能源开采具 有不可逆性不能再生，开采一点就减少一点。无论从现实还是长远看， 核电是惟一可突破能源安全瓶颈的能源。与传统化石能源比较，核能具有得 天独厚的优越性：效率更高，污染极少。 但是上个世纪7 0 年代和8 0 年代先后发生的三里岛和切尔诺贝利两次重 大核事故【2 】使得核能的发展进入了一个低潮期，投资者和公众对核电事业充 满了不信任，核电的竞争能力也因此受到了不同程度的削弱。为此，科学家 们提出了一种新颖但足以确保反应堆安全的非能动安全思想【3 ，4 】，即当核电站 发生事故时，不依赖主动措施或人为的干预，仅仅依靠自然力，如流体的重 力、自然循环等方式使系统返回正常的运行状态或者使反应堆安全停堆，这 种非能动安全系统简化了专设安全设施，减少人员干预而可能产生的误操作， 改善了人机关系，提高了核电站的固有安全性【5 。】。非能动安全思想的概念简 单明了，易于向公众宣传并为他们所理解和接受，能驱散他们心中对核的恐 惧；同时其安全性和可靠性的提高并不以牺牲经济性为代价，而是通过简化 系统结构，提高其本身的安全性来实现的，而且简化了系统，就可以缩短建 设周期，可使投资者很快得到回报。美国西屋公司设计的a p 1 0 0 0 中采用的 非能动余热排出系统【8 】就是根据非能动安全思想设计的。在反应堆正常运行 工况下，该系统处于非工作状态，这就需要用阀f - j ：t 各它与主回路系统隔开。 为了不影响非能动安全可靠性，所采用的阀门要能保证反应堆发生事故时瞬 间，在没有人员操作的条件下及时准确的开启，使两回路间建立起自然循环， 1 哈尔滨工程大学硕十学位论文 不断带走堆芯余热。 瑞典a b b 公司提出的密度锁【9 ，1 0 】就是基于非能动安全思想而设计的一项 非能动安全技术，目前已经应用在许多反应堆的概念设计中，如p i u s 反应 堆【l l - 1 3 1 、c a n d u 反应堆1 4 , 1 5 1 和i s i s 反应堆【1 6 1 等。密度锁是一个放在反应堆 事故冷却系统回路上，将反应堆的主冷却系统与事故冷却系统隔开的设备。 反应堆正常运行时，在密度锁内会形成一个稳定的热一冷流体分界面，将主 冷却剂与事故冷却剂隔开，使它们互不搅混。当反应堆出现事故时，由于堆 芯内的温度和压力也会发生较大的变化，正常运行时的平衡被打破，这时， 密度锁就会自动打开，使事故冷却剂进入堆芯进行堆芯冷却。 密度锁中没有任何运动部件，完全依靠主冷却剂和事故冷却剂之间的密 度差将二者分隔开，当密度锁中的平衡由于事故时压力的突变被打破时，事 故冷却剂就会通过密度锁进入堆芯对其进行冷却，使堆芯得到保护，从而实 现了真正的非能动。 1 2 密度锁工作原理 密度锁这一概念最早是由瑞典a b b 原子公司基于p i u s ( p r o c e s si n h e r e n t u l t i m a t es a f e t y ) 反应堆提出的【1 7 】。密度锁是p i u s 反应堆设计中实现其固有安 全的一个重要部件，在该反应堆的上、下两侧各装有一个密度锁。p i u s 反应 堆中密度锁回路的工作原理简图如图1 1 所示。由于1 通道和2 通道内的流 体的密度不同，从而会在密度锁内形成一个稳定的分界面，在一定条件下这 一分界面可以有效地阻止两通道内的流体相互搅混。由于有了这两个常开的 密度锁的存在，使高浓度含硼水池与主冷却剂系统始终保持相连。因而从结 构上保证了一个常开的自然循环路径。可以保证反应堆在发生事故时及时准 确地使反应堆停堆。下面介绍一下密度锁的工作原理： 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 图1 1密度锁匣l 路的工作原理简图 反应堆正常运行时，上、下密度锁内形成的稳定的分界面可以阻止l 通 道中的高浓度含硼水进入2 通道，而正常运行时回路中的压降满足下面的等 式： 卸l = 卸2 ( 1 - 1 ) 式中卸。表示反应堆事故冷却水池内( 图中1 通道) 上、下密度锁内分 界面之间的压降；卸：表示主回路上升段( 图中2 通道) 的压降。 根据流体力学【1 8 】： 卸l = p 。 ( 1 - 2 ) 卸2 = 成+ i 1 和。甜2 ( 1 3 ) 二 式中： 风 一应急事故冷却剂的密度，k g m 3 p c 一主冷却剂的密度，k g m 3 + p c 铲( 厶一厶) ) _ 3 p b ( 5 - 6 )：一。) 一 岛( 厶一厶) +l 厶：一( 厶一厶) l 一 整理可得： 万p 。 