基于系统分析软件的IRWST中PRHR HX建模方法研究

本文针对AP1000内置换料水箱(IRWST)热工水力特性缩比实验4种典型的沸腾工况,应用两种不同的系统分析软件(RELAP5/SCDAPSIM mod3.4和COSINE),将三维模型简化为一维模型。基于单通道和多通道两种不同建模方法,研究不同的初始温度、加热功率、水箱水位工况下,水箱内的温度、沸腾时间等参数的变化。结果表明,RELAP5单通道模型与多通道模型计算结果低于实验值,COSINE的单通道模型与多通道模型计算结果高于实验值,两种软件的计算精度相当。RELAP5计算模型的沸腾时间整体上晚于实验时间,COSINE计算模型的沸腾时间整体上早于实验时间,采用多通道模型后,每个工况达到沸腾的时间均短于单通道模型,表明采用多通道建模方法后,模型整体的换热能力提高,缩短了模型整体沸腾所需的时间。在系统安全分析的建模过程中,可根据水箱内温度、整体沸腾时间对安全保守性的影响,确定具体的建模策略。     

功率横向非均匀分布板型燃料组件冷却剂流道热工水力特性研究

为了研究燃料板横向上功率非均匀分布对温度分布的影响,基于RELAP5程序,提出考虑燃料板横向功率非均匀分布和冷却剂交混效应的多通道模型,完成了稳态和典型瞬态工况分析,通过对比单通道模型分析结果,表明2种模型分析结果在冷却剂沸腾汽化后存在明显差异,多通道模型可以反映燃料板横向功率分布及冷却剂交混的影响,克服单通道模拟方法的不足,表明了采用多通道模型的必要性。     

RELAP5/MOD3.2竖直管束外大容积沸腾换热模型适用性分析

以浸没在大容积水箱内的非能动余热排出换热器为研究对象,采用实验数据对RELAP5/MOD3.2程序计算竖直管束外大容积沸腾换热适用性进行校核。在充分考虑大容积水箱内流体沿管束轴向的自然对流以及径向的气液间热量交换基础上,合理建立了沸腾换热回路节点划分模型。将计算结果与实验数据进行对比,发现沸腾换热系数的计算值与实验值最大相对偏差在50%以上,且沸腾换热系数随热流密度变化的趋势明显不同。由此判断,Chen关系式并不适合计算竖直管束外大容积沸腾的情况。通过与已有的大容积沸腾换热计算关系式对比,发现Kutateladze “new”公式或Rohsenow公式计算值与实验值符合较好。     

COSINE多相场子通道分析程序的开发与评估

COSINE多相场子通道分析程序基于两流体三相子通道守恒方程,在气液两相的基础上,单独考虑了液滴相的行为,并通过考虑通道间的交混,提高了对压水堆压力容器内的热工水力学现象分析能力及大破口事故的计算能力。本研究介绍了程序的基本模型及求解方法,选取代表性算例及实验工况进行建模计算,验证多相场子通道程序的计算能力。计算结果表明：程序可以对多通道热工水力现象进行模拟计算,计算结果与理论分析相符,程序可以精确模拟堆芯交混及再淹没工况,计算结果与实验数据具有良好的一致性,COSINE多相场子通道程序具备对压力容器内热工水力工况的计算能力。     

基于ADS1～3缩比模型的双孔蒸汽喷放冷凝传热系统程序计算与实验验证

高温蒸汽在过冷水中喷放直接接触式冷凝是AP1000、CAP1400等三代先进压水堆一回路在事故超压情况下重要的降温降压途径。本文基于系统程序RELAP5、COSINE对饱和蒸汽通过双孔喷洒器喷入大容积过冷水中进行直接接触冷凝这一过程进行建模、计算、分析,获得高温蒸汽从喷口喷出后沿轴向的温度分布。同时开展蒸汽喷放冷凝可视化实验,采用热电偶矩阵和高速摄像机等对关键热工参数进行测量,以获得蒸汽汽羽的温度分布和喷放流型等,用于验证系统程序对蒸汽喷放冷凝过程模拟的准确性。结果表明,采用RELAP5程序基本能模拟简化条件下的ADS蒸汽喷放冷凝总体变化规律,模拟结果与实验结果相比平均误差为2.97%。此外,采用COSINE程序对喷放冷凝过程模型进行了进一步修正和改进,考虑水箱内整体流动对喷放特性的影响,模拟结果与实验结果吻合较好,平均误差为1.89%。但由于实际双孔喷放过程较为复杂,并且存在明显的三维特性,所以仍需对系统程序中相关冷凝传热模型进行完善,以更精确地模拟其局部冷凝特征。     

