鈉冷快堆的非能動停堆系統(tǒng)

1、DEVELOPMENT OF PASSIVE SAFETY DEVICES FOR SODIUMCOOLED FAST REACTORS鈉冷快堆的非能動停堆系統(tǒng)摘要：近年以來，鈉冷快堆的非能動停堆系統(tǒng)的發(fā)展有了顯著提高。這篇文章 呈現(xiàn)出了一些物理和工程研究所（IPPE）在1990到1995年間關于鈉冷快堆的 非能動停堆系統(tǒng)的一些研究成果。介紹：安全加強的NNP單元的發(fā)展是核能發(fā)展最重要的問題。計算表明，在非能動停堆系統(tǒng)能對反應性有較小影響時，伴隨著安全系統(tǒng)失 效的最嚴重的預想堆芯損壞可以避免。在發(fā)生這種情況時，有非能動停堆系統(tǒng)的 反應堆實際上要求由堆內環(huán)境提供的自然的內在的安全特性。非能動停堆

2、系統(tǒng)能 相對于安全系統(tǒng)是一種附加設計，其設計目的是為了控制安全系統(tǒng)失效情況下的 超設計基準事故，以避免液鈉沸騰和嚴重堆芯損壞。非能動停堆系統(tǒng)的各種各樣的設計特性已逐漸被發(fā)現(xiàn)。目前，俄國的非能動停堆 系統(tǒng)最強調以下兩點設計特性：1）根據(jù)鈉流量的下降2）根據(jù)堆芯出口溫度的上升在以上兩種情況下，控制棒在重力作用下自動下落。一回路冷卻劑流量降低啟動的液體懸浮的非能動停堆裝置（或稱非能動停堆 組件）PSS1988-89年間，俄羅斯研究制造了兩個可用于BR-10堆的實驗用PSS（PSSN1 和PSSN2），它的外形與BR-10的標準組件相同，表1為其主要的技術參數(shù)（如 圖1.1和表1.1），并且先對它們進

3、行了堆外水環(huán)境下的實驗。計算技術的發(fā)展 使得在水環(huán)境條件下得到的結果可以應用于鈉環(huán)境下。坦右中平面圖1.1 BR-10中液體懸浮式非能動停堆組件（PSS）結構圖Qb：停堆時停堆棒可以懸浮時組件中冷卻劑流量Qn :停堆棒停在高位時組件中冷卻劑流量 rQm :停堆棒停在低位時組件中冷卻劑流量 rn：落棒邊界停雎悻-I fl-E圖1.2用于BN-600的PSS組件后于1994年12月完成了包括上電驅動的PSS的壽命的堆內實驗。實驗驗證 了用于BR-10堆的PSS的推薦設計參數(shù)，并作為標準。7063表 1.1 BR-10 PSS（Passive Safety Subassemblies）主要技術參數(shù)參

4、 數(shù)PSSN1PSSN2吸收棒包殼尺寸/mm22.5X0.321.5X0.3吸收棒重量/g242.0225.0吸收效率/ k/k %0.1460.22（吸收棒在提升位置）通過反應堆的冷卻劑流量/m3/h9681（吸收棒在下落位置）通過反應堆的冷卻劑流量/m3/h（吸收棒在提升位置）通過PSS的冷卻劑設計流量/m3/h0.930.97吸收棒下落時間/s1.140.67由于吸收棒插入深度對通過堆芯冷卻劑流量的系統(tǒng)反應性的影響取決于反 應堆功率水平（12000kW），因此，當PSS插入堆芯時冷卻劑流量不會降低到額 定流量的25%以下。用于BR-10堆的實驗用PSS主要數(shù)據(jù)如表1.2表1.2 BR-1

5、0 PSSN1和PSSN2實驗數(shù)據(jù)名稱堆芯柵元數(shù)實驗時間段有功率運行落棒次數(shù)（有功率）有效天數(shù)積分通量/n/cm21101989.1.3-1989.1.50PSSN11101989.3.29-1989.8.39.5526x102138(10)951992.9.14-1992.1121.96951991.5.15-1992.8.151.07PSSN2951993.11.23-1994.1127.421.7x1022125(10)951994.11.25-1995.655.5PSSN1和PSSN2在堆內的總操作時間分別為218天和1020天。PSSN1和PSSN2分別共進行了 38次和116次落棒

