RELAP5计算低压自然循环流动适用性验证与分析

摘要

核电站第三代核电技术广泛采用了非能动安全系统，自然循环作为实现系统安全特性的重要物理机制，其研究受到了越来越多的关注。然而自然循环系统在简化系统设备、提高系统安全性的同时，也存在运行工况复杂、载热能力低、易出现两相不稳定流动等问题。因此，对于一套新的自然循环系统，在其工程应用之前需要对其展开大量实验以及计算研究。其中，RELAP5程序作为反应堆热工水力最佳估算程序，在电厂事故及强迫循环热工系统计算中取得了满意的成果，但其计算低压自然循环系统瞬态特性的能力一直存在争议。鉴于此，本文对两套开式低压自然循环系统进行了RELAP5程序建模计算，利用实验数据对程序计算低压自然循环系统流动的适用性进行了评估。
　　首先，采用RELAP5程序对两套系统建立模型，并对模型进行敏感性分析发现，换热段边界条件的选取会对系统流动计算结果产生较大影响。由于两套实验系统换热段管外采用蒸汽（蒸汽-空气）加热，涉及冷凝换热过程，因此利用实验数据对 RELAP5程序中冷凝模型的准确性进行了验证。结果表明，在纯蒸汽冷凝工况下，RELAP5程序能够较准确地预测管外冷凝换热系数hc， hc与实验值偏差在4％-11.7%之间；而在蒸汽-空气冷凝条件下，RELAP5程序计算两组工况下的冷凝换热系数与换热量偏低， hc与实验值偏差范围为74%-96%和67%-94%，并且偏差随着空气含量增加而增大，而经Dehbi经验公式计算所得管外冷凝换热系数与实验值符合较好，两组工况下偏差分别为5%-25%和13%-30%。
　　基于所建模型，对系统1和系统2内单相及两相流动工况进行了计算，通过与实验数据对比发现，程序能够对两系统内的单相流动做出较为准确的模拟。与实验值相比，在入口温度一定时，出口温度偏差小于3%，质量流量偏差分别为±16%和±5%；两相流动工况下，RELAP5程序能够对系统内过冷沸腾流动不稳定流动、沸腾耦合闪蒸不稳定流动及纯闪蒸不稳定流动等工况进行模拟，流动振荡周期符合较好，质量流量与实验值偏差均在合理范围内。间歇泉不稳定流动工况下，程序计算两组工况下系统质量流量与实验值偏差较大，主要与程序低估了换热管外冷凝换热系数有关。另外，对系统1内不同功率下流动演变过程进行了计算，通过与实验结果对比发现，程序能够准确给出系统流动不稳定边界。
　　在完成对系统流动验证的基础上，采用RELAP5程序对低压自然循环系统运行特性进行了分析，包括注气过程（单相注气，两相不稳定阶段注气和两相稳定阶段注气）影响、系统压力变化以及加热功率变化影响。分析计算结果发现，上升段内注气过程能够有效提高单相流动阶段系统流量，缩短两相不稳定流动进程，有利于提高系统运行的稳定性。系统压力变化会对系统流动演变过程产生影响，提高系统压力能够缩短两相不稳定区域。而通过对系统2加热功率与流量的关系进行研究发现，入口温度一定时，系统流量随加热功率的增加而增加，功率一定时，流量随入口过冷度的增加而降低，功率与流量存在近似1/3次方关系。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2自然循环系统典型应用与研究

1.3 RELAP5程序及其应用研究现状

1.4本文主要研究内容

第2章 实验系统介绍

2.1系统运行原理

2.2实验装置

2.3数据处理

2.4本章小结

第3章 RELAP5程序模型及模型有效性分析

3.1 RELAP5程序节点图

3.2 RELAP5程序物理模型

3.3模型敏感性分析

3.4 RELAP5程序冷凝模型验证分析

3.5本章小结

第4章 RELAP5模拟低压自然循环流动结果分析

4.1单相流动工况计算结果分析

4.2两相流动工况计算结果分析

4.3系统流动演化过程计算结果分析

4.4本章小结

第5章 低压自然循环系统运行特性研究

5.1系统注气过程对自然循环影响分析

5.2系统压力影响

5.3功率与流量关系曲线

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