基于RELAP5程序的直管式直流蒸汽发生器敏感性分析

直流蒸汽发生器内二回路侧的工质水经历了复杂的相变过程,流型转变和传热情况比自然循环式蒸汽发生器要复杂。本文以B&W公司的19管直管式直流蒸汽发生器实验装置为研究对象,采用最佳估算程序RELAP5/MOD3.4对其进行建模分析,研究了节点划分个数、计算时间步长、不同算法和分析方法对计算结果的影响,研究了系统程序RELAP5在分析存在有剧烈相变问题时需注意的不确定性因素。结果表明：应适当增加控制体的划分个数、降低计算时间步长;注意两相流模型的选择使用;注意两种算法的使用场合;同时应选择多通道的分析方法。     

基于动力学原理的cosFlow软件主泵模块研发及验证

cosFlow软件是国家电投集团科学技术研究院有限公司核电软件技术中心自主研发的堆芯设计和安全分析一体化软件包COSINE中的热工水力与安全分析软件。主泵是cosFlow软件中用于压水堆核电厂主回路分析的重要设备。本文介绍了基于动力学原理的主泵模型,该模型采用惯量方程计算泵的角速度,采用泵的特性曲线得到泵的扬程值。本文搭建了泵的简单算例和全失流事故算例,利用COSINE主泵模型和参考程序RELAP计算结果对比,两者计算结果趋势一致,吻合较好;结果表明:COSINE主泵模型能正确模拟主泵,COSINE主泵模型能够很好的进行核电厂设计和安全分析。     

应用于反应堆热工水力程序的核态沸腾传热关系式评价

本文以反应堆热工水力分析程序COSINE开发为背景,针对燃料棒和冷却剂换热及压力容器外部冷却时的核态沸腾两种特殊的工况,研究常用于计算热工水力程序的核态沸腾传热关系式的计算结果随影响参数的变化关系,比较不同范围内各关系式计算结果的差异程度和敏感性,为程序中用户选项的设置和进一步实验验证提供参考意见,研究表明高过热度工况最需进行实验验证,反应堆热工水力分析程序计算这两种工况下的核态沸腾传热更适宜选用Chen、Schrock-Grossman1、Wright和SchrockGrossman2公式。     

基于RELAP5的C型管束外沸腾换热特性模拟分析

以浸没在大水箱内的C型换热管束为研究对象,采用RELAP5对其换热过程进行模拟计算.C型管束外围设置了虚拟套管和径向流动接管,用于模拟水箱中的自然对流换热过程.为了考察RELAP5模拟C型管束外的沸腾换热性能,分别在给定冷凝压力和给定内壁面热流密度边界条件下进行模拟计算.通过与实验结果的对比可知,模型中加入虚拟套管是必...     

基于修改后RELAP5/MOD3.2的氟盐高温堆实验回路分析

大型热工流体整体效应系统实验(CIET)台架是为模拟氟盐冷却高温堆(FHR)热工水力响应而设计的实验回路,采用DOWTHERM A模拟氟盐作为冷却剂。通过在RELAP5/MOD3.2程序中加入DOWTHERM A物性参数以及传热关系式,计算FHR实验回路CIET在两种工况下的热工水力行为,并与实验结果进行对比,计算工况包括强迫循环条件与自然循环条件。计算结果表明:在强迫循环条件下,堆芯热量主要靠盘管式空气换热器(CTAH)排出,堆芯进出口冷却剂温度及CTAH出口冷却剂温度与实验值符合良好,CTAH进口冷却剂温度与实验值有些微偏差;在自然循环工况中,堆芯热量主要通过DHX与堆芯辅助冷却系统(DRACS)回路的换热带走,DHX及DRACS的流量与实验值接近,相对误差在10%左右,验证了修正后RELAP5/MOD3.2的正确性。     

非能动余热排出换热器换热能力数值分析

基于多孔介质模型,对AP1000非能动余热排出换热器(PRHR-HX)运行初始阶段进行了数值模拟。一回路的入口温度及流量采用RELAP5的计算结果,并以此作为CFD计算的边界条件。采用多孔介质模型处理C型管束区,添加管束区分布阻力。通过商业CFD软件FLUENT计算得到安全壳内置换料水箱(IRWST)侧冷却剂的三维温度及速度分布,通过用户自定义函数UDF完成一回路侧与IRWST侧的耦合换热计算,获得一回路温度分布及换热量。计算结果表明,随着IRWST内冷却剂温度升高,换热器热负荷降低,并出现明显的热分层现象,同时证明采用多孔介质模型与耦合换热计算是分析PRHR/IRWST系统瞬态热工水力特性的有效方法。     

