CN113919241A - 压力容器外部冷却临界热通量的测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，参照实际核电厂原型ERVC流道进行模化设计，建立全高度压力容器外部冷却外壁面临界热通量试验装置；根据模型条件计算反应堆内熔池沿下封头各角度的参考热流分布，进而通过功率整形得到特定工况角度的加热热流分布以及归一化热流分布因子；按照维持归一化热流分布因子不变的方式逐步提升加热功率直至达到临界状态，进而获得压力容器外部冷却外壁面各方位角的CHF值和不确定度。本发明适用于压力容器外部冷却时测量0‑98゜范围内的压力容器下封头外壁面各倾角位置临界热通量。

Description

压力容器外部冷却临界热通量的测量方法与装置
技术领域
本发明涉及的是一种核工程领域的技术，具体是一种反应堆压力容器外部冷却时下封头外壁面临界热通量的测量方法及装置。
背景技术
压水堆核电站发生事故时，反应堆已实现停堆，但堆芯内会长时间持续产生剩余裂变热和衰变热，需要将热量导出以确保压力容器下封头的完整性。堆腔注水是实现压力容器外部冷却(ERVC)的一种有效事故缓解措施。压力容器下封头各角度位置的热流密度小于外壁面对应位置的临界热通量(CHF)是确保压力容器外部冷却措施有效的关键。如何测量压力容器下封头外壁面各角度的CHF是亟待解决的问题，但实际核电厂反应堆压力容器工作环境复杂，很难进行临界热通量的直接测量，目前国内外均采用模拟试验进行测量。反应堆压力容器下封头临界热通量存在厚壁非均匀加热、弧形流道、流动沸腾、工程影响因素多、机理复杂等技术难点，现有的CHF测量方法和预测公式存在一些不足。
现有技术包括预测公式，一般只考虑单个或者2个因素的影响，预测误差较大，实际工程设计中还是以试验测量数据为准，且预测对象非IVR-ERVC中CHF；或采用平衡态的热损失估算CHF，适用于试验本体均匀加热的CHF近似测量，但不能用于ERVC条件下的CHF测量；或仅给出非均匀加热情况下通过漏热测量和数值模拟相结合的CHF修正方法，未涉及ERVC条件下的CHF测量方法与装置。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提出一种压力容器外部冷却时外壁面临界热通量的测量方法与装置，适用于压力容器外部冷却时测量0-98゜范围内的压力容器下封头外壁面各倾角位置临界热通量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种压力容器外部冷却临界热通量的测量方法，参照实际核电厂原型ERVC流道进行模化设计，建立全高度压力容器外部冷却外壁面临界热通量试验装置；根据模型条件计算反应堆内熔池沿下封头各角度θ的参考热流分布qp(θ)，进而通过功率整形得到特定工况角度θm下的加热热流分布qe(θ)以及归一化热流分布因子；按照维持归一化热流分布因子不变的方式逐步提升加热功率直至达到临界状态，进而获得压力容器外部冷却外壁面各方位角的CHF值及其不确定度。
所述的模化设计，比例为高度比1：1、横截面积比1：100的等高度缩比模化。
所述的模型条件包括：反应堆原型几何尺寸、堆芯材料种类及份额、事故序列。
所述的参考热流分布为后续加热功率整形的输入条件。
所述的功率整形，通过选择试验工况角度θm(0-98°)，根据以下方式计算出加热热流分布qe(θ)，具体为：
i)当0≤θm＜74.5°时，
Figure BDA0002574966040000021
Figure BDA0002574966040000022
ii)当74.5°≤θm＜88°时，
Figure BDA0002574966040000023
Figure BDA0002574966040000024
iii)当88°≤θm＜98°时，
Figure BDA0002574966040000025
Figure BDA0002574966040000026
其中：θm为临界热通量测量点的位置角度；qp(θ)为原型的参考热流分布。
所述的归一化热流分布因子，通过对原型的参考热流分布qe(θ)进行归一化处理得到确定各加热棒组的加热功率分布因子。
