简化管束设备室整体临界安全分析方法研究.pdf
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1、简化管束设备室整体临界安全分析方法研究陈 添,张毅诚,胡小利,费钧天,邵 增,易 璇,杨海峰(中国核电工程有限公司,北京1 0 0 8 4 0)摘 要:对处理溶液类易裂变材料设备室的整体临界安全分析,提出了简化管束设备室整体临界安全分析方法,保守地将设备室内盛装易裂变材料的管道的料液集中布置成为简化管束,并紧贴设备室内反应性最大的设备上,以全面保守地考虑管道对临界安全的影响。基于简化管束模型,针对地震工况下的管道位移,采用保守且合理的模型进行地震工况下设备室整体临界安全分析。计算结果表明,简化管束整体临界安全分析方法比按实际管道布置精细化建模的方法的计算分析过程更简便,是一种合理且保守的考虑管
2、道的设备室整体临界安全分析方法。关键词:简化管束;临界安全分析;设备室;管道中图分类号:T L 3 4 9;T L 7 3 1文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 4.0 1 0 4 0 4A n a l y s i s M e t h o d o f C r i t i c a l i t y S a f e t y o f E n t i r e E q u i p m e n t R o o m U s i n g S i m p l i f i e d P i p e B u n d l e M o d
3、e lCHE N T i a n Z HANG Y i c h e n g HU X i a o l i F E I J u n t i a n S HAO Z e n g Y I X u a n YANG H a i f e n g收稿日期:2 0 2 3 0 6 0 1;修回日期:2 0 2 4 0 1 1 6基金项目:国防科工局乏燃料后处理科研专项基金资助项目(KY 2 0 0 0 8)作者简介:陈添(1 9 9 2-),男,江苏连云港人,工程师,硕士,主要从事反应堆物理研究。E-m a i l:c h e n t i a n 3 2 11 2 6.c o m C h i n a N u
4、 c l e a r P o w e r E n g i n e e r i n g C o L t d B e i j i n g 1 0 0 8 4 0 C h i n a A b s t r a c t T o i n c l u s i v e l y c o n s i d e r t h e i m p a c t o f p i p e s t r a n s p o r t i n g o n c r i t i c a l i t y s a f e t y t h e c r i t i c a l i t y s a f e t y a n a l y s i s m e
5、 t h o d o f t h e e n t i r e e q u i p m e n t r o o m u s i n g s i m p l i f i e d p i p e b u n d l e m o d e l i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r T h i s m e t h o d s i m p l i f i e s t h e p i p e s t h a t t r a n s p o r t d i f f e r e n t s o l u t i o n i n t o a h y p o t h e t
6、 i c a l p i p e b u n d l e m o d e l a d j a c e n t t o t h e e q u i p m e n t w i t h t h e l a r g e s t r e a c t i v i t y B a s e d o n s i m p l i f i e d p i p e b u n d l e m o d e l a n d t h e e a r t h q u a k e c o n d i t i o n d i s p l a c e m e n t d a t a t h e c r i t i c a l i
7、 t y s a f e t y a n a l y s i s o f t h e e n t i r e e q u i p m e n t r o o m i s c o n d u c t e d T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t c r i t i c a l i t y s a f e t y a n a l y s i s m e t h o d o f t h e e n t i r e e q u i p m e n t r o o m u s i n g s i m p l i f i e d
