（核能科学与工程专业论文）密度锁内水力特性的研究.pdf

r e s e a r c ho nt h e h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c si n t h ed e n s i t yl o c k c a n d i d a t e ：g uh a i f e n g s u p e r v is o r ：p r o f y a nc h a n g q i a c a d e m icd e g r e ea p p li e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：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 d a t eo fs u b m is s i o n ：s e p t e m b e r2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：d e c e m b e r2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y lllilllii叫川刮 一 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) ：夸强率 日期：1 的9 年f 明1 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( 口在授予学位后即可留在授予学位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) ：务晦啐 日期：如口q 年1 7 - 月钼 导师( 签字) ：l 飘荡掳 叶年f 弘月多日 。 密度锁内水力特性的研究 摘要 密度锁是实现反应堆固有安全的一个重要部件，它的“关闭和“开 启”不需要任何能动设备和操作人员的干预，而完全依靠反应堆自身的运 行特性来控制。因此，将密度锁应用于现有分散式压水堆的非能动余热排 出系统中，对提高下一代反应堆的固有安全具有重要意义。密度锁能否成 功被应用主要取决于两个条件：密度锁内能否形成稳定的冷热流体交界面； 交界面在密度锁内能否达到水力平衡。 本论文主要采用实验研究和理论分析相结合的方法，对密度锁成功应 用的两个条件进行研究，包括对密度锁内流体分层特性、分层形成机理以 及水力平衡特性的研究。 首先，对密度锁内分层形成过程进行可视化实验研究，并在实验研究 的基础上建立了传热机理模型，对密度锁内冷热流体间的传热特性进行理 论分析。研究结果表明：密度锁内工质自上而下可以分为三层：混合层、 界面层和恒温层。界面层就如同阀门中的瓣膜一样，隔离着其上、下的热 冷流体。密度锁内分层形成机理主要是其内存在传热方式由对流到导热的 转变点，从而造成其内竖直方向上工质温度上升速率的差别，最终形成分 层：采用变通道截面的密度锁能有效地控制传热方式转变点的出现位置。 另外，对分层稳定性的研究表明密度锁内存在高幅脉动和低幅脉动两种不 稳定性，高幅脉动的发生将加剧冷热交界面处的传热。 然后，根据分层特性的研究对密度锁的结构进行优化，并将优化后密 度锁应用于非能动余热排出系统中，建立模拟实验回路，对其水力平衡特 性进行实验研究。研究结果表明：密度锁内的水力平衡是一种动态平衡， 而且在一定范围内具有自稳定特性，即当反应堆运行参数与密度锁内的水 力平衡条件存在小幅度的偏离时，不需要外界动力的干预，仅仅借助密度 锁内热冷界面位置的改变，便能重新达到水力平衡，使密度锁“关闭”。 基于动平衡和自稳定特性，提出了一种密度锁内水力平衡的建立方法 自平衡启动方法，并通过理论分析给出了实现自平衡启动所需要满足的条 哈尔滨工程大学博士学位论文 置_ _ 皇i i 暑置审置皇_ _ i 暑暑宣置皇宣暑蕾i j i i 皇| 皇宣暑| 嗣暑i 葺ii 皇l 暑暑| i i 宣i 暑置置一 件。同时对该方法进行了实验验证，结果表明：当启动流量满足自平衡启 动条件时，通过自平衡启动方法可以成功建立密度锁内的水力平衡。 最后，在实验研究的基础上，建立密度锁内水力平衡的计算模型，预 测成功建立水力平衡的启动流量，并对水力平衡建立的瞬态特性进行分析。 使用该模型计算的平衡流量与实验结果吻合较好，该模型计算结果通过了 自平衡启动的实验验证；分析了不同因素对自平衡启动能力的影响，这一 分析表明适当地增加密度锁的高度有助于提高密度锁的自平衡启动能力。 关键词：密度锁；蜂窝结构；非能动；固有安全；分层机理；水力平衡； 自稳定 ， 密度锁内水力特性的研究 l 宣_ i l _ 誓ii ii ii _ i i _ _ i _ i a b s t r a c t t h ed e n s i t yl o c ki sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n tt or e a l i z et h ei n h e r e n ts a f e t y o ft h er e a c t o r t h e c l o s u r e a n d o p e n o ft h ed e n s i t yl o c kc o m p l e t e l yd e p e n d o