g ( p o 一岛) ( 厶2 + 厶- 吧) + s p 6 ( 5 7 ) 哈尔滨工程大学硕十学位论文 式中g ( 成一岛) ( 厶：+ 厶一厶) 这项是上、下密度锁内分界面之间的重位压 头差，万见和8 p b 分别为通道l 和通道2 的不可逆压力损失，主要是摩擦阻 力损失。 由式( 5 7 ) 可知，当通道1 和通道2 内流体的密度差越大，上、下分界 面之间的高度差越大，这时通道2 提供的流动阻力就越小，当发生事故时， 余热排出回路内的应急冷却剂也就更容易通过密度锁进入堆芯进行冷却。而 由于在正常运行时，通道1 和通道2 内的流体温度基本保持恒定，所以，在 设计时，必须保证上、下密度锁之间有一定的高度差。 5 2 密度锁压降平衡分析 当回路到达稳态时，余热排出回路处于非工作状态工作，此时上、下密 度锁界面满足压力平衡的条件，下面对于这个平衡条件进行简单的理论计算， 简化后的方案示意如图5 2 。 1 循环水泵2 加热水箱3 下密度锁4 换热器5 上密度锁6 大气水箱 图5 2 回路简图 5 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 稳态时，由于余热排出回路处于非工作状态，其内部的流体保持静止， 下密度锁内的分界面b 一曰处，受到余热排出回路的压力为： 互= 辟g 日+ 岛鸭 ( 5 - 8 ) 式中： 成 一 余热排出回路中低温流体的密度，k g m 3 p 。一主回路侧高温流体的密度，k g m 3 界面b b 受主回路侧a b 段的压力为： = 岛g 厶+ 嵋+ 鹋 ( 5 9 ) 式中：p h 主回路侧高温流体的密度，k g i n 3 以一a b 段的摩擦阻力，p a 鹋 一彳b 段的所有的局部阻力，p a 稳态时，分界面b b 处的压力保持平衡，即 丑= 县 整理可得： ( 成一岛) 妒= 嵋+ 卸 ( 5 1 0 ) 图5 3 给出了常压下饱和水的温度和密度的关系曲线。 温度 c 图5 3 饱和水的物性参数图 5 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 由于每次实验回路中的流体温度都不相同，因此需要对饱和水的密度和 温度关系进行拟合，以方便计算时使用。流体密度与流体的温度，压强有关。 由于实验是在常压下进行，因此回路中流体的密度仅仅是温度的单值函数， 如图5 3 所示。 通过查表【删得到饱和水某一温度对应的密度，再由o r i g i n 软件拟合得到 饱和水的密度与温度的拟合曲线，如图5 3 所示： y ：10 0 0 4 9 7 2 0 0 7 0 0 6 x o 0 0 3 5 6 x 2 从图中可以看出，曲线的重合度非常高，在误差允许的范围内，在计算时可 以通过拟合公式计算不同温度流体的密度。 5 2 1 沿程摩擦阻力的计算 法国工程师达西( d a r c y ，h ) 和水力学家魏斯巴赫( w e i s b a c h ，j l ) 在前人的实验基础上，提出了圆管沿程水头损失的计算公式4 5 】： 办，：力三生( 5 ，1 1 ) d 2 9 式中：z 一管长，m d 一一一管径，m u一主回路流速，m s g 一一重力力口速度，m s 2 名一沿程阻力系数 压降损失为： 嵋= 哆岛g = 2 i i 譬 ( 5 - 1 2 ) 主回路中流体的流速： u = q v a ( 5 1 3 ) 式中： q v 一主回路中流体的体积流量，m 3 h a一主回路管道的截面积，m 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对于圆形通道，r e 数计算表达式如下： r e = 甜d y( 5 1 4 ) 式中：d 一管径，m i ， 一流体的运动粘度，m 2 s 当r e 2 3 2 0 时： 旯= 6 4 r e( 5 1 5 ) 当2 3 2 。 r e 2 6 9 8 ( 詈 们，即4 0 0 。 r e 6 。时，摩擦阻力系数按照 勃拉休斯计算公式计算： 允：訾 ( 5 - 1 6 ) 肛i 万 d 。 当1 6 0 0 0 r e 3 1 0 6 时，摩擦阻力系数按照尼古拉兹计算公式计算： 名= 0 0 0 3 24 - o 2 2 1r e 。0 2 3 7( 5 1 7 ) 5 2 2 局部阻力的计算 对实验回路进行分析可知，主回路上升段的局部阻力主要包括以下几部 分： 1 、经过直角折管的阻力： 啊，2 f 若，邶，2 咖一g ( 5 - 1 8 ) 式中，查表得4 5 1 ，氧= 1 1 。 