6、實驗，沒有發(fā)生卡棒情況。 穿過堆芯的流量值在控制棒上升和下降的過程中沒有改變。BN-600堆的液體懸浮式非能動停堆裝置的研究開始于1989年。1988-89年 間，一種基于標準停堆吸收組件基礎，用于BN-600堆的實驗吸收組件被成功制 造出來。它的全尺寸實體模型被用于水環(huán)境下的實驗（如圖1.2）。用于測試的 有幾種形式的組件。到1994年才完成了組件的測試；基于測試結果，其中有一 種形式吸收組件被確定為推薦模型。?u堆芯上部3上七冷的心直R.勺，3=普1尸芭圖1.2用于BN-600的PSS組件為組件制定的以下算法已調試完畢。在已經(jīng)停下來的反應堆中，含有吸收劑 的控制棒在最終的較低位置-在導管套

7、筒的剛性處。在反應堆提升功率前，控制 棒被一個驅動爪子提升到較高的工作位置。初級冷卻劑流量率從最小值上升到較 高階段，爪子就被打開。這樣做能保持控制棒仍然被爪子抓住。用這種方式使穿 過導管套筒的冷卻劑流量率大概為0.6,此時液體對控制棒的浮力將不小于控制 棒本身的重量。用去除三個熱循環(huán)反應器中的一個的方法，流量率自動減小到 0.67的水平?？刂瓢魟t仍然停在較高的工作位置。在有一個停堆信號時，控制棒自動被一個在開關爪處的驅動系統(tǒng)推入較低工 作位置。這種情況下，吸收劑仍然被爪子抓著。在控制棒從較高工作位置移動到 較低工作位置期間（約1s），初級冷卻劑流量率沒有明顯變化。隨著冷卻劑流 量率的減少，從

8、初級泵減少到旋轉時，流體的浮力發(fā)生改變。當流體的浮力減小 到小于控制棒本身的重量時，控制棒從閼門以上80mm的高處掉入閼門然后保持 這個狀態(tài)。在冷卻劑流量率進一步減小的情況下，控制棒伴隨著閼門緩慢下降。 在驅動裝置失效的情況下，當冷卻劑流量率低于0.6時，控制棒在重量作用下自 動下落。在控制棒下落過程中，它先停在一個卡位處（閼門以上40mm），接下 來，在冷卻劑流量率進一步減小的情況下，控制棒輕輕地移向閼門。用于BN-600堆內實驗用PSS組件和PS組件的水的物理設計參數(shù)，如下表 1.3所示。鈉的冷卻劑流量率是在運行溫度下給定的。表 1.3 BN-600 PSSN1 和 PSSN2 實驗數(shù)據(jù)名

9、稱T t/sT 2/sQsQnQfQbQnrQmrn組件2.01.00.252.2PSS N1 10.16.13.66.011.52.11.00.362.5PSS N2 8.74.72.74.511.52.11.00.253.6其中：T :事故開始后落棒（含響應）時間 tT 2：流量降低到0.6Gnom后落棒時間Qs：停堆棒停在高位時冷卻劑流量Qn：組件冷卻劑流量Qb：停堆時停堆棒可以懸浮時組件中冷卻劑流量Qn :停堆棒停在高位時組件中冷卻劑流量 rQm :停堆棒停在低位時組件中冷卻劑流量 rn :落棒邊界Qf：停堆棒停在低位時冷卻劑流量在BN-600反應堆中的超設計基準事故包括：電力供應的完

10、全喪失和反應性 控制系統(tǒng)有效性的喪失。在這種情況下，由于在從事故開始（T 1=4s和T 1=14s） 到控制棒插入堆芯（T 2=2s和T 2=4s和T 2=7s）的過程中驅動系統(tǒng)的多次驅動， 各種各樣控制棒價值的PSS的驅動的影響如圖1.3,圖1.4所示。從控制棒的反 應性，考慮到的價值，T 1和T 2的數(shù)據(jù)可以看出：在事故發(fā)展的最初階段，堆 芯出口鈉的溫度水平主要由吸收劑的逐步插入（圖1.3），在接下來的階段，主 要由插入反應性的價值（圖1.4）。圖1.3遵循一個PSS效率的價值大約是0.6% k/k（一個標志安全控制棒的效率），是驅動時（T 1=4s）的兩倍（在從冷卻劑流 量率開始減小到冷