nt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e a c t o rw i t h o u ti n t e r v e n t i o no fa c t i v e c o m p o n e n ta n do p e r a t o r s t h ea p p l i c a t i o no ft h ed e n s i t yl o c ki np a s s i v e r e s i d u a lh e a tr e m o v a ls y s t e m so fc u r r e n td i s p e r s e dp w r sw i l l s i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h ei n h e r e n ts a f e t yo fn e x tg e n e r a t i o nr e a c t o r s w h e t h e rt h ed e n s i t y l o c kc a nb ea p p l i e ds u c c e s s f u l l yo rn o td e p e n d sm a i n l yo nt h ef o l l o w i n gt w o c o n d i t i o n s ：a w h e t h e rt h es t a b l es t r a t i f i c a t i o nb e t w e e nc o l da n dh o tf l u i d sc a n b ef o r m e di nt h ed e n s i t yl o c k ；b w h e t h e rt h eh y d r a u l i cb a l a n c ec o n d i t i o n sc a n b em e ta tt h ei n t e r f a c e w i t ht h em e t h o d so fe x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i s d i s s e r t a t i o nm a k er e s e a r c h e so nt h et w oc o n d i t i o n sw h i c hc a ne n s u r et h e d e n s i t yl o c kc a nb ea p p l i e ds u c c e s s f u l l y , i n c l u d i n gs t r a t i f i e dc h a r a c t e r i s t i c s ， f l u i ds t r a t i f i c a t i o nm e c h a n i s ma n dh y d r a u l i cb a l a n c ec h a r a c t e r i s t i c si n t h e d e n s i t yl o c k f i r s t l y , v i s u a l i z e de x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e do nt h ef o r m i n gp r o c e s so f s t r a t i f i c a t i o ni nt h ed e n s i t yl o c k o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h e h e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mm o d e li sb u i l ta n dt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e nh o ta n dc o l df l u i d sa r ea n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw o r k i n g f l u i di nt h ed e n s i t yl o c kc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ez o n e sf r o mt o pt ob o t t o m ： m i x i n gl a y e r , i n t e r r a c i a ll a y e r ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r el a y e r i n t e r f a c i a ll a y e r w o r k sa sav a l v ea n dc a ns e p a r a t et h eh o tf l u i df r o mc o l df l u i dw i t h o u tm i x t u r e t h es t r a t i f i c a t i o nm e c h a n i s mi st h a