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CPR1000机组LOCA事故后燃料棒结垢的风险与分析

更新时间:2009-03-28

CPR1000机组在LOCA事故下,核电厂的专设安全系统动作,用来保护核燃料处于安全可控的状态。系统投运伊始,是从备用水源取水,水源枯竭后,则切换到从地坑取水。地坑主要负责收集从主回路破口和安全壳喷头处回流的冷却剂,由于要经历安全壳内的循环,冷却剂不可避免地被杂质污染。出于保障专设安全系统功能的目的,核电厂设有地坑过滤器,防止杂质传递到下游。然而,核电厂普遍采用机械式过滤器,难以拦截全部的杂质,细小碎片依然能够摆脱拦截,从而进入到堆芯。燃料组件下管座处的防屑板,带翼片的定位格架,都会加剧碎片的拦截效应。若堆芯被堵塞,强迫注入的流量会下降,燃料组件上部核态沸腾换热区会在原有基础上进一步扩大。燃料棒包壳氧化物、污垢及化学生成物在棒表面沉积,这些污垢的存在,会使燃料棒换热持续恶化。

美国核管会(NRC)率先注意到这类问题,并称之为“下游效应”。2004年,NRC发布监管通告,督促美国电厂完成堆芯应急冷却系统(ECCS)和安全壳喷淋系统(CSS)可靠性评估。2012年,NRC升版其管理导则[3],强调评估下游效应的重要性。

本文借鉴国外公司的评价思路,结合中广核CPR1000机组的特性,对燃料棒结垢风险进行分析,评估结垢对传热的影响。

1 燃料棒结垢的风险

核电厂在LOCA事故下,一般会产生纤维、颗粒和化学产物三类碎片。纤维通常会钩挂在定位格架上,堵塞冷却剂的正常流道。颗粒类碎片则作为污垢沉积在燃料棒表面。化学产物主要源于安全壳内各种材料在复杂环境下的反应,这类碎片粒径较小,附着性强,由于形成缓慢,附着在燃料棒表面的外表层。

2 分析方法及评价标准

2.1 分析方法

分析环境选择事故后再循环阶段的极端工况,燃料棒衰变热选取极端值。燃料棒热传导模型如图1所示,从内到外依次为氧化物、污垢和化学沉淀物[1]。事实上,积垢是在长期再循环过程中逐步形成的,出于保守的考虑,假设积垢在事故发生后立即出现。

  

图1 热传导模型Fig.1 Heat Transfer Model

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2.2 评价标准

2006年,NRC澄清评价时间范围为事故后30天。关于事故后堆芯衰变热排出和燃料包壳氧化问题,NRC提出包壳温度不应超过426.7℃[1],以避免包壳材料因腐蚀和氢化(Hydrogen pickup)导致机械特性的改变。美国高压釜试验(Long-term autoclave)证实426.7℃能够作为长期再循环阶段包壳材料温度的上限。因此,CPR1000机组评价借鉴国外同类标准。

3 有限元计算

燃料包壳氧化物、污垢热传导系数及厚度如表1[1]所示。鉴于对称性,取燃料棒1/4建模,如图2所示。

3.1 计算模型

行文简洁起见,不同化学沉淀物厚度不全部列举,仅以1.137 5 mm为例。

  

图2 模型Fig.2 Model

 

表1 模型参数Table 1 Parameters of the model

 

[1] Westinghouse Electric Company.Evaluation of Long-Term Cooling Considering Particulate、Fibrous and Chemical Debris in the Recirculating Fluid:WCAP-16793-NP[R].U.S,2011.

