[发明专利]N16核素在蒸汽发生器二次侧迁移时间的三维求解模型建立方法

说明书

N16核素在蒸汽发生器二次侧迁移时间的三维求解模型建立方法。适用于核动力系统蒸汽发生器在发生传热管破损工况下，一次侧带有N16核素的冷却剂泄漏并迁移至二次侧核素监测点过程中，放射性核素的迁移时间以及一次侧冷却剂泄漏量的三维计算。数值计算模型建立主要包括：1.蒸汽发生器几何简化及三维几何模型建立；2.蒸汽发生器两侧计算节点划分；3.蒸汽发生器瞬态三维热工水力计算模型建立；4.传热管泄漏位置及泄漏处N16核素浓度确定；5.N16核素迁移时间追踪及N16核素衰变迁移模型开发；6.迭代计算N16核素自泄漏点到核素监测处的迁移时间，并由核素迁移时间及比活度推导获得冷却剂泄漏量并通过破口泄漏量对破裂位置进行预测。

技术领域

本发明涉及到核动力系统蒸汽发生器的传热管破损检测技术领域，具体涉及N16核素在蒸汽发生器二次侧迁移时间的三维求解模型建立方法。

背景技术

蒸汽发生器是核动力系统大型换热设备，其运行条件严苛，厚度为1毫米传热管壁分隔一、二回路，其中一次侧为高温高压具有放射性的冷却剂，二回路为自然循环驱动的两相流动，二回路水质含有较多杂质，易在管束支撑板以及传热管外壁面以及底部管板位置累积较多的腐蚀性污垢杂质。蒸汽发生器传热管在受到一、二次侧压差、温差、流致振动、杂质腐蚀各方面作用下，容易发生传热管破损事件，而为了延长大型换热设备的使用寿命同时保证一回路放射性冷却剂不对蒸汽发生器运行及周围环境产生影响，一般要对核动力系统蒸汽发生器进行破损监测。

N16核素监测设备主要对蒸汽发生器传热管破裂工况下二回路中出现的N16放射性核素(正常情况下仅存在于一次侧)进行实时监测来推算出破口位置及一回路冷却剂的泄漏量。目前已经被成熟应用于核动力系统蒸汽发生器中，但在核动力系统设计初期，有必要通过该方法针对传热管破裂引起的严重事故进行数值模拟，其中N16核素在二回路的迁移时间为获得泄漏量及泄漏位置的最关键参数之一。

目前国内外针对该参数的计算，大多基于一维稳态计算求解，而忽略了二次侧三维流场的复杂性对N16核素迁移路径以及最终迁移时间的影响，计算结果精度较差，且不能考虑三维泄漏位置的差异对迁移时间计算结果的影响。因此对该参数从最基本的泄漏过程出发进行瞬态三维迁移时间的数值求解是十分必要的。本发明的提出将为核动力系统蒸汽发生器的设计、运行以及维护工作提供有用的技术参数。

国内外研究

核动力系统蒸汽发生器中的N16核素监测原理主要是:反应堆正常运行过程中一回路由核裂变产生的快中子与一回路的氧原子发生核反应，产生一种固有活化产物N16核素，正常情况下该产物仅存在于一回路，且半衰期极短。当蒸汽发生器传热管发生破损时，处于一回路的特殊物质N16核素即泄漏至二回路冷却剂中。通过在蒸汽管道处对该核素的放射性(主要对N16核素衰变产生的γ射线)进行监测，同时利用计算获得的N16核素在二回路迁移时间，即可推算得到蒸汽发生器的破损情况，为下一步堵管操作或更换蒸汽发生器操作提供一定的指导意见。

针对N16核素从破口处迁移至探测处的时间计算方法方面，国内外研究者给出了各自的方法。国内外常用的计算模型为代数漂移流模型。近年来我国对N16核素迁移时间方面的计算模型的结果与国际方法已经接近。

李闰生等人将核动力系统蒸汽发生器传热管内N16核素在二次侧的迁移过程分为如下几个阶段：管束区域阶段随着汽液两相流一起向上三维迁移；上升段与一级汽水分离段可以看作是一维向上运动，该阶段内工质为绝热的汽液两相流动；二级汽水分离阶段(干燥器波纹板)可看作随气液两相流动的多组分迁移运动；主蒸汽管道内的一维多组分运动。最终将这四阶段的迁移时间相加可得N16核素在二次侧的迁移总时间。该模型并未考虑二次侧三维流场对其计算结果的复杂影响，整体为一维模型计算结果。