tb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo ft h et r a n s i t i o n p o i n t si nt h eh e a tt r a n s f e rm o d e s ，t h ed i f f e r e n c e si nt h er a t e so ft e m p e r a t u r e i n c r e a s ea p p e a r i ti st h e s ed i f f e r e n c e sw h i c hg i v et h ea p p e a r a n c eo ff l u i d s t r a t i f i c a t i o n t h ed e n s i t yl o c kw i t has t r u c t u r eo fv a r i a b l ec r o s ss e c t i o ng r i d s c a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ep o s i t i o no ft h et r a n s i t i o np o i n t so ft h eh e a tt r a n s f e r m o d e s i na d d i t i o n ，t h er e s e a r c ho nt h es t r a t i f i e ds t a b i l i t yi n d i c a t e st h a tt h e r e 哈尔滨工程大学博士学位论文 _ 皇- _ 覃皇宣_ j _ 叠皇膏 i , i i 叠皇譬 a r et w ok i n d so fi n s t a b i l i t i e s - - h i 曲a m p l i t u d eo s c i l l a t i o na n dl o wa m p l i t u d e o s c i l l a t i o n h i g ha m p l i t u d eo s c i l l a t i o n w i l l b r i n gv i g o r o u s h e a tt r a n s f e r b e t w e e ns t r a t i f i e df l u i d s t h e n ，t h es t r u c t u r eo ft h ed e n s i t yl o c ki so p t i m i z e da c c o r d i n gt o t h e r e s e a r c ho nt h es t r a t i f i e dc h a r a e t e r i s t i e s ，刀 eo p t i m i z e dd e n s i t yl o c ki sa p p l i e d i nt h ep a s s i v er e s i d u a lh e a tr e m o v a ls y s t e ma n das i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a ll o o p i sb u i k m o r e o v e r ，c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cb a l a n c ei ss t u d i e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eh y d r a u l i cb a l a n c ei nt h ed e n s i t yl o c ki sc h a r a c t e r i z e da sd y n a m i c b a l a n c ea n ds e l f - s t a b i l i t yi nac e r t a i nr a n g e n a m e l y , b yv i r t u eo ft h ec h a n g eo f t h eh o t c o l di n t e r f a c i a lp o s i t i o ni nt h ed e n s i t yl o c k ，t h eh y d r a u l i cb a l a n c ei n t h ed e n s i t yl o c kc a nb er e c o v e r e da g a i nt om a k et h ed e n s i t yl o c kc l o s e d w i t h o u tt h eh e l po fa c t i v ec o m p o n e n t s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i c b a l a n c ea n ds e l f - s t a b i l i t y , am e t h o d ( s e l f - b a l a n c es t a r t u p ) t oe s t a b l i s ht h e h y d r a u l i cb a