所述的逐步提升加热功率是指：根据归一化热流分布因子确定输入功率形状，并按此形状分布按比例逐步提升加热功率，直至达到该测点θ＝θm处临界热通量。
所述的逐步提升加热功率，通过加热功率棒分组加热实现，具体为：分组越多，试验加热热流分布越接近实际反应堆压力容器下封头外壁面热流分布，试验加热功率控制和测量系统复杂度相应提升；本装置中共设置33组，对应于压力容器下封头0～98°，约3°区域一组；所有加热棒组加热功率控制系统设计成同步控制模式，确保试验过程中按照上述热流分布同步提升功率并保持热流分布形状因子不变直至达到CHF值时状态。
所述的逐步提升加热功率，其提升的步长根据加热功率的控制精度和整体加热时长确定，总体上低功率阶段提升步长可设置较高，接近沸腾危机时应降低提升步长以降低CHF测量的不确定度。以试验工况角度θm所在加热棒组为参考，低功率时提升步长选择为100kW/m2，当接近沸腾危机时提升步长降为20kW/m2。
所述的临界状态，根据具体识别特征，包括：加热功率未变化，但该位置的壁温持续增加，表明出现传热恶化，达到CHF状态；壁温突增的顺序是由外壁向内延伸；厚壁CHF的温度飞升典型特征为升温速率不快但持续飞升，升温速率约在0.5～1.5℃/s。
技术效果
本发明根据反应堆熔池热流分布和功率整形方法计算得到弧形金属加热厚壁上的加热功率分布，可准确模拟实际反应堆工程环境中的热流分布，实验得到CHF值更接近工程条件；系统提出压力容器外部冷却条件下封头外壁面的CHF测量与判识及不确定度分析方法，可通过试验获得0～98°范围的不同方位角的CHF值。
附图说明
图1为压力容器外部冷却下封头外壁面临界热流密度的测量方法原理图；
图2为试验本体结构示意图；
图3为弧形金属加热厚壁的示意图；
图4为沸腾危机发生时温度飞升示意图；
图中：弧形金属加热厚壁1、冷却水流道2、可视化窗口3、金属保温层4、加热器5、多层温度测点6。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种全高度压力容器外部冷却外壁面临界热通量试验装置，包括：上位机、加热功率控制柜、热工参数和功率测量模块、试验本体和作为CHF发生判识的辅助判据的高速摄像及系统，其中：上位机经功率输入计算并传递加热功率信号给加热功率控制柜，加热功率控制柜控制试验本体上各方位角的加热功率分布，热工参数和功率测量模块采集试验本体上壁温、流道温度以及功率信号并输出至上位机，上位机根据输入信号进行CHF判识。
所述的功率输入计算是指：根据反应堆原型几何尺寸、堆芯材料种类及份额、事故序列等条件计算反应堆内熔池沿下封头各角度θ的参考热流分布qp(θ)；根据实际反应堆几何尺寸和参考热流分布qp(θ)计算加热热流分布qe(θ)；根据预定试验角度、加热功率分组和加热热流分布qe(θ)计算得到本次试验的归一化热流分布因子；按照归一化热流分布因子计算得到各组加热功率信号。
所述的CHF判识是指：根据反馈信号计算得到各组实际加热热流qa(θ)；随着加热功率逐步增加，目标方位角位置出现温度飞升现象时，表明该位置传热恶化，达到CHF状态。
优选地，当达到CHF状态时，上位机给出切除部分功率指令给加热功率控制柜，加热功率控制柜执行切除部分功率指令，CHF现象消失。
优选地，上位机中根据试验数据进一步计算发生CHF时实际临界热通量和不确定度，具体为：
所述的发生CHF时不确定度是指：Δq＝Δq1+Δq2，其中Δq1为发生CHF前最后一次提升功率步长计算得到的热流不确定度；Δq2为根据测量仪表不确定度计算得到的热流不确定度；两者相加为本次CHF测量值的不确定度。
如图2所示，所述的试验本体中设有弧形金属加热厚壁1，该金属加热壁1和金属保温层4通过金属围板连接形成截面为矩形的冷却水流道2，其中：流体流动方向为自下而上或自上而下，加热的热流导热方向由内向外，通过冷却水流道2中的冷却剂将热量带走，实现外壁冷却。
所述的金属围板上设有多个用以高速摄像机拍摄的可视化窗口3，该高速摄像机将拍摄的弧形金属加热厚壁1上的气泡动态信息传输至上位机以辅助CHF判识。