2 、经过9 0 。弯头的阻力： 。h | 2 = 瓦u 2 ，l u 9 1 2 = h i 2 p h g ( 5 - 1 9 ) 式中，查表得【4 5 】，f 2 = 0 1 7 3 。 3 、加热水箱出1 5 1 处管道直角进口的局部阻力： 5 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 鹋4 = h i 4 p g ( 5 - 2 0 ) 所以，主回路上升段的局部阻力为： 鹋= ( 卣+ 岛+ 乞) 华 ( 5 2 1 ) 将式( 5 1 2 ) 和( 5 2 1 ) 代入式( 5 - 1 0 ) 得： ( 辟刊g h = h 乞+ 岛+ 旯爿譬 ( 5 - 2 2 ) 式中：p c 一 低温流体的密度，k g m 3 岛一一 高温流体的密度，k g m 3 一上、下分界面之间的高度差，m ，一一- 一一管长，r n d 一一管径，m u一主回路流速，m s g一一 重力加速度，r n s 2 五一沿程阻力系数 己 一一 局部阻力系数 当回路到达稳态后，式( 5 2 2 ) 中的参数均可以确定，然后再结合式( 5 - 1 3 ) 就可以得出分界面之间的高度差和主回路流量的关系。 由式( 5 1 3 ) 和( 5 1 4 ) 可得： r e 兰丝：旦 ( 5 2 3 ) 3 6 0 0 a v 。 对加热功率为2 1 k w ，入口温度为8 1 左右的稳态工况进行分析，在此 工况下的主回路流量大于6 0 0 m 3 h ，小于7 0 0 m 3 h 。由此可得： 1 2 2 1 0 5 r e 1 4 3 1 0 5 所以，沿程阻力系数用式( 5 1 7 ) 进行计算。 2 一g ”一2 尸j 、 l i 4 o 鸣 50 = 幺 得 m 算 汁表查 哈尔滨工程大学硕十学位论文 将式( 5 1 7 ) 和( 5 2 3 ) 以及查表得到流体的物性参数代入式( 5 2 2 ) ， 得： h = 0 0 7 7 q ，2 + 0 0 9 6 9 q ，1 7 6 3 ( 5 2 4 ) 式中：h分界面之间的高度差，m 吼一一 主回路流体的体积流量，r n 3 h 式( 5 - 2 4 ) 给出稳态工况下分界面之间高度差和主回路流体的体积流量 的关系式。 5 2 3 计算结果分析 根据式( 5 2 4 ) ，针对加热功率为2 1 k w ，入口温度为8 1 左右，主回 路流量不同的稳态工况进行了计算，并将实验结果和理论计算结果进行比较， 如图5 4 所示。 流量m 图5 4 实验值与计算值的比较曲线 由图5 4 可以看出，计算值和实验值的趋势是大致相同，分界面之间的 高度差随着主回路流量的增大而增大；但是，由图可以看出，相同流量下， 计算得到的高度差要比实验值低，造成这种现象的原因主要是： 1 、在式( 5 - 2 4 ) 的推导过程中，对主回路上升段的阻力压降考虑不全， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 沿程阻力系数以及局部损失系数的计算上存在误差，致使阻力压降计算偏小。 2 、实验过程中，由于实验装置的管路较长，回路中的流体不断地向环境 散热，主回路上升段上部的流体温度有所降低，使得高温流体和低温流体之 间的密度差的理论值大于实际值，从而导致计算得到的高度差要小于实验值。 由于理论值和实验值的趋势大致相同，因此，对式( 5 - 2 4 ) 乘以一个修 正系数以进行修正，得： h = 0 0 9 2 4 q ，2 + 0 1 1 2 8 q ，1 7 6 3 ( 5 2 5 ) 图5 5 给出了修正后的曲线和修正前曲线以及实验值的比较结果。 流量m 3 h 图5 5 实验值与计算值的比较曲线 如图5 5 所示，修正后的曲线与实验值相差不大，因此，可以将式( 5 2 5 ) 作为密度锁的特性曲线，并利用该式来确定密度锁启动时的流量范围，以及 判断密度锁的启动状态。 稳态时，分界面位置的变化局限在密度锁通道内。