8、 p i p e b u n d l e m o d e l i s m o r e c o n s e r v a t i v e t h a n t h a t u s i n g a c t u a l p i p e l i n e l a y o u t m o d e l W i t h a s i m p l e a n a l y s i s p r o c e s s t h i s m e t h o d i s a r e a s o n a b l e c o n s e r v a t i v e p i p e-c o n s i d e r e d c r i t
9、 i c a l i t y s a f e t y a n a l y s i s m e t h o d o f t h e e n t i r e e q u i p m e n t r o o m K e y w o r d s s i m p l i f i e d p i p e b u n d l e c r i t i c a l i t y s a f e t y a n a l y s i s e q u i p m e n t r o o m p i p e s 在处理溶液类易裂变材料的设备室中,除了与临界安全相关的主要设备外,还存在着大量传输、转运易裂变材料铀、钚料液的
10、管道,设备室整体临界安全分 析必须考虑 管道 的 影 响。国 内 已1-404010第1 5卷 第1期2 0 2 4年2月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 5,N o.1F e b.2 0 2 4有对管道本 身临界安全 分析评价 的 相 关 标 准1和分析研究23,但是还未 有考虑管 道的设 备 室整体临界安 全分析方法 的相关 研 究。设 备 室 中的管道布置复杂、数量众多、粗细不一,转运的料液种类繁多,有的管道只在部分时间传输料液。在进行设备室整体临界安全分析时,常用精细化建模的方法进行计算,根据每根管道的起始位
11、置、直径、壁厚、长度、管壁材料及 料液成分等参数进行精细化逐一建模,并使用3维蒙特卡罗程序计算。精 细化建模计 算的优 点 是 考 虑 了 管道的实际 布 置,缺 点 是 建 模 工 作 十 分 烦 琐。此外,使用蒙特卡罗程序临界计算时,源中子的抽样需要合理地 分布到含 易裂变材料 的每个管 道或设备,无 法 保 证 所 有 的 区 域 或 管 道 都 被 抽 样到。对于松散耦合系统,蒙特卡罗抽样过程容易收敛到局部,抽样的随机 性无法保 证4,还 需 要消耗大量的 计算时 间5。精 细 化 分 析 的 结 果 不具有包络性,当管道布置设计或现场实际施工布置出现变更时,需要在庞大的计算模型中准确
12、定位变更之处并更新,这是一个几乎不可实现的任务。另一种常 用的方法是 将含易 裂 变 材 料 的 料液简单聚拢为简单几何体形状,例如溶液墙。这种保守方法的优点是建模简便,缺点是这种过度保守的方法在管道料液总量较大时,计算结果很难满足临界安全的要求。因此,在进行设备室整体临界安全分析中,考虑管道对临界安全的影响是需要解决的难点问题。为此,本文提出了一种适度保守并且 建模较为 简便的考虑 管道布置 的简化管束设备室整体临界安全分析方法。1简化管束设备室整体临界安全分析流程简化管束设备室整体临界安全分析方法,需集中布置设备室内盛装易裂变材料的管道,并紧邻反应性最大的设备进行临界安全分析。设备室整体临
13、界安全分析,除了考虑主要的工艺设备外,还需要考虑大量管道本身的临界安全以及管道与设备之间的相互作用。在处理溶液类易裂变材料的设备室中,管道的布置相对分散,但管道间要求有最小布置间距。与实际分散的管道相比,集中布置的管道使中子相互作用显著增强;同时,集中布置的管束紧邻反应性最大的设备,使管道和设备间的中子相互作用也显著增强,这二者让临界安全分析具有保守性。因为管道壁厚和管径的数量关系,所以需保守考虑管壁的腐蚀量。设备室中很多低浓度的料液或酸溶液、水溶液通过管道,这些管道主要起屏蔽作用,对设备室整体反应性的影响是负效果。基于上述的一些分析原则,简化管束设备室整体临界安全分析方法的流程主要分为管道筛
14、选处理、建立简化管束模型和基于简化管束模型的设备室整体临界安全分析3部分。本文采用3维蒙特卡罗中子输运计算程序MONK-1 0 A进行临界安全计算分析。1.1管道筛选处理首先根据管道参数对管道进行筛选处理,管道参数包括起始点、长度、半径、介质及旋转角度等。梳理设备室内管道介质的种类(水、酸、有机相及易裂变料液等),将料液为气体或不含易裂变材料溶液的管道筛除。经分析,纯水管道对设备室整体临界分析中所起的屏蔽作用大于慢化反射作用,会降低整体设备室反应性,因此设备室整体临界分析中可以保守地不考虑纯水等不含有易裂变材料管道。管道内铀浓度和或钚浓度小于0.1 gL-1的料液,反应性很小,对设备室整体的反
15、应性贡献与纯水基本相同,可以不考虑这些料液传输的管道。对有可能传输多种介质的管道,选取其中最大反应性的料液状态。仅部分时段传输料液的管道,也按照同时充满进行考虑,并且选取其中最大反应性的料液状态。在有效管道中,有一些直径较大、长度较小的管道接口和小设备,将这些管道接口、小设备单独进行建模,可以不用作为简化管束的最大直径。按照上述条件筛选后的有效管道,包含了反应性较大的铀钚浓度料液的管道,统计得到这些管道料液总体积。在计算体积时,使用有效管道的外径计算每个管道的料液体积,全面保守地考虑管壁被腐蚀的情况。有效管道内料液总体积、最粗管道的直径及其对应的最小布置间距等数据都被用于简化管束的建模。1.2
