一体化小型堆主回路自然循环稳态特性实验研究

任 成，杨星团，刘志勇，姜胜耀

（清华大学 核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084）

小型堆因其具有诸多优点近年来受到国际核能界的持续关注。国际上很多国家都提出了自己的小型堆技术解决方案［1］。目前的小型堆已普遍采用一体化设计思想，并尽量采用非能动安全或固有安全技术。自然循环方式运行时，堆芯与蒸汽发生器之间的密度差和高度差产生自然循环驱动压头，能维持一定的流量持续将堆芯热量传输至蒸汽发生器二次侧，不受外部动力条件制约，可有效避免一回路大破口、全厂断电等一系列问题。自美国三哩岛及日本福岛事故以来，自然循环作为提高核动力装置固有安全性的一种手段，近年来得到了广泛而深入的研究［2-3］。

清华大学核能与新能源技术研究院（INET）一直致力于先进性小型反应堆的研究［4］，并将反应堆的固有安全性放在首要位置，1989年即成功运行NHR 型一体化自然循环反应堆［5］。为推动NHR 型反应堆的商业化进程，INET 建成了专门的热工水力学试验回路深入开展实验，以便于进一步优化和确定一体化自然循环反应堆的设计参数。

本文在INET 建立的全尺寸、全参数自然循环试验回路上，进行反应堆一回路自然循环稳态流动特性的实验研究，提出一可用于表征系统自然循环能力的综合特征参数k，给出一种整理实验结果的新方法，对进一步优化一体化自然循环反应堆的参数设计具有重要指导意义。

1 实验回路

图1为INET 重新设计的NHR 型小型反应堆的概念原理图，它采用一体化、自稳压、全功率自然循环压水方式运行。该反应堆可用于区域供热／制冷、热电联供、海水淡化等，是一种多用途小型反应堆。

图1 一体化小型堆原理图Fig.1 Conceptual graph of integrated small reactor

为研究其自然循环特性而搭建的实验系统包括3个回路，分别由模拟自然循环反应堆一回路的实验本体、二回路和将热量传给最终热阱的三回路组成。实验本体回路如图2所示，采用管道式对称双环路结构，由加热段（3个支路，模拟不同位置处燃料组件）、上升段、分流段、换热器（2 个）、下降段、回流段及稳压汽空间等组成。这种结构能较好地模拟实际反应堆的对称结构，同时可考察不同支路循环特性的差异。去离子水在加热段中受热升温，在浮升力作用下向上流动，分流到两个换热器进行冷却，再经下降段、回流段回到加热段，从而组成自然循环回路。稳压器空间通入不凝结气体维持系统压力，并保证系统内的单相压水流动状态。

图2 自然循环实验本体示意图Fig.2 Experiment apparatus of natural circulation

实验本体的几何设计上采用与实际反应堆相同的高度和宽度，各部分流道的流通面积按相似准则确定的比例系数相应缩小。加热元件为模拟反应堆燃料元件的电加热棒，其直径、长度、栅距、表面热负荷等参数与实际燃料元件相同，排列结构也与实际反应堆相同。加热组件入口设有可更换的节流装置，用来模拟和调整实际反应堆中的阻力环节。主换热器与实际反应堆所用的主换热器在类型、结构、换热管尺寸、换热管排列方式、阻力设计等方面完全相同，但换热管数量按比例减少了。自然循环驱动力等于冷热流体温差引起的密度差与有效高度的乘积，即对自然循环而言，堆芯进出口温差（密度差）和高度决定了自然循环驱动能力的大小。从模拟自然循环流动来看，实验本体的各部分与实际反应堆相对应，并根据相应的准则数与实际反应堆相同，并可采用与实际反应堆相同的参数运行，从而实现1∶1 模拟［6］。因此，这是一全尺寸、全参数的自然循环实验回路，实验结果可直接应用于实际反应堆的设计及优化。

系统压力测点在汽空间上方；3 个加热段功率通过测量输入电压和电流得到，电压测点从电极引出，消除了电缆的损耗，电流信号由安装在整流柜中的霍尔电流传感器送出；加热段入口、出口温度测点从管道侧壁伸入并正对加热元件组件两端；换热器一次侧进出口温度测点布在换热器进口和出口的混合腔内；整个实验本体除了中间段用于安装超声波流量计的一段管子外均包有保温层，而中间段管径较小，散热面不大。