由此可知高度差的变 化范围： 6 8 9 5 m h 7 4 9 5 m 代入式( 5 2 5 ) 可得出加热功率为2 1 k w ，入口温度为8 1 的工况下，主回 s 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 路流量的范围： 吕 j l l l j 憾 恒 6 4 6 7 m 3 h q ， 6 7 5 8 m 3 h 6 4 56 5 06 5 56 6 06 6 56 7 06 7 56 8 0 流量m 3 h 图5 6 高度差与主回路流量的关系曲线 图5 6 给出的是加热功率为2 1 k w ，入口温度为8 1 的工况下，密度锁 启动时的流量范围内分界面之间的高度差和主回路流量的关系曲线。 墨 j | i j 越 幄 7 5 7 4 7 3 7 2 7 1 7 o 6 9 6 8 6 4 56 5 06 5 56 6 06 6 56 7 06 7 56 8 0 流量m 3 m 图5 7 高度差与主回路流量的关系曲线 5 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 图5 7 给出的是4 3 2 节反向流量启动前后分界面之间高度差变化情况。 如图所示，a 点表示的是密度锁启动前分界面之间的高度差，a 表示的是密 度锁启动后到达稳态时分界面之间的高度差。从图中可以看出，密度锁启动 时，由于分界面之间的高度差偏小。因此，在开启余热排出回路隔离阀时， a 点会向a 移动，即分界面之间的高度差增大，也就是说下密度锁内的分界 面向下移动，此时余热排出回路会产生一个流动方向与自然循环流动方向相 反的流量波动。当分界面之间的高度差到达a 位置后，此时压降保持平衡， 分界面稳定在该位置处。 因此，可以根据图5 7 判断密度锁的启动状态，当阀门开启时的工况点 落于图中曲线上方，则为正向流量启动；当阀门开启时的工况点落于图中曲 线下方，则为反向流量启动。 5 3本章小结 本章着重从理论方面对密度锁的工作特性进行分析，分析中我们发现： 1 、在设计实验装置时，必须保证上、下密度锁之间有一定的高度差。 2 、根据分界面处的压降平衡关系式，提出了上、下分界面之间的高度差 和主回路流量的关系式，经过修正后，该关系式与实验结果吻合的较好。 3 、通过该关系式，可以确定密度锁启动时的主回路流量范围，以及判断 启动状态。 5 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 结论 本文主要是通过实验对密度锁的启动特性、稳态特性以及事故响应特性 进行研究，并通过理论计算对密度锁稳态工作特性进行初步分析，并确定密 度锁启动的主回路流量范围。主要结论如下： 1 、回路正常运行时，密度锁通道内会形成稳定的热一冷流体分界面，从 而将高温主冷却剂和低温事故冷却剂分隔开，对密度锁内稳态温度场进行分 析，将密度锁内的流体在竖直方向上分为三个区域：混合区、过渡区、恒温 区。热一冷流体分界面存在于过渡区内。 2 、当主回路上升段的压降去乞岛甜2 与余热排出回路的自然循环压头 p 办保持平衡时，分界面就能够长期稳定在密度锁通道内，从而将主回路 和余热排出回路隔开。在回路稳态运行时，由于主回路流体流动对下密度锁 内流体产生的扰动作用，密度锁内部的热一冷流体分界面在某一位置处上下 波动，但波动振幅较小，对回路的正常工作和密度锁的封闭效果不会产生影 响。 3 、在回路达到稳态后，改变主回路流量或降低加热水箱出口温度，会打 破分界面处的压降平衡，导致下密度锁内分界面的位置发生变化，而分界面 位置的变化会使得分界面处的压降重新达到平衡。我们将这种仅仅依靠分界 面位置的变化来消除一些参数波动产生的影响的特性称为密度锁的自平衡稳 定特性。 4 、根据密度锁的自平衡特性，提出了密度锁的启动方式一一自平衡启动。 在开阀后，由于回路的运行参数和稳态参数存在一定的差值，密度锁内的分 界面位置会发生变化，余热排出回路中的流量也会在开阀的时候出现较大的 反向或正向流量波动。当分界面到达某一位置使得主回路上升段的压降和余 热排出回路的自然循环压头相平衡时，分界面稳定在该位置处，密度锁内的 哈尔滨下程大学硕士学位论文 温度场不再变化，余热排出回路中的流体流量为o k g s ，密度锁处于关闭状态。 在开阀时，回路的运行参数和稳态参数之间的偏差不能太大，如果偏差太大， 分界面会移出密度锁，使密度锁失去效用，也就是说密度锁的启动失败。 5 、当发生主泵停转事故时，在自然循环压头的作用下，密度锁会迅速打 开，余热排出回路中也会建立一个稳定的自然循环，并带走水箱的热量。 6 、根据分界面处的压降平衡关系式，提出了上、下分界面之间的高度差 和主回路流量的关系式，经过修正后，该关系式与实验结果吻合的较好。通 过该关系式，可以确定密度锁启动时的主回路流量范围，以及判断启动方式。 