赵爱虎++赵泽昊
摘 要：为49-2游泳池式反应堆研制了毕托管堆芯流量监测装置。利用该装置在49-2反应堆上开展了堆芯流量测量及监督实验，得到了堆芯流量分配数据及堆芯总流量，为49-2反应堆热工安全分析提供了基础数据，提供了在线监督堆芯流量变化的可靠手段。
关键词：49-2游泳池式反应堆 流量测量 实验
中图分类号：TL364.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（b）-0102-04
49-2反应堆是游泳池式轻水反应堆，该堆是我国自行设计、建造、安装、调试和运行的第一座反应堆，建成至今已运行40多年[1]。
反应堆最基本的要求是安全。反应堆安全靠反应堆的物理、热工、结构、材料、控制、化工等多方面的良好设计来共同保证。热工设计应保证反应堆在正常运行工况下具有足够的载热能力，保证堆芯不发生局部沸腾；同时在事故工况下要避免燃料元件因过热而破损，确保反应堆安全运行[2]。
49-2反应堆自运行以来，根据运行任务的需要，堆芯布置发生过一些变化，这将导致堆运行热工参数的变化与设计值产生一定偏差，如堆芯流量、燃料组件流量分配等。为了保证堆的安全运行，有必要在反应堆现在运行条件下，重新确定重要的热工参量。
本文研究的主要目的是：为49-2反应堆安全运行提供可靠的堆芯流量监测装置。开堆前，通过该装置可以测量堆芯不同燃料组件栅格内的冷却水流量，确定堆芯所有燃料组件栅格内的冷却水流量占一回路冷却剂总流量的比例，为燃料组件的热工安全分析提供实验数据；在堆运行过程中，通过该装置可以监测堆芯流量变化。
1 堆芯流量监测系统的建立
1.1 监测原理及装置介绍
综合考虑反应堆堆芯结构和燃料组件结构特点等多方面因素，采用安装在一盒模拟燃料组件内的一付毕托管流量计监测堆芯流量。
毕托管又称动压测定管。它的测量原理是利用测量流体的全压和静压之差—动压来测量流速，再按流速算出流量。若要用毕托管测量流体平均流速，需在同一流通截面布置多个测点。这受到燃料组件具体结构的限制，多个测点的布置会影响流道的水力特性，同时也会给毕托管引压管从堆芯的引出造成一定困难。
众所周知，在稳定流动工况下，燃料组件稳定段流通截面某点流速与截面平均流速成确定比例关系，进而与组件内冷却剂流量存在特定关系。另外，该点流体流动产生的动压，这说明该點动压与流过组件的冷却剂流量 存在特定关系。
假定，，则：
由此，得到燃料组件内冷却剂流量与动压之间的关系式：
（1）
令，则（1）式可简化为：
（2）
因此，可以通过测量组件通道内某点动压P动和流体密度ρ计算得到流经燃料组件的冷却剂流量W。公式中（2）中的C值可以通过堆外标定实验得到。
基于以上理论分析，笔者决定通过安装在组件内的一付毕托管测量流量，并通过堆外标定实验确定出C值，给出关系式（2）的完整形式。堆上开展堆芯燃料组件流量分配实验及堆芯流量监测时，利用该关系计算出流过燃料组件的流量。
流量监测装置主要由五部分组成：毕托管、引压管、差压变送器、二次显示仪表及注水器。
毕托管是本装置的核心部件，它用来测量燃料组件内某一固定位置流体的全压和静压。
毕托管安装在模拟组件的一根燃料元件上，安装毕托管的燃料元件由不锈钢加工制作，包括三部分：上端头、直管段及下端头。毕托管静压管和全压管安装在直管段上，通过上封头中间孔道引出。毕托管静压管和全压管采用的mm细管。图1所示为安装毕托管燃料元件图，图2是安装毕托的模拟燃料组件外形照片。
