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大型先进压水堆核电站非能动安全壳外水膜冷却技术研究进展

2017-10-13

“大型先进压水堆核电站非能动安全壳外水膜冷却技术研究”是大型先进压水堆核电站重大专项下属课题“CAP1400非能动安全壳冷却系统性能研究及试验”(2010ZX06002-005)下的第二子课题, 是该课题研究内容的重要组成部分。该子课题由上海核工程研究设计院牵头, 上海交通大学胡珀课题组负责实施。试验基于CAP1400安全壳设计的平板模型段,在CAP1400核电厂安全壳运行参数范围内获得反映水膜传热传质与各影响因素之间的作用规律的基础试验数据库,并通过试验数据与目标经验关系式的计算结果的比较,验证目标经验关系式在CAP1400安全壳PCS冷却分析中的适用性。

目前,该子课题已建立了WAFT水膜单项试验台架,试验可运行参数范围大大超过了美国西屋公司以及其他国家同类台架,具备了承担沸腾观测试验以及更大堆型同类试验的能力;同时,成功研制了移动工位系统和高精度在线水膜厚度测量系统,极大地提高了试验台架测量性能。作为我国自主研发大型先进压水堆CAP1400的六大关键验证试验之一,该子课题所取得的成果有力地支持了安审工作,并荣获中国国家电力投资集团技术创新奖。

一、工作背景

第三代压水堆电站AP1000采用了先进的非能动安全技术,其中重要的一项就是安全壳外部水膜冷却。在设计基准事故(DBA)发生后,由安全壳顶部的储水箱提供的冷却水在重力作用下流出,通过多级围堰对水流进行均匀分配,在安全壳外表面形成水膜覆盖。事故中释出的热量在钢安全壳和导流板组成的环形通道内通过水膜蒸发换热、水膜显热换热、空气与水膜的对流换热以及安全壳自身辐射换热等形式向外部输出。据测算,其中水膜蒸发换热为主要的热量输出形式,占总能量输出份额约七成,水膜的蒸发换热是安全壳在事故状态下保证其内部温度和压力低于设计限值的重要途径,对于确保安全壳结构完整性、防止放射性物质外泄具有重要作用。

在我国重大专项示范工程CAP1400的设计中,吸收和借鉴了美国西屋公司AP1000的非能动安全壳冷却系统(PCCS)的设计经验,确定了在钢安全壳和导流板组成的环形通道内,空气与水膜、空气与干壁面的对流换热和水膜蒸发换热的目标经验关系式。分析表明,CAP1400非能动安全壳冷却系统的部分运行参数超出了西屋公司对该组关系式的试验验证范围,因此,有必要通过试验验证关系式对于CAP1400 安全壳PCS冷却分析的适用性。

重大专项CAP1400示范工程的技术研发以引进、消化和吸收AP1000技术为基础,采用包括非能动安全设计理念在内的AP1000的先进设计思想,通过提高堆芯功率、优化总体设计参数,在主要安全性能指标都不低于AP1000的前提下,提高核电厂的经济性。与AP1000相比,CAP1400的堆芯功率将有明显提高,并且反应堆冷却剂系统(RCS)的冷却剂装量也有相应的增加。因此,CAP1400需要提高非能动安全系统的载热能力来满足堆芯冷却的安全要求。

非能动安全壳冷却系统(PCS)是第三代大型先进压水堆的非能动安全系统的重要组成部分,也是先进压水堆的重要技术特征之一,与传统的第二代压水堆能动式的安全壳喷淋系统相比具有明显的优势。只有对非能动安全壳冷却系统运行过程中的物理现象和它对实际工程应用的整体性能有深刻的理解,才能真正掌握非能动安全壳冷却系统的核心技术,才能为我国自主设计的CAP1400的非能动安全壳冷却系统提供理论和技术支撑,使我国大型先进压水堆核电厂设计实现关键技术的消化和再创新。

二、取得的创新成果

针对CAP1400堆芯尺寸增大、功率增加以及事故后安全壳内质能释放量增大的特点,CAP1400的非能动安全壳冷却系统采用了与AP1000相同的非能动设计理念,能否带走安全壳内热量,并保证事故后安全壳的完整性,作为CAP1400技术研发的核心技术,是确保CAP1400设计方案成功的关键,也是CAP1400安全审评中必须解决的问题。由于CAP1400安全壳内质能释放增加和安全壳内结构改变,需进一步通过试验研究CAP1400非能动安全壳冷却系统的性能。“大型先进压水堆核电站非能动安全壳外水膜冷却技术研究”子课题需要通过已有WAFSEA试验台架和新建WAFT试验台架,对大型钢结构安全壳外的水膜覆盖规律和水膜蒸发传热特性进行深入的试验研究和探索,为确定CAP1400非能动安全壳的设计方案、验证其能否满足安全评审的要求提供有力的支持数据。

课题团队共同努力,在借鉴AP1000相关技术的基础上,自主创新建立了WAFT水膜单项试验台架,试验可运行参数范围大大超过了西屋公司以及其他国家同类台架,特别是平均热流密度突破了100KW/m2,超出原西屋同类台架2倍多,具备了承担沸腾观测试验以及更大堆型同类试验的能力;同时,成功研制了移动工位系统以及高精度在线水膜厚度测量系统,极大地提高了试验台架测量性能。

课题实施期间,提交技术报告15份,发表论文12篇,培养硕博研究生8名,优异的试验数据获得验收专家的一致好评。

三、研究工作的意义

该子课题所取得的创新成果可以验证AP1000消化吸收阶段掌握的试验关键技术,包括比例分析技术、试验技术以及PCS专用分析程序(WGOTHIC)的验证评价技术,并掌握应用于CAP1400的先进试验技术。通过该子课题的试验工作,研究了未能被AP600和AP1000包络的冷却性能和冷却条件,积累了先进的试验方法和准确可靠的试验数据,可为CAP1400 PCS专用分析软件的验证提供具有充分适用范围的传热传质关系式及试验数据支持。同时,通过该子课题的实施,培养了一支具有自主创新能力和国际先进水平的掌握非能动安全壳冷却系统研发技术的人才队伍。

整体来看,该项研究工作将全面提高我国大型先进压水堆设计的试验验证能力,为后续更大容量的大型先进非能动压水堆的研发奠定坚实的基础,同时助推具有国际先进水平的非能动安全大型先进压水堆技术研发体系的建设,促进我国先进核电技术自主创新能力和可持续发展能力的提升。