在密度锁的下一步研究中，要加强密度锁的启动特性方面的研究，进一 步明确密度锁的启动条件，确定密度锁的启动方式；并对密度锁通道内的栅 格结构进行改进以增大流体在密度锁通道内的流动阻力。这对密度锁投入实 际应用具有重要意义。 6 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 参考文献 刘洪涛，郑春开，姚淑德等人类生存发展与核科学北京大学出版 社2 0 0 1 ：5 3 6 2 页 王乃彦核电站安全性分析世界科技研究与发展，2 0 0 2 ，2 4 ( 6 ) ：1 4 1 7 - - 一 贝 廖永达核动力非能动安全特性研究，哈尔滨工程大学硕士学位论文， 2 0 0 3 ：1 。5 页 盛维兰非能动安全在压水堆设计中的应用，核动力工程，1 9 9 1 ，1 2 ( 3 ) ： 9 4 9 6 页 周跃民，望明利先进压水堆关键技术研究与开发核动力工程，2 0 0 2 ， 2 3 ( 1 ) ：1 - 4 ，1 1 页 朱继洲核反应堆安全分析西安：西安交通大学出版社，2 0 0 0 ：1 0 2 1 页 a n d e r sm a r t e n s s o n i n h e r e n t l ys a f er e a c t o r s e n e r g yp o l i c y ，19 9 2 ：6 6 0 6 7 1 p 西屋电气公司西屋公司的a p l 0 0 0 先进非能动型核电厂现代电力， 2 0 0 6 ，2 3 ( 5 ) ：5 5 - 6 5 页 j u h np e ，k u p i t zj ，c l e v e l a n dj ，c h ob i a e aa c t i v i t i e so np a s s i v es a f e t y s y s t e m sa n do v e r v i e wo fi n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n t n u c l e a re n g i n e e r i n g a n dd e s i g n 2 0 0 0 ，2 01 ：4 8 - 5 4 p c h r i s t e np i n d t h es e c u r eh e a t i n gr e a c t o r n u c l e a rt e c h n o l o g y ，1 9 8 7 ，7 9 ： 1 7 5 18 5 p t o rp e d e r s e n p i u s s t a t u sa n dp e r s p e c t i v e s n u c l e a re n g i n e e r i n ga n d d e s i g n ，1 9 9 2 ，1 3 6 ：1 6 7 - 1 7 7 p 尹耀铮p i u s 反应堆核电站发展概况核动力工程，1 9 8 9 ，1 0 ( 5 ) ：8 3 8 8 6 2 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j n u l 2 n 眩 p m 芦 p 哆 妙 u n n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 页 【1 3 】 1 4 】 2 0 【2 i 2 2 2 3 b a b a l a p r e s s u r i z e dw a t e rr e a c t o ri n h e r e n tc o r ep r o t e c t i o n b yp r i m a r y s y s t e mt h e r m o h y d r a u l i c s n u c l e a rs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g 1 9 8 5 ，9 0 ： 4 0 阻4 1 0 p m e h e d i n t e a n us a na p p l i c a t i o no ft h en e ww a yt op r e v e n tc o r em e l t i n gi n p r e s s u r et u b er e a c t o r ( c a n d ut y p e ) a n n a l so fn u c l e a re n e r g y ，2 0 01 ，2 8 ： 7 9 。