  

图3 网格划分Fig.3 Meshing

3.2 计算输入

再循环阶段燃料棒最大峰值线功率作为衰变热输入,并在30天的计算区间内恒定,热流密度取30 036.9 W/m2[2]。化学沉淀物最外层两相流换热,环境温度设为121.1℃,对流换热系数取114.47 W/m2•K[1]

此外,还有如下假设[1]

取外层化学沉淀物厚度恒定,提升化学沉淀物的导热系数,包壳表面稳态温度从305.02℃下降至153.46℃。改变最外层化学沉淀物的厚度,重复计算,得到不同厚度,不同导热系数对应的最终稳态温度。计算结果汇总,如表2所示。

(1)仅考虑燃料棒径向导热,忽略其轴向热传导;

(2)不考虑燃料棒与燃料格架传热问题;

(3)选择燃料棒包壳与其氧化物接触面为热边界,不关注锆合金材料特性;

(4)各氧化物、污垢及化学沉淀物层间无间隙,不考虑接触热阻。

节目素材的传递需要经过上载、审查、纳入节目播放列表等步骤。首先,节目的素材储存到上载站的上载中心,而媒资系统和制作系统的素材,则需要上传到播出系统。审查人员会审查上传过来的节目,通过审查后,编单工作站、播出控制工作站会将经过审查的节目素材纳入到节目播出表当中。节目的播出表会被传给数据库,此时调度服务系统就会检测表单当中的内容,并将其中没有被移动到播出系统当中的节目进行迁移,在规定的时间,按照播放列表播放节目。

主回路发生冷端断裂时,再循环阶段具有最大峰值线功率,冷端双端断裂衰变剩余功率如图4[2]所示。

  

图4 归一化衰变功率Fig.4 Residual Core Heat Fraction of Full Power

3.3 计算结果

化学沉淀物厚度为1.14 mm,导热系数取0.06 W/m•K、0.17 W/m•K、0.29 W/m•K 和0.52 W/m•K。计算区间30天,步长最小10 s,最大400h,燃料棒导热达到稳态结果如图5~图8所示。

  

图5 导热系数取0.06 W/m•K时的稳态结果Fig.5 The value of thermal conductivity of chemical precipitate is 0.06 W/m•K

  

图6 导热系数取0.17 W/m•K时的稳态结果Fig.6 The value of thermal conductivity of chemical precipitate is 0.17 W/m•K

  

图7 导热系数取0.29 W/m•K时的稳态结果Fig.7 The value of thermal conductivity of chemical precipitate is 0.29 W/m•K

  

图8 导热系数取0.52 W/m•K时的稳态结果Fig.8 The value of thermal conductivity of chemical precipitate is 0.52 W/m•K

1.3.1 病原菌防治效果调查。消毒前(2017 年 5 月 20 日) 和揭膜后(2017 年 7 月 30 日) 分别采集各个处理区的基质 200 g,封样进行镰孢菌、疫霉菌的分离检测;基质采集使用五点采样法进行, 用冰盒保存后带回实验室进行病原微生物分离检测。 土传病原菌镰孢菌属采用Komada 方法分离培养检测[10];疫霉菌属采用 Masago 方法分离培养检测[11]。

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表2计算结果以散点图体现在图9中。

3.4 网格精度对计算结果影响

参考文献:

 

表2 计算结果汇总Table 2 Summary of the calculation results

 
  

图9 燃料包壳与氧化物边界温度随化学沉淀物厚度变化Fig.9 Clad-Oxid Interface Temperature vs.Chemical Precipitate Thickness

 

表3 网格精度对结果影响Table 3 Mesh size vs.Calculation results

 

表3表明,网格精度对计算结果影响不明显,10-4mm满足要求。

4 结果分析

在LOCA事故下的极端工况,选择了保守的热边界条件,燃料棒包壳表面最大温度为305.02℃。根据第2.2节的评价标准,该值低于426.7℃。据国外经验反馈,类似条件下,燃料棒包壳表面最大温度为293.3℃[1]

Westinghouse、AREVA的燃料组件试验(FA Test),观察到在发生堆芯堵塞,燃料棒间隙依然有流体流动。Westinghouse采用WC/T程序,从堆芯安全分析角度,论证即使堆芯发生82%和99.4%的堵塞,依然有足够的流量带走衰变热[1]

5 结论

本文借鉴西屋报告[1]评价思路,利用ANSYS有限元计算软件,结合CPR1000机组在LOCA事故下的特性,以及AFA-3G燃料组件结构,对燃料棒外层化学沉淀物厚度和导热系数开展参数化研究,并在极端条件下,评估燃料棒导热的安全性。计算结果显示:当化学沉淀物厚度取极值,导热系数取最低,30天稳态温度为最大,仍低于426.7℃。表明:即使CPR1000机组发生最严重结垢情况,其燃料棒导热情况依然能够接受。