l a n c ei nt h ed e n s i t yl o c ki sp r o p o s e d t h er e q u i r e m e n t st or e a l i z e t h es e l f - b a l a n c es t a r t u pa r eg i v e nt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s m o r e o v e r , e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no nt m sm e t h o di sd o n e t h er e s u l ts h o w st h a t h y d r a u l i cb a l a n c ei nt h ed e n s i t yl o c kc a nb ee s t a b l i s h e ds u c c e s s f u l l yw i t ht h e m e t h o do fs e l f - b a l a n c es t a r t u p ，w h e nt h es t a r t - u p f l o wi sm e tw i t ht h e c o n d i t i o n so fs e l f - b a l a n c es t a r t u p l a s t l y ，o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , ac o m p u t a t i o n a lm o d e lf o r t h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cb a l a n c ei nt h ed e n s i t yl o c ki sd e v e l o p e d w i t ht h i s m o d e l ，s t a r t u pf l o ww h i c h c a l le n s u r et h ee s t a b l i s h m e n to ft h eh y d r a u l i c b a l a n c ei sf o r e c a s t e d ，a n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c si nt h ep r o c e s so fb u i l d i n g t h eh y d r a u l i cb a l a n c ea r ea n a l y z e d t h eb a l a n c e df l o wc a l c u l a t e db yt h i sm o d e l c o i n e i d e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ev e r i f i e d b vt h ee x p e r i m e n to fs e l f - b a l a n c e ds t a r t - u p t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e a b i l i t yo fs e l f - b a l a n c es t a r t - u pa r ea n a l y z e d ，a n dt h i sa n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h e i n c r e a s eo ft h eh e i g h to ft h ed e n s i t yl o c kp r o p e r l yi sb e n e f i c i a lt oi m p r o v et h e a b i l i t yo fs e l f - b a l a n c es t a r t u p 密度锁内水力特性的研究 k e yw o r d s ：d e n s i t yl o c k ；h o n e y c o m bs t r u c t u r e ；p a s s i v e ；i n h e r e n ts a f e t y ； s t r a t i f i c a t i o nm e c h a n i s m ；h y d r a u l i cb a l a n c e ；s e l f - s t a b i l i t y 密度锁内水力特性的研究 目录 第1 章绪论1 1 1 论文研究背景及意义1 1 2 密度锁的应用4 1 2 1 采用密度锁的新型概念反应堆4 1 2 2 密度锁在非能动余热排出系统中的应用一9 1 3 密度锁的研究发展现状1 1 1 3 1 密度锁内流体分层特性研究1 1 1 3 2 密度锁内界面控制研究1 4 1 4 存在的主要问题1 7 1 5 本论文主要研究内容1 8 第2 章实验装置与实验方法1 9 2 1 流体分层特性实验装置一1 9 2 1 1 主体部分2 0 2 1 2 上水箱工质循环回路2 0 2 1 3 温度控制系统2 0 2 