CFETR氦冷偏滤器回路LOCA事故放射性释放分析.pdf
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1、June2023Nuclear Fusion and Plasma Physics2023年6 月Vol.43,No.2第43 卷第2 期子体物理核聚变与等离文章编号:0 2 54-6 0 8 6(2 0 2 3)0 2-0 150-0 6D0I:10.16568/j.0254-6086.202302005CFETR氨冷偏滤器回路LOCA事故放射性释放分析胡泊,黄文玉,周冰,王晓宇,王艳灵,卢勇,张龙,刘宽程(核工业西南物理研究院,成都6 10 0 41)摘要:基于中国聚变工程实验堆(CFETR)氮冷偏滤器回路设计方案,建立事故计算模型,针对真空室外冷却剂丧失事故(Ex-vessel LOCA
2、)和Ex-vessel LOCA叠加真空室内冷却剂丧失事故(In-vessel LOCA),对其放射性释放后果进行了评估。结果表明:Ex-vesselLOCA事故中氨气泄漏会导致管道所在房间压力小幅度上涨,氮气泄漏量低于安全限值;在In-vesselLOCA叠加Ex-vesselLOCA事故中,不考虑隔离阀时房间气体会向真空室倒流,使真空室泄漏量超过安全限值;在加入隔离阀后,真空室泄漏量与房间泄漏量均满足验收准则。同时基于计算结果,估计了事故工况下氙的泄漏量。结果验证了方案的安全性,并为后续设计工作提供了数据支持。关键词:CFETR;氮冷偏滤器;RELAP代码;Ex-vesselLOCA;I
3、n-v e s s e l LO CA中图分类号:TL364+4文献标志码:A1引言CFETR是由中国独自提出的,用于解决ITER到商用电站之间稳态控制运行、氙自持技术及工程材料问题的实验堆1.2 。偏滤器是聚变装置的重要组成部件,其主要作用有两点:一是将部分等离子体能量分散,并导出真空室;二是排除真空室杂质3。按照冷却剂种类分类,偏滤器可分为氨冷偏滤器,水冷偏滤器及液态金属偏滤器等5。其中氨气具有气体惰性、高化学稳定性、高传热效率及安全等优点,是未来聚变堆偏滤器冷却剂较好的选择之_7反应堆运行时,偏滤器会受到高热负载的冲击,靶板最高热流密度可达到10 MWm以上8 ,这对偏滤器回路冷却能力提
4、出了较高要求;同时其冷却回路处于高压状态,一旦发生破口事故,放射性物质会被高温、高压氮气冷却剂携带着涌入外部环境,造成严重后果,因此须对其进行事故分析。本文选取两类事故工况(Ex-vessel LOCA事故和Ex-vessel LOCA叠加In-vessel LOCA事故),采用RELAP5MOD3.4程序对CFETR氮冷偏滤器回路进行建模,模拟计算了其在事故工况下向外环境的氨气及氙泄漏量与外部环境压力变化,验证回路安全性并为工程设计提供参考。2偏滤器回路与LOCA享事故简介2.1CFETR氮冷偏滤器回路核工业西南物理研究院研究人员参照CFETR等离子体的偏滤器几何位形、与CFETR包层和真空
5、室的位置关系,初步设计完成了CFETR氮冷偏滤器结构,如图1所示7 收稿日期:2 0 2 1-0 6-0 7;修订日期:2 0 2 2-10-18基金项目:国家重点研发计划(2 0 17 YFE0300502)作者简介:胡泊(1992-),男,陕西宝鸡人,研究实习员,硕士研究生,研究方向为核能科学与工程。151第2 期胡泊等:CFETR氮冷偏滤器回路LOCA事故放射性释放分析外靶板内靶板反流板下底板盒式支撑过渡支撑图1CFETR氮冷偏滤器偏滤器顶部支撑结构由高强度不锈钢材料组成,固定于环向可移动的滑轨之上。内靶板、外靶板、底板及反流板等,分别固定在支撑结构上。各靶板区域由两部分组成,下部为不锈
6、钢支撑结构,期间布置有气集管,由于氨气进出偏滤器靶板;上部为偏滤器靶板结构,由冷却单元排列而成7 。作为主要的承热部件,氮冷偏滤器冷却单元主要有两种,分别是T型单元和平板单元8 。根据靶板上热流密度径向分布不同,靶板单元不同区域采用不同的单元结构。内靶板上方低热流负载区域采用平板单元,下方高热流负载区域采用T型单元;外靶板同理。下底板由于全部处于低热流负载区域,因此全部采用平板单元。具体的布置方案如图2 所示,各区域冷却单元之间采用并联方案。平板模块区域平板模块区域平板模块T型模块区域T型模块区域内靶板模块外靶板模块下底板图2靶板模块布置示意图在目前的设计方案中,偏滤器系统属于CFETR一回路