16、简化管束模型简化管束模型,即将设备室内的所有内部存有料液的有效管道集中布置成为一个假想的管束模型。简化管束管径取有效管道中最大管径,管道的间距为有效管道中最大管径管道的最小布置间距,管道料液中铀和钚的浓度取有效管道料液中反应性最大的铀和钚的浓度组合。简化管束模型中所有管道的长度均相同,管道壁厚需考虑一定的腐蚀裕量。简化管束模型中所有的管道按照三角形阵列紧密排列,组成轮廓为六边形的管束形状,图1为简化管束模型示意图。2-404010 陈 添 等:简化管束设备室整体临界安全分析方法研究第1期图1简化管束模型示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f
17、 s i m p l i f i e d p i p e b u n d l e m o d e l为了得到反应性最大的简化管束模型,保持管束模型的料液总体积,即有效管道料液总体积不变,逐步增大六边形管束的圈数,相应地逐步减小管束的长度,通过搜索计算最终得到反应性最大的六边形简化管束模型。对某个料液总体积下的简化管束进行了不同管径下的全面搜索计算,简化管束不同管径下最大反应性尺寸搜索结果如图2所示。其中,l1为管束的长度,l2为六边形管束的对边距。由图2可见,l1/l2在1附近时简化管束的有效增殖因子ke f f最大,另外简化管束的ke f f随着管径的增大而增大,因此选取有效管道中的最大管径
18、进行简化管束的建模是保守的。图2简化管束不同管径下最大反应性尺寸搜索结果F i g.2 M a x i m u m r e a c t i v i t y o f s i m p l i f i e d p i p e b u n d l e m o d e l w i t h d i f f e r e n t d i a m e t e r s o f p i p e s 按照上述流程建立简化管束模型,并假设设备室所有有效管道内的料液聚在一起,按照有效管道的最高料液浓度、最大管径、最小间距来建模,并且考虑了最大反应性的简化管束尺寸,因此简化管束模型是较为保守的,包络设备室中管道之间的相互作
19、用。在设备室整体临界安全分析中,将得到的最大反应性尺寸的简化管束放入设备室中,进行设备室整体临界安全分析。1.3设备室整体临界安全分析以相互作用最大的方式,将搜索计算得到的具有最大反应性的简化管束模型紧贴布置在设备室内反应性最大的设备旁。图3为简化管束设备室整体临界计算模型横截面图。计算设备室内各设备单体的ke f f,选择ke f f最大的设备,将简化管束模型紧邻放置于该设备附近。若该设备附近还存在其他ke f f较大的设备,考虑简化管束模型同时紧邻或朝向其他ke f f较大的设备放置模型;若该设备附近没有其他ke f f较大的设备,考虑墙体反射作用的影响,简化管束模型同时紧邻或朝向混凝土墙
20、体放置模型。若设备室内存在多个ke f f较大值设备,以简化管束模型紧 邻 不 同ke f f较 大 设 备 的 情 况 为 参 考 来 放 置模型。图3简化管束设备室整体临界计算模型横截面图F i g.3 C r o s s-s e c t i o n d i a g r a m o f c a l c u l a t i o n m o d e l o f e q u i p m e n t r o o m w i t h s i m p l i f i e d p i p e b u n d l e 简化管束设备室整体临界安全分析方法还可以进行地震工况下的临界安全分析。当采用精细化建模方
21、法时,由于管道布置错综复杂,无法确定每根管道地震位移的方向,难以得到一种保守情形;保守考虑地震工况下有效管道最大变形量对设备室整体临界安全的影响,采用简化管束设备室整体临界安全分析方法。在建模过程中,将管道的位移量应用在简化管束模型中。图4为地震工况下简化管束设备室整体临界计算模型横截面图。除最靠近设备的一层管道外,考虑所有管道同时朝最具反应性的设备发生最大位移,更加靠近该设备,如图4(a)所示。另外,对地震工况下的一个极限情形补充分析:保守考虑管束环绕紧贴反应性最大的设备,由于紧贴设备,简化管束中最内一圈管道产生形变。如图4(b)3-404010第1 5卷现 代 应 用 物 理所示。分析中,
22、保持总料液体积不变,对简化管束的高径比进行进一步反应性搜索,包括管道在地震工况下的可能变形后与设备相互作用的变化情况。(a)P i p e b u n d l e d e f o r m a t i o n(b)P i p e b u n d l e s u r r o u n d i n g e q u i p m e n t图4地震工况下简化管束设备室整体临界计算模型横截面图F i g.4 C r o s s-s e c t i o n d i a g r a m o f c a l c u l a t i o n m o d e l o f e q u i p m e n t r o o
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