[发明专利]反应堆第4级自动降压系统喷放卸压模拟实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种模拟反应堆第4级自动降压系统（ADS-4）喷放卸压实验装置及方法。

背景技术

在AP1000中，自动降压系统(Automatic Depressurization System,ADS)的功能是以可控的方式降低事故期间反应堆冷却剂系统压力以便进行安注。ADS由四级降压阀门组成，第1、2、3级降压管线均与稳压器接管相连，管线出口与安全壳内置换料水箱中的一个喷洒器相连。第4级自动降压系统ADS-4与反应堆热管段相连，将反应堆内的蒸汽排放到安全壳环境中，以达到降压目的。ADS-4阀门打开后，伴随着大量的蒸汽从ADS-4支管流出，热管段内ADS-4支管附近的水会被高速的气流夹带出去，减少了反应堆内冷却剂存量，如果堆内液位低于燃料组件高度，可能会导致燃料棒氧化、膨胀，甚至包括堆芯熔化的严重事故。当反应堆压力降至约0.18MPa时，安全壳内置换料水箱开始注入，压力容器内液位开始快速升高。安全壳内置换料水箱开始注入时压力容器内的液位最低，应该保证在系统压力降至0.18MPa时反应堆内仍有较高的安全液位。故研究ADS-4阀门开启后系统的降压速率及ADS-4支管的水夹带量对反应堆系统安全具有重要意义。

现阶段国内外对以反应堆为背景的水夹带及ADS-4相关理论研究较少，尚不能掌握ADS-4阀门开启后的系统降压规律、压力容器液位降低速率以及ADS-4支管夹带率。比如反应堆系统分析软件RELAP5中由于其夹带模型的缺陷，低估了从ADS-4T型支管夹带出的水量，不能准确预测堆芯裸露的严重事故工况。国外已经做了大量的夹带机理性实验，这些实验不涉及反应堆工程背景，主要研究不同气体流量和水平管液位高度下的起始夹带和夹带率实验。以反应堆为工程背景的实验较少，相关台架有APEX,ATLATS和SPES-2等。

T型管夹带机理性实验中水平主管段与竖直支管的直径比往往与真实反应堆有较大差异，并且主要研究主管段为层流或近似层流状态下的夹带，流动状态单一。比较典型的实验有REIMANN于1984年在德国卡尔斯鲁厄理工学院用空气-水进行的T型管夹带实验。Smoglie利用实验数据得到了夹带起始准则式及夹带率公式，其中夹带起始模型应用到RELAP5MOD3.2中(C.SMOGLIE,J.REIMANN.TWO-PHASE FLOW THROUGH SMALL BRANCHES IN A HORIZONTAL PIPE WITH STRATIFIED FLOW.Int J Multiphase Flow Vol12.No4.pp609-625,1986)。该实验的主管内径为0.206m，分别采用0.006、0.008、0.012、0.020m四种不同内径的支管进行了起始夹带和夹带率实验。真实反应堆的支管与主管段直径比为0.58左右，而本实验最大的支管与主管直径比为0.097，故与真实反应堆相差较大。此外，该实验只涉及分层流研究，但真实反应堆热管段内的流动复杂而紊乱，故实验数据不适用于真实反应堆热管段中的泡状流、波动流、弹状流等流型。

ADS-4喷放卸压模拟实验主要有APEX,VAPORE,SPES-2和ATLATS。APEX,VAPORE和SPES-2等均为综合性实验台架，研究更多的整体性效应，没有针对夹带起始等机理进行单项效应实验，而是作为综合效应实验的组成部分验证的。ATLATS实验装置以AP600为原型进行了ADS-4喷放卸压实验，并得到夹带起始和稳态夹带率经验关联式(K.B.Welter,Q.Wu,Experimental investigation and theoretical modeling of liquid entrainment in a horizontal tee with a vertical-up branch,International Journal of Multiphase Flow30,1451-1484,2004)。但该实验压力仅稍高于大气压，而对于AP100010英寸破口ADS-4阀门开启时对应的压力约为0.6MPa，故该实验不能完全模拟ADS-4喷放卸压工况。此外，ATLATS实验为冷态实验，采用空气-水做为介质，没有考虑空气和水蒸气之间的物性、质量能量交换等对夹带的影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有实验装置的缺点，提供一种反应堆第4级自动降压系统喷放卸压模拟实验装置及方法，该实验装置能够揭示T型管起始夹带及夹带率机理，并能模拟反应堆小破口事故序列中ADS-4阀门开启后的夹带现象及系统降压速率，为程序提供实验验证。