非能动余热排出热交换器半液位换热性能研究

非能动余热排出热交换器（PRHR HX）是先进反应堆非能动堆芯余热排出系统的关键设备之一,置于内置换料水箱中。水箱内水蒸发或水箱泄漏等故障失水后液位降低,PRHR HX与管外水传热面积和管外流场均发生变化,导致堆芯非能动余热排出能力下降。为分析半液位下PRHR HX换热性能,建立半液位PRHR HX实验装置和数值计算模型,获得稳态和瞬态升温过程的换热量、温度分布和流场特性。实验结果表明,稳态沸腾换热阶段半液位结构的总换热量较全液位时的下降12%～22%,仍具有较强的换热能力。瞬态升温过程中管外换热模式从纯单相对流换热开始,先后逐渐出现局部过冷沸腾和局部饱和沸腾,并最终迅速由局部饱和沸腾转变为全管长饱和沸腾。水箱内逐渐升温过程中出现显著的热分层现象,结合数值模拟分析发现此时管外流体在高度上呈现多层回流流动结构。     

AP1000非能动余热排出热交换器缩比C型管束二次侧传热模型实验研究

建立了非能动余热排出热交换器（PRHR HX）及内置换料水箱（IRWST）分离效应缩比实验系统,研究了PRHR HX排出堆芯余热过程中,单相自然对流阶段及两相池式沸腾阶段下的传热特性,并采用实验数据评价了传统经验关系式在预测PRHR HX缩比模型特殊C型传热管束时的适用性。实验结果表明,在PRHR HX余热排出过程中,IRWST内出现明显热分层现象。对于PRHR HX竖直管束自然对流、池式沸腾传热,传统经验关系式预测值均较为保守;对于下部水平管束,自然对流阶段推荐Churchill自然对流传热公式,池式沸腾阶段推荐Rohsenow经典池式沸腾传热公式;上部水平管束由于受到流体浮升、气泡扰动等因素的附加影响,在自然对流阶段及池式沸腾阶段的传热效果均优于下部水平管束。     

DVI 管线中小破口叠加 IRWST 失效引发严重事故的 ERVC 研究

以AP1000核电厂为参考对象,采用SCDAP/RELAP5/MOD3.4程序,用确定论方法计算直接注入(DVI)管线中、小破口初因叠加内置换料水箱(IRWST)失效严重事故和采取压力容器外部冷却(ERVC)后的效果,重点分析了主要非能动注入系统的响应,熔池和下封头行为。计算结果表明,DVI管线发生破口导致堆芯熔化比热段同等尺寸破口要早,ERVC可以有效防止下封头熔穿。     

ACME台架全厂断电事故试验研究

为研究AP型非能动核电厂全厂断电事故下的运行特性,利用大型非能动堆芯冷却系统整体试验（ACME）台架开展了试验研究,分析了主要的试验进程和关键参数的变化特点。研究结果表明：ACME台架全厂断电试验的事故序列及试验现象与已有分析一致,符合预期,试验再现了AP型非能动核电厂全厂断电的事故进程;在整个事故过程中,稳压器水位升高,但未发生满溢,非能动余热排出（PRHR）系统换热功率可与衰变功率达到平衡,堆芯余热可有效载出;堆芯补水箱（CMT）和安全壳内置换料水箱（IRWST）初始条件对非能动余热排出阶段的事故进程具有重要影响,在1列CMT投入失效或IRWST异常等不利初始条件下,模化后的非能动堆芯冷却系统(PXS)仍可满足事故验收准则。     

非能动余热排出热交换器流动和传热数值模拟

非能动余热排除系统(Passive Residual Heat Removal system,PRHR)是非能动核电厂的重要安全设施,在全厂断电事故下,大部分的堆芯衰变热是通过PRHR热交换器传递至内置换料水箱(In-containment Refueling Water Storage Tank,IRWST)。但PRHR热交换器属于大型非稳态换热器,其传热机理十分复杂。基于PRHR系统的重要性和复杂性,有必要研究PRHR系统的流动和传热特性。利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件针对非能动堆芯冷却系统试验装置中的PRHR系统进行建模计算,分析了PRHR热交换器及IRWST的流动和传热特性,发现IRWST内部沿垂直高度上呈现明显的温度分层现象,温度沿水平方向的分布趋于均匀;IRWST内部的流动主要是沿着C型传热管竖直段向上流动,流速逐渐增大,但在两相阶段,水箱上部区域流动明显增强;C型传热管上部水平段和竖直段上部区域的换热系数要明显高于其它区域,且在上部水平段与竖直段连接弯管处换热系数最大,在两相阶段,上部区域的换热系数明显增大。     