7、氮冷系统的一部分,本文事故安全分析基于此设计。如图3所示,氮气冷却剂在进入偏滤器后分别供给偏滤器内/外靶板及下底板。稳压器偏滤器出口热交换器内靶板T模块内靶板平板模块下底板模块外靶板外靶板平板模块主泵偏滤器入口电加热器图3氮冷偏滤器回路流程图由于内/外靶板高热流负载区域与低热流负载区域的氮气流量相差较大,需在入口处进行二次分流,分别供给布置T型单元模块的高热流负载区域及布置平板单元模块的低热流负载区域。因此,将偏滤器回路看作是五部分并联,在出口处冷却剂再次汇总并流出。由于T型模块区域受热高,管壁更有可能发生破裂,同时模块内流速更高,事故工况下氮气泄漏量更大。基于上述原因,本文取外靶板T型模块支
8、路进行建模分析2.2LOCA事故冷却剂丧失事故(LOCA)定义为回路边界破损,冷却剂从回路管道泄漏/喷放的一类事故。根据CFETR事故分类,其被划分为IV类工况0 。事故发生后,冷却剂流失会导致回路内压力降低。当压力降低至一定值后触发低压力信号,反应堆停堆。停堆后等离子体失去约束破裂,高热流密度直接冲152第43卷核聚变与等离子体物理击偏滤器靶板,导致靶板升温。根据破口大小不同,LOCA事故可以分为大、中、小破口事故三种,同时又可依据破口位置不同,可以分为真空室外破口事故(Ex-vessel LOCA)和真空室内破口事故(In-vessel LOCA)。本文选取最严重的双端剪切断裂事故,分别计
9、算Ex-vessel LOCA与In-vessel叠加Ex-vesselLOCA事故,破口位置如图4所示。冷却剂的丧失会使外部环境(真空室与外部房间)压力上涨,放射性物质的泄漏也会带来安全问题。在CFETR 安全体系中,冷却剂泄漏量是重要的安全评价标准。针对偏滤器回路LOCA事故,目前所考虑的初步验收准则如下10 :(1)事故后外房间压力不超过12 0 kPa,気气泄漏量不超过2 0 0 kg;(2)事故后真空室压力不超过2 0 0 kPa,气泄漏量不超过150 kg3计算模型CFETR氮冷回路的RELAP5模型如图4所示。模型仅包括事故分析中相关部件,包括一条偏滤器T模块支路(6 0 1)、
10、稳压器(0 0 7)、电加热器(0 0 3)、换热器(0 0 1)、主泵(0 0 2)及相关管路。二回路被简化为边界条件,仅起到传热作用。一次侧二次侧(氮气)!(氮气)一520308006020014022012201Tmdpvol511721013202偏滤器203出口076007711001204601HX偏滤器205701501015+偏滤器207入口003100加热器005002017021016206Tmdpvol011 019018图4氨冷偏滤器回路RELAP5模型图图5a是Ex-vessel LOCA中的模型图。考虑到内外部压差越大,气泄漏量越多,因此选取最大容积的托卡马克大厅为
11、破口发生位置,用控制体800模拟。在事故发生时,8 0 1和8 0 2 阀门开启,同时关闭0 2 2 阀门,使氮气冷却剂直接冲入8 0 0 房间中。房间设置初始压力1bar,自由容积40 0 0 0 m。图5b是In-vesselLOCA模型,检测到事故发生后,两段阀门开启,6 0 1和511中间阀门关闭。8 0 3为真空室,自由容积40 0 0 m,压力为10.0 Pa。建模完成后使用RELAP5进行计算稳态调整,使主要参数与设计值保持一致。主要设计参数与计算值对比列于表1中,可以看到计算值与设计值符合较好。022ab012014601511801802800803图5破口模型节点图a一Ex
12、-vesselLOCA破口模型;bIn-vesselLOCA破口模型。析153第2 期胡泊等:CFETR氨冷偏滤器回路LOCA事故放射性释放分析表1氨冷偏滤器回路关键参数对比参数设计值计算值误差回路压力/MPa1010.033%氢气流量/kgs-188.070.87%偏滤器入口温度/300296.81.06%面向等离子体面积/m0.18360.1836计算假设条件为:(1)回路在事故发生前处于稳态运行状态,表面平均热负荷10 MWm2;(2)0 s 时破口阀门同时开启,原管路上阀门关闭(如图 5 所示);(3)叠加事故发生后表面热负荷0.1s内升高至30MWm-(Ex-vessel LOCA中
13、考虑由系统控制反应堆停堆,因此会有3s延迟),持续时间40 0 ms,随后迅速降低;(4)(叠加事故考虑隔离阀时)隔离阀在触发停堆后5.0 s关闭;(5)二回路在事故发生后停止给水。4结果分析4.1Ex-vesselLOCA结果通过计算得到事件序列列于表2 中。表2事故序列时间t/s事件0系统稳态运行0真空室外管路发生双端剪切断裂3.1等离子体破裂,热流密度激增,第一壁表面温度升高6.4房间压力上升至10 3.56 kPa图6 给出了真空室外房间压力变化图。事故发生前,房间压力为10 1kPa。在管路发生双端剪切断裂后,由于内外压差很大,氮气迅速从断裂处冲入房间,导致房间压力迅速增长,在6.4
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