引压管作用是将毕托管的静压与全压引入至差压变送器，经差压变送器将毕托管测得的动压头转换成电信号，其读数直接显示在二次仪表上。静压和全压引压管从安装在模拟燃料组件某根燃料元件上的毕托管引出，实验过程中，毕托管随模拟组件一起移动至不同燃料组件栅格，完成堆芯燃料组件栅格内冷却水流量测量。
1.2 监测装置堆外标定实验
为了确定公式（2）中的系数C，在专门搭建的实验装置（图3）上进行监测装置标定实验。试验装置包括实验回路和试验段两部分。实验回路用于模拟49-2堆芯并提供满足标定实验所需的冷却剂流量和温度试验条件，由堆容器模拟器、辅助稳压器、循环水泵、流量计及阀门管道等附件。
在水流量16～38m3/h和水温25℃～46℃的实验参数范围内，进行了6次重复性实验，得到近百个数据，经分析整理得到了燃料组件的流量与毕托管压差及流体密度之间的经验关系式：。
2 49-2堆芯流量测量实验
2.1 测量方案
反应堆堆芯上方有安全棒导管、自动棒导管、补偿棒导管等，堆芯四周不同位置布置有8根生产孔道，再加上反应堆水池上方有控制棒导管固定支架等，堆芯上方结构非常复杂，给流量监测装置在不同燃料组件盒间的移动造成很大困难，使得全部测量堆芯44盒燃料组件的流量难以实现。
堆实际运行过程中，各元件盒在活性区内的热负荷不一样，为了反应堆运行安全和达到足够高的功率，反应堆设计初期根据热负荷分布情况，配置不同直径的节流圈，调节各部位的一次水流量。节流圈直径分为：φ40、φ45、φ50、φ55、φ63mm共5种规格。因此，根据不同尺寸的节流圈孔板选择有代表性的通道进行测量，根据局部组件测量结果，结合不同节流圈组件阻力特性推算出全堆芯流量及堆芯流量分配。图4是44盒燃料组件节流圈分布情况。
堆芯流量测量方案的确定没有考虑堆芯进出口流动对燃料组件流量的影响，认为流过同一尺寸规格节流圈燃料组件的流量相等。根据这一假设条件，选取了具有代表性的10盒燃料组件栅格作为测量对象，如图4阴影部分所示，这10盒组件栅格分别是：G3、G4、G5、C7、C8、C9、D4、F8、E6和D7。10盒测量组件栅格包括5种节流圈规格各两盒，除节流圈63mm的2盒外其他呈对角对称布置。endprint
2.2 测量结果
每盒组件内流量测量都在两种堆芯流量工况下进行，工况一开启一台一次水泵（甲泵），工况二开启两台一次水泵（甲、丙泵）。
10盒燃料组件流量测量结果见表1。
2.3 测量结果分析及堆芯流量分配
由表1给出的实验数据可以看出，节流圈相同的两盒组件测得的流量偏差较小。除40mm、45mm两种节流圈规格的组件外，其他3种节流圈规格组件内流量偏差均不超过2%。节流圈40mm的G3和C9两盒组件流量偏差为4%，G4和C8（节流圈45mm）流量偏差为6%。
G3、C9和G4、C8这两组组件布置在堆芯边缘位置，受堆芯进出口流动影响较其他组件大，因而流量偏差较其他组件稍大一些。但总的来看，在假定堆芯同种规格节流圈组件流量相等的前提下，根据局部组件实验结果推算出的堆芯总流量与真实流量不会产生太大偏差。
利用测得的实验数据推算其他组件流量及计算全堆芯流量时，每种规格节流圈组件流量均选取两组测量数据中偏小值。5种节流圈规格组件流量取值见表2，堆芯所有燃料组件流量分配数据见图5。
根据全堆芯流量分配数据计算得到通过堆芯所有燃料组件的冷却水流量为793m3/h，占一次水泵总流量的79.3%，堆芯其他流道的流量占一次泵总流量的份额为20.7%。