所述的辅助CHF判识是指：通过流道两侧前后围板上的可视化窗口观测加热壁面上的气泡产生、聚合、滑移、脱离、聚集等汽泡动态特性，观测弧形金属加热厚壁1的壁面是否完全被气泡覆盖，导致传热恶化、沸腾危机产生。
如图3所示，所述的弧形金属加热厚壁1内部设有阵列式加热器5，将根据方位角位置分组的阵列式加热器5通过加热功率控制柜实现加热功率分布控制。
所述的弧形金属加热厚壁1沿弧形的法线方向设有多层温度测点6以监测弧形金属加热厚壁1的壁温变化。
本实施例涉及一种基于上述装置的CHF测量方法，包括：
步骤1)根据目标反应堆的实际工程条件计算参考热流分布qp(θ)，根据参考热流分布qp(θ)和反应堆几何尺寸进行功率整形得到临界热通量试验的热流分布qe(θ)；
所述的功率整形的目的是获得与实际堆腔原型中较为一致的上游条件和下游气相表观速度，试验测量得到的CHF更接近于真实核电厂原型。
步骤2)根据目标试验工况方位角θ和试验本体加热棒分组情况确定本次试验的归一化热流分布因子；试验中按照归一化热流分布因子逐步提升试验本体加热功率，加热该过程中保持该热流分布因子不变；
步骤3)随着加热功率逐步增加，目标方位角位置出现温度飞升现象时，表明该位置传热恶化、CHF发生，具体为：加热功率未变化，但该位置的壁温持续增加，表明出现传热恶化，CHF发生；壁温突增的顺序是由外壁向内延伸；厚壁CHF的温度飞升典型特征为升温速率不快但持续飞升，升温速率约在0.5～1.5℃/s。
步骤4)CHF发生后，上位机给出切除部分功率指令给加热功率柜，CHF现象消失。根据试验中实时反馈至上位机的各组加热功率和壁温数据初步估算该位置的CHF，并可根据周边区域及流道中测量参数进一步计算实际CHF和本次临界热通量测量的不确定度。至此完成一次压力容器外部冷却条件下临界热通量试验，改变目标方位角，重复上述流程即可获得压力容器外部冷却RPV外壁面0～98°方位角的CHF值和不确定度。
所述的各组加热功率和壁温数据初步估算采用傅里叶定律，公式为
Figure BDA0002574966040000051
其中：qCHF1为发生沸腾危机位置的初步估算临界热通量，k为金属导热系数，ΔT为CHF发生前一次提升功率后温度场稳定时相同方位角壁温测点间的温度差，ΔL为相应壁温测点间的距离。
所述的提升功率，其提升步长是根据加热功率的控制精度和整体加热时长确定，总体上低功率阶段提升步长可设置较高，接近CHF时应降低提升步长以降低CHF测量的不确定度。以试验工况角度θm所在加热棒组为参考，低功率时提升步长选择为100kW/m2，当接近沸腾危机时提升步长降为20kW/m2。
所述的实际CHF，具体为：
Figure BDA0002574966040000052
其中：qCHF2为发生沸腾危机位置的实际临界热通量，P为发生CHF位置对应棒组的加热功率，A为发生CHF位置棒组对应加热壁上有效加热面积，C为根据热损失计算得到的修正因子。
本方法从反应堆原型出发推导出参考热流分布和经功率整形后加载的热流分布，利用上位机和试验本体加热功率控制系统实现归一化热流分布因子不变条件下的逐步提升功率直至CHF发生；根据试验本体反馈的功率和热工参数计算得到各方位角的CHF值及其不确定度。
经过具体实际实验，基于上述方法和装置，选择不同的目标方位角θ，可以得到覆盖压力容器下封头外壁面全角度(θ为0～98°)的临界热通量曲线CHF(θ)；辅以其他辅助和支持系统改变试验条件(流量、压力、入口过冷度、外壁面表面特性等)，基于本专利提出的试验方法和装置可获得相应敏感性试验条件下的临界热通量曲线CHF(θ)。
与现有技术相比，本方法解决了核电厂压力容器下封头外壁面临界热通量直接测量困难问题，可真实模拟核电厂原型中的热流分布，实现压力容器外壁面全角度的临界热通量测量装置与方法，测量得到的临界热通量曲线CHF(θ)更接近原型。本装置和方法得到的临界热通量数据可直接用于核电厂IVR策略安全审评和优化设计。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征在于，参照实际核电厂原型ERVC流道进行模化设计，建立全高度压力容器外部冷却外壁面临界热通量试验装置；根据模型条件计算反应堆内熔池沿下封头各角度θ的参考热流分布qp(θ)，进而通过功率整形得到特定工况角度θm下的加热热流分布qe(θ)以及归一化热流分布因子；按照维持归一化热流分布因子不变的方式逐步提升加热功率直至达到临界状态，进而获得压力容器外部冷却外壁面各方位角的CHF值和不确定度。