1 4 温度测量系统2 2 2 2 水力平衡特性实验装置2 2 2 2 1 主回路2 3 2 2 2 非能动余热排出回路2 5 2 2 3 辅助回路2 6 2 2 4 参数测量系统2 7 2 2 5 实验参数范围2 8 2 3 实验装置调试一2 8 2 4 实验方案与步骤2 9 2 4 1 分层特性实验方案与步骤3 0 2 4 2 水力平衡特性实验方案与步骤3 1 哈尔滨工程大学博士学位论文 2 5 本章小结3 2 第3 章密度锁内分层机理研究3 3 3 1 密度锁内分层形成特性的实验研究3 3 3 1 1 典型实验现象3 3 3 1 2 分层形成特性曲线3 4 3 2 密度锁内分层传热特性分析3 7 3 2 1 物理模型与基本假设3 7 3 2 2 基本方程及边界条件3 8 3 2 3 对流换热系数的计算”4 0 3 2 4 计算结果分析4 1 3 3 分层形成机理分析4 3 3 4 密度锁内界面层稳定性4 7 3 4 1 低幅脉动4 8 3 4 2 高幅脉动”4 8 3 4 3 界面层稳定性分析“5 0 3 5 主要因素对分层特性的影响5 2 3 5 1 管径对混合层厚度的影响5 3 3 5 2 温差对分层特性的影响5 4 3 5 3 隔板对分层特性的影响5 7 3 6 本章小结5 9 第4 章密度锁内水力平衡特性的实验研究6 1 4 1 密度锁内的水力平衡条件分析6 1 4 2 水力平衡特性的实验研究6 5 4 2 1 密度锁封闭性6 5 4 2 2 动态平衡特性6 6 4 2 3 自稳定特性6 8 4 2 4 密度锁与阀门隔离特性对比7 6 4 3 密度锁内水力平衡的建立7 7 4 3 1 自平衡启动方法的理论分析7 7 4 3 2 自平衡启动方法实验研究8 0 密度锁内水力特性的研究 4 4 本章小结9 5 第5 章密度锁内水力平衡特性的数值计算9 7 5 1 物理模型与基本假设9 7 5 1 1 回路划分”9 7 5 1 2 基本假设“9 8 5 1 3 回路流动基本方程”9 8 5 2 温度分布假设9 9 5 3 重位驱动压头计算1 0 0 5 3 1 温度交界面位置的确定1 0 1 5 3 2 密度的确定- 1 0 2 5 4 阻力压降“10 3 5 4 1 沿程摩擦阻力计算1 0 3 5 4 2 局部阻力计算1 0 3 5 5 平衡流量的确定”1 0 5 5 5 1 最大平衡流量计算1 0 5 5 5 2 最小平衡流量计算1 0 5 5 6 数值计算方法“1 0 6 5 7 程序的编制“1 0 7 5 7 1 程序计算步骤1 0 7 5 7 2 程序计算框图10 8 5 8 计算结果分析“1 0 9 5 8 1 水力平衡建立瞬态计算结果1 0 9 5 8 2 启动流量的预测1 1 2 5 8 3 平衡流量的影响因素分析- 1 1 8 5 9 本章小结“1 2 1 结论1 2 3 参考文献“1 2 7 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 3 6 致谢1 3 7 煤炭燃烧提供能量一直以来都是众多能源方式中的主流。尽管世界的煤炭 储量丰富，但是前景并不乐观，如果继续保持现有开采速度，所有煤炭储 藏也仅够开采几十年。与此同时，大量燃煤将造成严重环境污染，释放出 大量的二氧化碳，二氧化硫等有害气体，致使全球温度不断升高，冰川面 临消融，酸雨现象不断出现等许多严重的环境问题。因此，必须找到一种 可替代能源来缓解能源和环境两大问题。核能被认为是当今可替代能源中 最合适的选择i l 刮。1 9 4 2 年，在美国芝加哥大学建成的第一座核反应堆证 明了可控核裂变链式反应的科学可行性，从此开始了人类和平利用核能的 新纪元，到2 0 世纪6 0 年代，核电的安全性和经济性得到验证，相对于常 规发电系统的优越性鲜明地显现出来，核电迅速实现了标准化、批量化的 建设和发展嫡】。此外，核能也逐渐渗透到军事、工业、航天等【6 ，7 1 各个领域 并对人们生活质量的提高起到举足轻重的作用。 正值世界核电处在蓬勃发展之际，2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代美国三喱 岛核电站和苏联切尔诺贝利核电站先后发生两次重大核事故，特别是切尔 诺贝利灾难性的核事故，给社会经济、环境、健康等方面造成严重危害， 使核能的公众接受问题成为世界核电发展的重大障碍o l 。这给世界的核 电发展带来了很大的冲击，美国，欧洲等国家纷纷停止了核反应堆的建造， 世界核电发展因此陷入停滞阶段。一场关于是否继续发展核能的争论由此 开始，一方面，公众过分夸大核电发展所带来的危害，要求限核、废核； 另一方面，考虑到世界能源危机以及环境污染两大问题，认为应该在提高 哈尔滨工程大学博士学位论文 核反应堆安全性的基础上适当地发展核电。因此，为了消除公众对核事故 的顾虑，得到人们对核能发展的信任，核安全的问题势必提上日程【1 1 】。同 时两次核事故的发生也给人们以警示，明白了过多依赖操作人员和能动运 转部件的反应堆安全性是不可靠的1 1 2 】。因此，非能动安全和固有安全的概 念应运而生【1 3 ，1 4 】。所谓非能动安全( p a s s i v es a f e t y ) t 1 卯，就是不需要外部动力， 既不需要操作人员的干预，又无移动或转动的机械部件，当核电站发生事 故时仅仅依靠自然力，如流体的重力、自然循环、蓄能等方式使系统返回 正常的运行状态或者使反应堆安全停堆。