8 8 p 钱剑秋c a n d u 核电机组的特点与发展核科学与工程，2 0 0 3 ， 2 3 ( 3 ) ：1 9 3 - - 2 1 0 页 l c i n o t t i ，f l r i z z o t h ei n h e r e n t l ys a f ei m m e r s e ds y s t e m ( i s i s ) r e a c t o r n u c l e a re n g i n e e r i n ga n d d e s i g n ，1 9 9 3 ，1 4 3 ：2 9 5 3 0 0 p k a r eh a n n e r z a p p l y i n gp i u st op o w e rg e n e r a t i o n ：t h es e c u r e - pl w r n u c l e a re n g i n e e r i n gi n t e r n a t i o n a l 1 9 8 3 ：4 1 4 6 p 孔珑工程流体力学山东：中国电力出版社，2 0 0 1 ：1 0 9 1 1 6 页 k t a s a k a , s i m a i f e e d b a c kc o n t r o lo fap r i m a r yp u m pf o rs a f ea n ds t a b l e o p e r a t i o no fap i u s t y p er e a c t o r n u c l e a re n g i n e e r i n ga n dd e s i g n ，19 9 3 ， 1 4 4 ：3 4 5 3 5 2 p t a k a h i r oi t o ，t e t s u y ak a m i h a m a ，f u m i y o s h in o b u h a r a t h e r m a l - h y d r a u l i c e x p e r i m e n t so fa na d v a n c e dp i u s t y p er e a c t o r i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o nn u c l e a re n g i n e e r i n g a s m e ，1 9 9 6 ，2 ：1 6 3 - 1 7 0 p k a n j it a s a k a ，m a s a y o s h it a m a k i ，s a t o s h ii m a i a t m o s p h e r i c - p r e s s u r e s m a l l - s c a l et h e r m a l - h y d r a u l i ce x p e r i m e n to fap i u s t y p er e a c t o r j o u r n a l o f n u c l e a rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，2 9 ( 1 2 ) ：1 1 5 2 11 6 1 p k a t s u h i r oh a g a ，k a n j it a s a k a ，y u t a k ak u k i t a t h es i m u l a t i o nt e s tt os t a r t u pt h ep i u s t y p er e a c t o rf r o mi s o t h e r m a lf l u i dc o n d i t i o n j o u r n a lo f n u c l e a rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 19 9 5 ，3 2 ( 9 ) ，8 4 6 - 8 5 4 p t a k a h i mi t o ，y o s h i y u k i t s u j i ，m a s a y o s h it a m a k i r e c o u p l i n ga n d 6 3 靶 q 刀 踟 n u n n n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d