深池式供热堆失流事故关键热工水力过程研究
摘要
失流事故（LOFA）是深池式供热堆运行期间可能发生的一类设计基准事故，会危及
堆芯安全。因此，在反应堆设计中需要充分考虑该问题。在深池式供热堆中，为了提高
核能供热的安全性与经济性，系统中使用惯性水箱替代主泵惯性飞轮。在LOFA发生时，
事故初期系统依靠水池与惯性水箱间液位差储存的势能减缓堆芯冷却剂流量下降速度，
保证堆芯热量安全导出，并配合反应堆紧急停堆系统使反应堆从初始满功率安全过渡至
低功率；事故中后期系统依靠水池内堆芯与水池之间形成自然循环对堆芯长期冷却。因
此，惯性水箱的作用特性和池内自然循环流动传热特性都将对深池式供热堆LOFA过程
中堆芯安全有重要影响。本文采用理论分析、实验和RELAP5仿真相结合的方法，对深
池式供热堆LOFA早期惯性水箱作用特性、LOFA中后期池内自然循环的流动传热特性
以及系统的LOFA瞬态热工水力特性开展研究。
首先以深池式供热堆的惯性水箱为研究对象，开展了模化分析，获得了惯性水箱相
似准则。利用RELAP5程序，初步评估了惯性水箱相似准则和按该相似准则设计的缩比
模型，并在此基础上设计、搭建了一套惯性水箱的缩比实验装置。基于惯性水箱实验装
置与RELAP5程序，揭示了惯性水箱在泵跳闸后的作用机理，并确定了惯性水箱尺寸和
回路阻力对惯性水箱性能的影响规律。研究结果表明惯性水箱可以替代主泵惯性飞轮，
减缓主泵跳闸后堆芯冷却剂流量的下降速度，其中惯性水箱的水力作用过程可以分为快
速变化阶段、缓慢变化阶段和振荡阶段。此外，研究发现惯性水箱直径、惯性水箱上游
阻力和惯性水箱连接管阻力是影响惯性水箱性能的关键因素。
然后以深池式供热堆的池内自然循环回路为研究对象，基于H2TS方法开展了模化
分析，获得了池内自然循环相似准则。通过对比缩比模型与原型之间的RELAP5仿真结
果，初步评估了自然循环相似准则和设计的缩比模型。根据评估结果，设计并搭建了一
套池内自然循环缩比实验装置。基于自然循环实验装置，通过实验确定了系统的最大自
然循环能力和极限输热能力，并发现随着热源功率增大，系统会出现连续高频振荡不稳
定流动和间歇性大振幅振荡不稳定流动两种不稳定现象。此外，利用RELAP5对实验回
路中的自然循环进行模拟，结果表明RELAP5能较好的预测系统流动传热特性，并且
T.WHa模型可以明显提高RELAP5对系统最大自然循环能力和极限输热能力的预测精
度。在此基础上，分析了系统热工参数对系统最大自然循环能力和极限输热能力的影响。
最后，基于RELAP5程序建立了深池式供热堆的仿真模型，研究了深池式供热堆
深池式供热堆失流事故关键热工水力过程研究
LOFA瞬态热工水力特性，揭示了惯性水箱与池内自然循环的耦合作用特性。研究发现
深池式供热堆LOFA过程可分为惯性水箱作用阶段、振荡阶段和自然循环阶段。在此过
程中，堆芯出口冷却剂温度和燃料棒包壳峰值温度将出现三个峰值，其中第一个峰值远
大于第二个和第三个峰值。此外，还通过参数分析，揭示了惯性水箱连接管阻力、自然
循环瓣阀阻力和开启条件对LOFA瞬态特性的影响。研究发现减小惯性水箱接管阻力将
显著减小LOFA过程中燃料棒包壳峰值温度的第一个峰值；自然循环瓣阀在惯性水箱作
用阶段开启将减弱惯性水箱的性能；减小自然循环瓣阀阻力能明显减小自然循环阶段燃
料棒包壳峰值温度。
关键词：热工水力；池式供热堆；失流事故；自然循环；RELAP5
深池式供热堆失流事故关键热工水力过程研究
Abstract
Lossofflowaccident(LOFA)isakindofdesignbasisaccidentthatmayoccurduringthe
operationofdeeppool-typenuclearheatingreactor(DPNR),whichwillendangerthecore
safety.Therefore,thisproblemneedstobefull