上述过程网格单元精度控制在10-4mm,为确保计算结果的精确性,评估网格精度对结果影响。以外层化学沉淀物厚度最大,导热系数0.06 W/m•K条件为例,此时对应包壳外表面温度最大。分别取网格精度 10-3mm、2×10-4mm、4×10-4 mm、8×10-4mm、10-4mm 和 8×10-5mm 验证,结果如表3所示。

结构化网格划分,网格精度为10-4mm,如图3所示。

试验表明:化学沉淀物的热传导系数大约是0.29 W/m•K[1],分别选取导热系数0.06 W/m•K、0.17 W/m•K、0.29 W/m•K和0.52 W/m•K,进行参数化研究,以获取可靠的计算结果。同时,根据燃料组件相邻棒间距,最外层化学沉淀物淤积厚度分别取0 mm、0.23 mm、0.45 mm、0.68 mm、0.91 mm和1.14 mm等。

在今后的动物疫病防控工作中,防疫部门需要建立一个较为专业的疫病监测网络平台,不仅要重视对散养动物的疫病监测,还需要重视对集中规范饲养的动物进行疫病监测,只有将这两者有机的结合在一起,才能实现动物疫病监测网络的集中化[2]。其次,还要重视疫病诊断实验室的建立,以对动物疫病进行实时监测。

[2] 漆向前.Characterization of Events that Lead to ECCS Sump Recirculation,PKX50000041KEGE03GN[R].中广核工程有限公司,2007.

[3] NRC RG1.82.WATER SOURCES FOR LONG-TERM RECIRCULATION COOLING FOLLOWING A LOSS-OF--COOLANTACCIDENT[S].U.S,2012.

西双去浴室洗了个澡,换好衣服,回到床边,罗衫的眼睛仍然瞪得像铜铃。西双说,我回去了。罗衫看着天花板,不说话。西双换上皮鞋,带上防盗门,走下楼梯,到小区花园坐一会儿,静静抽掉两支烟,然后长叹一口气,掏出手机,给罗衫拨一个电话。他问罗衫明天中午有时间吗?罗衫说你良心发现了?西双再叹一口气,说,寡人被你打败了。

[4] Westinghouse.Evaluation of Downstream Sump Debris Effects in Support of GSI-191:WCAP-16406-P-A[R].US,2008.

[5] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2004.

总黄酮含量=(样品的吸收度×标准频浓度稀释倍数)/(标准品的吸收度×样品重量),利用分光光度计法测定刺玫果水提物冻干粉总黄酮含量为96.4mg·g-1,醇提物冻干粉的总黄酮含量为 220.6mg·g-1。

[6] 曾攀,石伟,雷丽萍.工程有限元方法[M].北京:科学出版社,2012.

榆阳区位于陕西省北部,2017年农耕地总面积8.67万hm2,其中河阶地约1万hm2,主要分布在无定河流域、榆溪河流域、海流兔河流域及其支流流域,是传统的蔬菜、经济作物种植区域,耕地地力水平较高。

在以“美丽乡村”为主题的调研中发现,村民对生态保护和经济发展之间辩证关系的认识也经历了一个复杂的过程,是一种从“生态友好”到“生态责任”的转圜历程。在对沭阳S村村民的访谈调查中,不少村民已经把生态保护看作是一种个体责任,而不仅仅是政府责任,这是在新的历史变革时期应时而生的必然道德要求。在回答“建设美丽乡村,您认为最重要的因素”的问卷调研时,38.2%的村民认为“需要政府的引导”,42.7%的村民认为“人人有责,从小事做起”,而19.1%的村民认为“需要舆论的监督和制度的保障”。可见,道德的自律功能显然进一步被强化,而道德的主体也会在新的时代背景下浮动和调整价值标准。

 
齐宇博,李剑波,张伟,艾华宁
《核科学与工程》 2018年第02期
《核科学与工程》2018年第02期文献

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