Thermal hydraulic calculation in a passive residual heat removal system of the SMART-P plant for forced and natural convection conditions

An investigation of the thermal hydraulic characteristics in the passive residual heat removal system of the System integrated Modular Advanced ReacTor-P (SMART-P) has been carried out using the MARS code, which is a best estimate system analysis code. The SMART-P is designed to cool the system during accidental conditions by a natural convection. The dominant heat transfer in the steam generator is a boiling mode under a forced convection condition, and it is a single-phase liquid and a boiling heat transfer under a natural convection condition. Most of the heat is removed in the heat exchanger of the passive residual heat removal system by a condensation heat transfer. The passive residual heat removal system can remove the energy from the primary side as long as the heat exchanger is submerged in the refueling water tank. The mass flow is stable under a natural circulation condition though it oscillates periodically with a small amplitude. The parameter study is performed by considering the effects of an effective height between the steam generator and the heat exchanger, a hydraulic resistance, an initial pressure, a non-condensable gas fraction in the compensating tank, and a valve actuation time, which are useful for the design of the passive residual heat removal system. The mass flow in the passive residual heat removal system has been affected by the height between the steam generator and the heat exchanger, and the hydraulic resistance of the loop.     

ACME台架PRHR管线破口位置敏感性试验研究

为研究先进非能动（AP）型核电厂在非能动系统失效条件下的安全性能,利用我国先进堆芯冷却机理整体试验台架（ACME）开展了非能动余热排出（PRHR）管线破口失水试验研究,分析了主要的试验进程和破口位置对事故过程各阶段关键参数的影响。结果表明,ACME PRHR管线破口试验进程与冷管段小破口失水事故（SBLOCA）进程基本一致,再现了非能动核电厂自然循环阶段、自动卸压系统（ADS）喷放阶段和安全壳内置换料水箱（IRWST）安注阶段的安全特性;在不同破口位置的试验中,非能动堆芯冷却系统（PXS）均可保证堆芯得到补水,堆芯活性区始终处于混合液位以下;破口位置对ACME LOCA事故进程、反应堆冷却剂系统（RCS）初期降压速率、PRHR热交换器（HX）流量、喷放流量、堆芯液位、IRWST安注流量等参数具有显著影响,对堆芯补水箱（CMT）和蓄压安注箱（ACC）安注流量的影响较小。      

欠热条件下非能动余热排出热交换器传热试验数值模拟

针对大型先进压水堆非能动余热排出热交换器设计和安全分析计算模型存在的重要缺陷,以AP1000的非能动余热排出热交换器为原型,采用3根C型管进行了非能动余热排出热交换器传热试验。然后采用流体计算软件对欠热试验工况进行了数值模拟,通过多次计算得到了传热管外传热计算可采用的传热关系式,选取的传热模型下的计算结果与试验结果符合较好。利用传热模型验证了AP1000的设计工况,发现AP1000非能动余热排出热交换器的设计能带走堆芯余热。本文研究可为大型先进压水堆设计和安全分析提供技术支撑。     

System Code Calculation and Experimental Verification for Double-hole Steam Jet Condensation Heat Transfer Process Based on ADS1 3 Scaled Model

The steam direct contact condensation of high-temperature steam in sub-cooled water is an important way to reduce the temperature and pressure in the primary circuit in the third generation of advanced pressurized water reactors such as AP1000 and CAP1400 in the event of accidental overpressure. Based on the system codes of RELAP5 and COSINE, the process of saturated steam injecting into large volume sub-cooled water through a double-hole nozzle was modeled, calculated and analyzed. The temperature distributions along the axial direction of the high-temperature steam ejected from the nozzle were obtained. At the same time, the visual experiments of steam jet condensation were performed. The thermocouple matrix and high-speed camera were used to measure the key thermal-hydraulic parameters to obtain the temperature distributions along the steam plume and the flow patterns of the steam jet, which were used to verify the accuracy of the system code to simulate the process of steam spraying and condensation. The results show that the system code RELAP5 can basically simulate the general trend of ADS steam condensation process under the simplified model. The average error of the simulation results is 2.97% compared with the experimental results. In addition, the COSINE code was used to further modify and improve the model of the spraying condensation process. Considering the influence of the overall flow in the water tank on the condensation characteristics, the simulation results fit well with the experimental results, with an average error of 1.89%. However, the actual double-hole spraying process is complex and has obvious three-dimensional characteristics, so the relevant condensation heat transfer model in the system code still needs to be further improved to simulate its local condensation characteristics more accurately.