2 自然循环稳态特性

稳态特性实验进行了多轮不同工况下的实验。压力：1、2、3、4 MPa；功 率：25%、50%、75%、100%（164kW），并通过调节二、三回路流量获得不同入口温度下的实验工况点。整个实验系统由实验本体（一回路）、二回路和三回路组成，3个回路互相耦合。当实验本体确定时，自然循环回路阻力系数确定，对实验本体内的自然循环而言，系统压力、加热功率、入口温度是3个独立自变量，实验本体内自然循环的其他流动参数均由之确定。

实验方法为：首先将二、三回路流量调整到合适的数值，并设定好系统压力，逐渐投入功率（从小到大）；系统逐渐达到平衡状态，在此过程中维持压力、功率和二、三回路流量不变，当加热段进出口温度及流量等参数稳定时，认为达到平衡状态，得到1个实验工况点；调整功率，并维持压力和二、三回路流量不变，得到另一个实验工况点，当功率完成从25%、50%、75%到100%时，得到该压力下的1组实验工况点；调整系统压力，并将二、三回路流量调整到另一个合适的值，然后依次改变功率从25%、50%、75%到100%，得到第2组实验工况点，如此重复。实验回路具有较大的热惯性，采用这种实验方式的效率较高。

获得了系列实验数据后，首先对数据进行了初步评估，以判断实验数据是否合理、正确。通过回路的流量平衡、能量平衡分析显示，流出加热段的流量与流出换热器的流量基本相等，两者相对偏差多在1%以下，符合连续性方程；加热段的热量与换热器一次侧的热量基本相同，换热器的一次侧和二次侧热量基本相同，相对偏差多在2%以下，包含测量误差和散热损失部分；表明实验中温度、流速的测量准确、可信，具有较高的精度。另外，支路数据表明：3个加热段的输入功率、出入口温度、流速基本接近，两个换热器出入口温度、流速基本接近，在测量误差范围内；换热器一次侧出口温度与加热段进口温度基本相同，说明实验本体保温效果较好，散热很小，可忽略；综上分析，在输入的外部条件保持一致的情况下，实验本体内的自然循环流动保持了很好的对称性。

图3示出了不同压力下，改变加热功率，实验本体自然循环流量的变化情况。

图3 不同压力下实验本体自然循环流量随加热功率的变化Fig.3 Flow rate of natural circulation vs heating power under different pressures

由图3可见，在固定二、三回路流量及实验本体压力条件下，随加热功率的增加，回路自然循环流量随之增加；同一加热功率下，随系统压力的增大，回路流量也随之有一定增加，但影响较小。

图4示出了不同压力下，改变加热功率，实验本体加热段入口温度和进出口温差的变化情况。在固定实验本体压力条件下，随功率的增加，加热段入口温度及进出口温差均增加；同一加热功率下，随系统压力的增大，入口温度也增加，但进出口温差却有一定程度下降。

图4 不同压力下加热段温度随加热功率的变化Fig.4 Temperature of heating section vs heating power under different pressures

图5示出了不同压力下，改变加热功率，实验本体加热段、换热段进出口差压的变化情况。在固定实验本体压力条件下，随功率的增加，加热段、换热段进出口差压均增加；同一加热功率下，随系统压力的增大，进出口差压也有一定增加，但影响很小。

图6示出了固定75%（131kW）功率下，不同压力下实验本体加热段进出口温度和流量的变化情况。可看到，随压力的增加，系统的自然循环流量增加，但幅度远小于功率调节带来的变化；加热段进出口温度均增加，但进出口温差却下降。自然循环稳态下，加热段进出口温差是表征系统自然循环驱动力的重要参数；由于液体的不可压，在某一温度水平下，进出口温差往往决定了回路的自然循环驱动力。图中进出口温差下降而循环流量增加的现象是由工质自身的物性性质决定的，在更高的温度水平下，相同的温差对应了更大的密度差，从而形成更大的驱动力。因此，图中循环能力的增加不是压力升高引起的，而是入口温度的升高造成的，也说明自然循环能力是回路的综合效果，难以通过单一简单参数来判断。