而所谓固有安全( i n h e r e n ts a f e t y ) ， 顾名思义即反应堆运行过程中本身具有的安全。国际原子能机构( i a e 舢 对固有安全作了如下定义：固有安全是指借助材料的选择和设计概念以消 除或排除固有危害而实现的安全性。可见，非能动安全性或固有安全性高 的反应堆发生事故时，仅仅依靠重力、自然循环、蓄能或反应堆自身的运 行特性便能实现反应堆的停堆以及堆芯余热的排出，而减少了对操作人员 及外部动力的依赖，这样的安全性是可靠的。因此，实现反应堆的非能动 安全与固有安全是研究反应堆安全的两个最高目标。 在非能动安全的思想提出后，世界各国的研究小组提出了许多新型反 应堆设计方案【1 7 - 19 1 ，如：瑞典a b b 公司提出的p i u s 反应堆【2 0 1 ，美国西屋 公司研究开发的a p 6 0 0 型反应堆 2 1 , 2 2 ，a p 1 0 0 0 型反应堆【2 3 , 2 4 】，中国在秦 山二期6 0 0 m w 反应堆的基础上，加入了非能动的安全系统并进行了相应 的系统简化后提出的a c 6 0 0 反应堆 2 5 , 2 6 】，加拿大原子能公司的新型 c a n d u 反应堆【2 7 】等许多反应堆都融入了非能动的思想，在诸多新的设计 方案中，最为典型就是瑞典提出p i u s 反应堆，该反应堆中首次提出并应 用了密度锁技术，使得在发生任何严重事故的情况下，都能使堆芯得到及 时冷却，因此在当时被认为是固有安全性极高的反应堆，并被称作过程固 有安全反应堆( p r o c e s si n h e r e n tu l t i m a t es a f e t yr e a c t o r ) ，反应堆的设计方 案如图1 1 所示 2 8 , 2 9 j 。 2 l 稳压器蒸汽体积2 虹吸开关装置3 上密度锁 4 反应堆堆芯5 下密度锁6 反应堆水池7 反应堆上升段 图1 1p i u s 反应堆系统 f i g 1 1s y s t e mo ft h ep l u sr e a c t o r 图中可以看出，该反应堆所有主冷却剂系统设备都沉浸在一个大的低 温高浓度含硼水池中，在主冷却剂系统的上、下两侧，分别由上、下密度 锁与含硼水池保持相通。密度锁是由两端开口的竖直通道组成的蜂窝型管 束，其内没有任何机械隔离部件，它的作用相当于一个“阀门”而又不像 普通阀门那样具有阀芯和瓣膜。在反应堆正常运行期间，高温主冷却剂稳 定地分层于低温含硼水之上，从而在上、下密度锁内形成稳定的冷热流体 交界面。在两个交界面之间，主回路与水池间由于密度的不同而形成驱动 压头，该驱动压头要依靠主泵所提供的堆芯压降来平衡，交界面处在压力 平衡状态下，静止于密度锁中，从而将主回路与含硼水池中的两种不同温 度的工质隔开，使它们相互连通又阻止它们相互交混。这时，密度锁处于 “关闭”状态。一旦反应堆发生恶性事故，堆芯温度升高，交界面处的压 哈尔滨工程大学博士学位论文 力平衡将被打破，密度锁自动开启，事故冷却水进入反应堆内，使反应堆 停堆，并通过自然循环不断带走堆芯余热。可见，密度锁从“关闭 到投 入工作的过程中不需要任何工作人员及外部动力的干预，仅仅依靠反应堆 自身运行特性来实现反应堆的安全停堆，因此是最可靠的安全保障。密度 锁的研究和应用对于反应堆固有安全性的提高具有很重要的意义。 1 2 密度锁的应用 1 2 1 采用密度锁的新型概念反应堆 鉴于密度锁技术所具有的独特固有安全性特点，自瑞典提出p l u s 反 应堆后，国外研究机构也都纷纷应用密度锁技术，并融入自己多年的研究 经验，提出许多革新型的具有高固有安全性的概念反应堆。试图通过这种 “傻瓜 堆的开发，增强公众对核能应用的信任，从而可以使反应堆的建 设地点更接近城市，实现更多的用途，比如：区域供热。这些反应堆的开 发都是建立在p l u s 原则的基础上，因此统称为p l u s t y p e 反应堆。其中比 较有代表性的堆型如下：i r i s 反应堆【3 0 】，流化床反应堆【3 1 】，i s i s 反应堆 3 2 - 3 4 】，i s e r 反应堆3 5 , 3 6 】和c a n d u 反应堆【2 7 1 ，下面对这些堆型进行简单 介绍i 1 i r i s 反应堆( i n t e g r a lr e a c t o rw i t hi n h e r e n ts a f e t y ) i r i s 反应堆是在p l u s 反应堆的基础上发展出来的一种改进堆型，反 应堆布置方案如图1 2 所示。与p l u s 反应堆一样，该反应堆的所有主回路 设备都安装在一个大容积的高压预应力混凝土反应堆容器中，在主回路系 统的上、下两侧与含硼水池保持相通。但与p l u s 反应堆的不同之处在于， 该反应堆采用全功率自然循环，因此没有主泵提供的较大的堆芯压降，密 度锁内的界面无法保持平衡，为解决这一问题，在该反应堆中取消了上密 度锁的应用。在主回路的下方采用下密度锁与含硼水池相通，而在主回路 的上方仅仅通过汽腔和联通管与含硼水池相通，在主回路以及含硼水池的 上方都存在一个汽空间，主回路上方的汽空间通过联通管与含硼水池相连， 4 j 第1 章绪论 ei|11 这样布置可以使主冷却剂以及含硼水存在自由液面，主冷却剂的温度高于 含硼水，因此其自由液面的位置也高于含硼水池中自由液面的位置，从而 保证下密度锁中界面的平衡。