为了验证测量数据的正确性，将实验测量结果与基于反应堆设计初期得到的燃料组件阻力特性分析计算结果进行了对比。
反应堆设计初期，针对安装不同直径节流圈组件开展过阻力特性实验研究，并得到了每种节流圈组件的阻力特性曲线，表3给出的是当时实验得到的元件盒配置不同孔径节流圈时组件压降与组件中心截面速度关系的实验数据表[3]。
分析计算过程中，堆芯冷却剂总流量取，冷却剂温度设为与实验温度相近的12℃。根据5种尺寸规格节流圈组件阻力特性，按阻力平衡计算公式得到各节流圈规格组件流量值。
堆芯44盒燃料组件流量分配计算方法：
（1）假定一个堆芯总压降，查表3得到5种节流圈规格组件对应该压降的组件中心截面的速度值ν40、ν45、ν50、ν55和ν63。
（2）根据组件中心截面速度值，计算得到5种节流圈规格组件流量W40、W45、W50、W55和W63。
（3）不同节流圈规格组件流量分别乘以堆芯安装同规格节流圈的组件数量，然后求和得到堆芯总流量，。
（4）如果，说明假设压降就是堆芯总压降；如果，重新给定值从第一步开始重复进行计算，直至为止。
的判断标准是。
表4给出了堆芯压降及5种节流圈组件流量计算结果。表5列出了计算结果与实验结果的对比情况。
由表5给出的对比结果可见，每盒组件流量实验测量值和分析计算值的偏差相对较小，均不超过±4%。这说明，堆芯进出口流动对堆芯燃料组件盒内流动影响相对较小。进一步说明本实验确定的堆芯流量测量方案及堆芯总流量计算方法是合理的。
3 堆芯流量监督实验
在以后49-2反应堆运行过程中，要求装置能迅速反应堆芯流量变化且工作性能要稳定。
将流量监测装置安装在B10栅格内，开展了流量监督实验。启动或关闭一次水泵时，观察到测量装置的差压变送器输出电流值随一次水泵流量的变化同步发生变化且反应灵敏，说明流量监测装置安装在B10栅格内能够迅速反映堆芯流量变化。另外，在两种泵运行工况下的测量结果表明，装置在堆芯流量稳定工况下工作性能稳定。单泵运行工况流量测量值为17.22m3/h，双泵运行工况为22.44m3/h。图6给出在两种稳定运行工况下安装在B10栅格内的流量监测装置流量测量结果随时间的变化曲线。
实验结果表明，测量装置工作性能是稳定。因此，在堆运行过程中该流量监测装置安装在B10栅格内能够可靠的监督堆芯流量的变化。
4 结论
（1）根据反应堆堆芯结构及堆内特定运行环境的要求，研制了49-2反應堆堆芯流量监测装置。
（2）在专门搭建的实验回路上完成了49-2堆芯流量监测装置堆外标定实验，在水流量16～38m3/h和水温25～46℃的标定实验参数范围内对流量监测装置进行了系统的标定，并得到了燃料组件流量与毕托管压差及流体密度之间的经验关系式：。
（3）制定了切实可行的堆芯流量测量方案，测得了堆芯10盒有代表性燃料组件栅格的流量，计算得出堆芯总流量及流量分配数据。在堆芯总流量为1000m3/h，水温12℃的条件下，得到流过堆芯燃料组件的流量为793m3/h，占总流量的79.3%。
（4）堆芯流量监测实验表明，安装在B10栅格内的流量监测装置对堆芯流量变化反应灵敏，工作性能稳定、可靠，可在49-2反应堆运行过程中用以监督堆芯流量变化。
参考文献
[1]李洪涛.49-2游泳池反应堆（追溯性）安全分析报告[Z].中国原子能科学研究院内部资料，2005.
[2]于平安.核反应堆热工分析[M].北京：原子能出版社，1986.
[3]陈淑兰.49-2游泳池反应堆堆芯燃料组件阻力特性试验研究[Z].中国原子能科学研究院内部资料，1961.endprint