图5 不同压力下进出口差压随加热功率的变化Fig.5 Pressure difference of inlet and outlet vs heating power under different pressures

图6 Q=131kW 时不同压力下自然循环参数的变化Fig.6 Parameters of natural circulation under different pressures for Q=131kW

3 自然循环能力特征参数

回路自然循环能力通常包含两层含义：一是自然循环流动能力；二是自然循环载热能力。自然循环回路能产生更大的流量或能载出更多的热量，说明其自然循环流动能力或载热能力强，通常情况下很少去区分两者的差异，而统称为自然循环能力。对于两个具体的回路，根据实际的热工参数，可较易判断两个回路的自然循环能力；但在具体叙述中，通常习惯于通过某个单一参数来说明自然循环能力的大小，比如：流量越大，自然循环能力越强；或高度越高，自然循环能力越强等。实际上，上述说法中均隐含了一重要条件，即其他参数相同。自然循环能力是回路的综合效果，难以通过单一简单参数来表征，目前尚缺乏一综合指标来表征系统的自然循环能力。

本节将通过推导，建立相应的指标来表征自然循环回路的循环能力和载热能力。对于自然循环回路，只包含3类参数：几何参数、工质物性参数以及运行参数。结构与尺寸决定了阻力系数R、流通面积A、驱动高度H、回路长度L 等；工质类型确定了物性间的关系Δρ／ΔT 以及蓄热能力cp；运行参数包括温度T、压力p。对某一确定的自然循环回路，有：

其中，R 包含局部阻力和沿程阻力系数。

定义：

其中：

k 的含义为：当加热段进出口温差为1 ℃时，自然循环回路所产生的流量或载出的热量。从定义式可看出，流通面积越大、回路阻力系数越小、流体密度越大、单位温差对应的密度差越大、重力加速度越大、驱动高度越大，则k1越大，回路的自然循环流动能力越强；若同时工质的蓄热能力也强，则k2越大，回路的自然循环载热能力越强。即，参数k 可用于衡量不同结构与尺寸、不同工质类型以及不同运行参数下的自然循环回路的流动能力和载热能力。

用k来表示回路的循环流量和载热量：

式（7）～（9）说明：对于两个循环能力或载热能力相同的自然循环回路，其循环流量与进出口温差的1／2次方成正比，载热量与进出口温差的3／2次方成正比；载热能力参数k2与流动能力参数k1之间只相差1个比热参数。可见，对自然循环而言，只需通过1个参数即能评价回路的流动和载热能力。并且，在一定的加热段进出口温差下，可得到循环流量、功率等稳态参数，为自然循环计算带来方便。因此，本文将k视作自然循环回路重要的特征参数。显然，k 是温度、压力和功率的函数，即：

对于不同的自然循环回路或不同的运行工况下，可通过回路的特征参数k来评价其流动能力和载热能力，即自然循环能力；并且只需知道k这一参数即可计算一定温差对应下的循环流量、功率，从而推算出流速、阻力等其他参数。这是引入回路自然循环能力特征参数k的价值所在，将在实际工况的计算中发挥重要作用。

图7示出了实验中获得的不同压力下的实验回路特征参数k1、k2随加热段平均温度的变化，可作为实验回路的资料，用于工况参数的计算。结果表明：对于一确定的系统，特定压力下的k 随加热段平均温度的升高近似线性增长，反映了系统自然循环能力的增强。

4 结论

在全尺寸、全参数模拟的自然循环试验回路上，实验研究了一体化反应堆一回路自然循环稳态流动规律。在输入的外部条件保持一致的情况下，实验本体内的自然循环流动保持了很好的对称性。影响自然循环流量的主要因素是加热功率，入口温度、系统压力等参数的影响较小。推导提出了一可用于表征系统自然循环能力的综合特征参数k。特征参数k 反映了自然循环回路的流动能力和载热能力，可当作指标参数来衡量不同的自然循环回路或不同的运行工况下的自然循环能力。针对具体的自然循环回路，可通过实验或验证后的计算程序计算得到关于k 的资料，然后根据k 计算其他热工参数，非常便利。

图7 不同系统压力下k1、k2 随加热段平均温度的变化Fig.7 Characteristic parameters k1，k2under different average temperatures of heating section

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