2.根据权利要求1所述的压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征是，所述的模化设计，比例为高度比1：1、横截面积比1：100的等高度缩比模化。
3.根据权利要求1所述的压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征是，所述的模型条件包括：反应堆原型几何尺寸、堆芯材料种类及份额、事故序列。
4.根据权利要求1所述的压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征是，所述的参考热流分布为后续加热功率整形的输入条件。
5.根据权利要求1所述的压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征是，所述的功率整形，通过选择试验工况角度θm(0-98°)，根据以下方式计算出加热热流分布qe(θ)，具体为：
i)当0≤θm＜74.5°时，
Figure FDA0002574966030000011
Figure FDA0002574966030000012
ii)当74.5°≤θm＜88°时，
Figure FDA0002574966030000013
Figure FDA0002574966030000021
iii)当88°≤θm＜98°时，
Figure FDA0002574966030000022
Figure FDA0002574966030000023
其中：θm为临界热通量测量点的位置角度；qp(θ)为原型的参考热流分布。
6.根据权利要求1所述的压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征是，所述的归一化热流分布因子，通过对原型的参考热流分布qe(θ)进行归一化处理得到确定各加热棒组的加热功率分布因子。
7.根据权利要求1所述的压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征是，所述的逐步提升加热功率是指：根据归一化热流分布因子确定输入功率形状，并按此形状分布按比例逐步提升加热功率，直至达到该测点θ＝θm处临界热通量。
8.根据权利要求1所述的压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征是，所述的逐步提升加热功率，通过加热功率棒分组加热实现，具体为：分组越多，试验加热热流分布越接近实际反应堆压力容器下封头外壁面热流分布，试验加热功率控制和测量系统复杂度相应提升；本装置中共设置33组，对应于压力容器下封头0～98°，约3°区域一组；所有加热棒组加热功率控制系统设计成同步控制模式，确保试验过程中按照上述热流分布同步提升功率并保持热流分布形状因子不变直至达到CHF值时状态。
9.根据权利要求1所述的压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征是，所述的逐步提升加热功率，其提升的步长根据加热功率的控制精度和整体加热时长确定，总体上低功率阶段提升步长可设置较高，接近沸腾危机时应降低提升步长以降低CHF测量的不确定度，以试验工况角度θm所在加热棒组为参考，低功率时提升步长选择为100kW/m2，当接近沸腾危机时提升步长降为20kW/m2。
10.根据权利要求1所述的压力容器外部外壁面临界热通量的测量方法，其特征是，所述的临界状态，根据具体识别特征，包括：加热功率未变化，但该位置的壁温持续增加，表明出现传热恶化，达到CHF状态；壁温突增的顺序是由外壁向内延伸；厚壁CHF的温度飞升典型特征为升温速率不快但持续飞升，升温速率约在0.5～1.5℃/s。
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