e c o u p l i n go fp a r a l l e ll o o p si ns i m u l a t e dp i u s - t y p er e a c t o rs h u t d o w na n d r e s t a r tt r a n s i e n t s j o u r n a lo fn u c l e a rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 1 9 9 7 ，3 4 ( 11 ) ， 1 0 7 0 7 8 p 【2 4 】j r 威尔特，c e 威克斯等动量、热量和质量传递原理北京：化 学工业出版社，2 0 0 5 【2 5 】e l l i s o n ，t h ，t u r n e r ，j s t u r b u l e n te n t r a i n m e n ti ns t r a t i f i e df l o w s j f l u i d m e c h 19 5 9 ，6 ：4 2 3 - 4 4 8 p 2 6 】p i n d ，c ，f r e d e l l ，j s u m m a r yo ft h e o r e t i c a la n a l y s e sa n de x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no fp i u sd e n s i t yl o c kd e v e l o p m e n tp r o g r a m i a e at e c h n i c a l c o m m i t t e em e e t i n g ( t c m ) o np r o g r e s si nd e v e l o p m e n ta n dd e s i g n a s p e c t so fa d v a n c e dw a t e r - c o o l e dr e a c t o r s r o m e ，19 91 ：213 219 p 2 7 】t u r n e r ，j s t h ei n f l u e n c eo f m o l e c u l a rd i f f u s i v i t yo nt u r b u l e n te n t r a i n m e n t a c r o s sad e n s i t yi n t e r f a c e j f l u i dm e c h ，1 9 6 8 ，3 3 ：6 3 9 6 5 6 p 2 8 】l i n d e n ，p f t h ei n t e r a c t i o no fav o r t e xr i n gw i t has h a r pd e n s i t yi n t e r f a c e ： am o d e lf o rt u r b u l e n te n t r a i n m e n t j f l u i dm e c h ，17 9 3 ，6 0 ：4 6 7 4 8 0 p 【2 9 】l o n g ，r at h e o r yo fm i x i n gi nas t a b l ys t r a t i f i e df l u i d j f l u i dm e c h ，19 7 8 ， 8 4 ：1 1 3 1 2 4 p 3 0 m a r i od es a l v e ，g i o v a n n i d e lt i n t e m p e r a t u r ef i e l da n d t r a n s p o r t p h e n o m e n aa c r o s sad e n s i t yi n t e r f a c e i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nn u c l e a r e n g i n e e r i n g ，19 9 6 ，1 ：16 3 - 17 0 p 31 m a s a h i r oo s a k a b e ，t o s h i s u k ek u b o e n t r a i n m e n tb e h a v i o ro nd e n s i t y i n t e r