一旦发生事故，主冷却剂温度升高，主冷却 剂的自由液面将升高，当液面高度超过联通管的入口时，将有主冷却剂通 过联通管流入水池中，同时也将有含硼水流过堆芯，形成自然循环，使反 应堆安全停堆。 图1 2i r i s 反应堆的结构布置 f i g 1 2s t r u c t u r a la r r a n g e m e n t o ft h ei r i sr e a c t o r 2 流化床概念堆 1 9 9 0 年，日本三重大学( m i eu n i v e r s i t y ) 的t a k a y u k i 和t a t s u y a 等人 提出了一种固有安全性很高的b w r 概念堆，如图1 3 所示。该反应堆巧 妙地将密度锁技术与流化床反应堆的概念相结合。反应堆的主回路都位于 哈尔滨工程大学博士学位论文 一个大容积含硼水池中，只通过下密度锁将主回路与含硼水池隔开，但与 p i u s 反应堆的不同之处在于，该反应堆中的密度锁并非是形成自然循环的 通道，而是球形燃料元件下落的通道，反应堆正常运行时，在主冷却剂流 动的作用下，球形燃料元件悬浮在硫化床腔室之中，发生裂变反应，热量 通过主冷却剂带入n - 回路，此时，反应堆压力容器与外面的冷却水池通 过密度锁相连通。在任何事故工况下，包括l o c a 和a t w s 等，燃料元件 在自身重力的作用下落到冷却水池中，从而保证反应堆处于次临界状态， 并且燃料元件的余热被冷却水带走。因此，密度锁的存在从结构上保证了 反应堆压力容器与含硼水池之间存在一个常开的通道，可以保证在任何严 重事故下，燃料元件都能落入到水池中。 1 一球形燃料元件2 一流化床腔室3 一底部滤网4 一顶端栅格5 密度锁 6 一燃料回收网7 一喷射泵8 一升压泵9 - 预应力混凝土l o 一反应堆容器1 1 一给水 入口1 2 一蒸汽出口1 3 一汽水分离器1 4 一蒸汽干燥器 图1 3 流化床沸水堆 f i g 1 3f l u i d i z e d - b e db w r 6 第1 章绪论 3 i s i s 反应堆( i n h e r e n t l ys a f ei m m e r s e ds y s t e mr e a c t o r ) i s i s 反应堆是由a n s a l d o 公司设计的一种革新性反应堆，该反应堆 是在结合瑞典a b b 公司提出的密度锁技术以及a n s a l d o 公司开发l w r 以及l m r 过程中积累的成功经验和技术的基础上提出的，反应堆压力容 器如图1 4 所示。 图1 4i s i s 反应堆系统 f i g 1 4s y s t e mo ft h ei s i sr e a c t o r i s i s 反应堆的安全理念主要通过三部分结构来实现，分别为内部容器、 压力容器以及反应堆最终冷却水池。反应堆的内部容器包括堆芯，主泵， 哈尔滨工程大学博士学位论文 置审| 宣宣薯ii i 暑薯 蒸汽发生器等一回路设备，其内部流动着高温的主冷却剂，整个内部容器 都沉浸在高压低温高浓度含硼中间冷却水中，在内部容器的上部和下部装 有上、下密度锁，通过密度锁使得内部容器与中间冷却水保持相通。内部 容器的外边界全部采用湿绝热材料包裹，从而防止主冷却剂的热量通过边 界散失到中间冷却水中。压力容器是该反应堆的主要承压边界，封装着高 压的中间冷却水及反应堆的主要设备。反应堆的压力容器连同稳压器都放 置在一个大的常压冷却水池中，压力容器具有良好的导热性，可以使中间 冷却水的热量通过边界导入冷却水池，该冷却水池作为反应堆事故的最终 热阱，冷却水池具有较大的容积，可容纳6 0 0 0 m 3 冷却水，如此大量的冷 却水可以保证在发生事故时，水温在一周之内维持在沸点之下。 在反应堆正常运行时，堆芯热量通过冷却剂导出，并通过蒸汽发生器 传给二次侧。一旦发生事故，高浓度含硼中间冷却水通过密度锁进入堆芯， 切断反应堆，并通过自然循环将堆芯余热导出。堆芯余热使中间冷却水和 反应堆压力容器的金属材料温度升高，又通过自然对流换热将热量带入到 反应堆冷却水池。反应堆水池的长期冷却是通过空气冷却的自然循环完成 的。空气冷却器通过自然循环将热量带出，空气冷却器时刻处于热备状态， 大约有2 m w 的功率，这样大的功率足以传出反应堆水池中的热量，限制 池水的沸腾。 通过对上述概念反应堆的介绍，我们可以发现当时所提出的 p i u s - t y p e 反应堆都存在一个共同的特点，就是反应堆都有一个容积很大 的含硼水池。在最初的p i u s 反应堆、i r i s 反应堆以及流化床反应堆中， 含硼水池与一回路都有着相同的压力，对于承压如此高的含硼水池的建造 是相当困难的，因此，在后来的i s i s 反应堆以及i s e r 反应堆中，对结构 进行改进，通过采用三层结构，使中间水池承压，然后通过压力容器与最 终水池的导热将热量导入最终热井，这样大大减小了承压水池的容积，大 大缓解了实际建造中的困难。尽管p i u s t y p e 反应堆都具有较高的固有安 全性，但是与有着多年运行经验的分散式布置压水堆相比，p i u s - t y p e 反 应堆距离真正的投入使用，还有很多技术问题需要解决，比如，压力容器 的湿绝热问题，因此，这种类型的反应堆距离实际建造还有相当长的路需 要走【3 7 。正因为如此，在2 0 0 0