11、卻劑流量率達到臨界值0.6期間），堆芯出口鈉的溫度不超過 720 ，例如，確保邊界到沸點鈉還有一定溫度差值（如200 C）。斯102。3。4?時間m圖1.3 PSS對堆芯出口鈉溫度分布影響圖1.4 PSS對堆芯出口鈉溫度分布影響堆芯冷卻劑出口溫度增加啟動的非能動停堆裝置這種類型的PS組件是基于BN-600型反應堆標準組件發(fā)展起來的。在組件中， 裝有縮短了的燃料元件棒束，而且冷卻劑流量也低于標準燃料組件，其目的是為 了使PSS-AD組件燃料元件段出口溫度與標準燃料組件相近。在PSS-AD頭部，是 停堆棒下落啟動裝置（AD），這種裝置具有溫度敏感效應，在溫度升高的情況下， 會釋放停堆棒，停堆棒則在

12、重力的作用下落入堆芯。這種類型的應用于BN-600 型反應堆PSS系統(tǒng)的AD從1990年以來一直處于發(fā)展階段。圖1.3表明，AD動作的溫度相當于650-670C。為了獲得離鈉沸點還有100C 和150C的溫度冗余度的邊界，吸收劑插入的時間必須不能超過10s和5s。2.1基于磁性材料的停堆棒下落啟動裝置圖2.1顯示了在鈉的操縱中的發(fā)展起來的一種為了實驗測試的一種磁驅動 裝置的模擬式設計，這種裝置應用于BN-600的PSS系統(tǒng)。圖2.1 MAD結構示意圖MAD的磁鐵系統(tǒng)由一塊在軸向有磁感的磁鐵固態(tài)合金的永磁鐵、一個居里點 為620 r的鐵竦合金的罩子和一個連接吸收劑控制棒的阿姆科鐵材料的銜鐵組 成

13、。在罩子的溫度上升超過居里點時，罩子失去它的磁鐵特性，導致MAD的負 載能力的下降。在MAD的負載能力的下降到低于吸收劑控制棒的重量時，MAD 的電樞松開，控制棒在重力作用下掉入堆芯。到1996年，對MAD實驗組件共進 行了約1000小時的實驗，確定了 300-680C范圍內、鈉環(huán)境下磁性材料吸附力 的變化，也確定了它在流過的鈉溫度快速升高（每秒12 r）的情況下的動態(tài)特 性。MAD模型的測試揭示了一個問題：MAD的熱惰性很大，時間常數(shù)為6.4s，也 就是說，在事故發(fā)生6s后MAD才開始動作，所以堆芯出口處冷卻劑的溫度不能 超過715r。俄羅斯繼續(xù)進行了對MAD的改進設計研究工作。2.2基于多

14、種物理效應的停堆棒下落啟動裝置圖2.2多種物理效應AD結構示意圖多種物理效應AD（如圖2.2所示）中包含了幾種溫度敏感效應的共同作用， 例如：相變，形狀記憶等等。任何一種溫度敏感材料的變化均可啟動吸收棒的下 落。裝置的主要工作部分是波紋管，波紋管外有冷卻劑通過，波紋管兩端封閉， 內部填充溫度敏感材料（溫度敏感材料是指隨著溫度的變化，可發(fā)生物理或化學 性質明顯改變的一類材料）。例如鋁在660C熔化時引起的體積變化可達 6.6%。計算和實驗研究表明，這種裝置的延遲時間從2s到8 s、沖程2mm到8mm、 力從450N到10000N的性能可以保證裝置的正常工作。同時，在這種裝置設計中 還包括了分別裝

15、在波紋管的上部和下部另外一種溫度敏感材料，這種溫度敏感 材料是以碟形彈簧包的形式制造，在630C到670C具有形狀記憶功能的鈦合金。 通過對這種材料的實驗研究已經(jīng)完成。結果表明：這種材料的驅動時間1s、沖 程6mm到8mm、力發(fā)展了 700H的性能可以保證吸收棒可靠地啟動。關于這種裝 置的計算和實驗研究正在進行。結論：IPPE的非能動停堆系統(tǒng)基于以下兩點驅動特性而設計:1）根據(jù)鈉流量的下降2）根據(jù)堆芯出口溫度的上升用于BR-10系列反應堆的基于水力懸浮的PSS裝置已經(jīng)被成功設計出來。 兩種類型的這種組件已經(jīng)在BR-10系列反應堆中在包括帶電驅動情況下成功測 試了其壽命。這些測試確定了這種組件的設計特性，而且這種設計已作為例行操 作的推薦標準。一種實際尺寸的用