淺談核電領(lǐng)域中的熱工水力分析程序

淺談核電領(lǐng)域中的熱工水力分析程序

摘要核電領(lǐng)域中的熱工水力分析程序?qū)τ诹私夂穗姀S設(shè)計(jì)參數(shù)具有重要意義，并且隨著核電技術(shù)的發(fā)展，熱工水力分析程序在核電廠運(yùn)行系統(tǒng)中所占據(jù)的地位也越來越重要。本文通過對核電領(lǐng)域中的熱工水力分析程序進(jìn)行探究，比較了幾種較為典型的熱工水力分析程序的功能及其應(yīng)用范圍。經(jīng)過對比研究，本文指出了熱工水力分析程序保守估算方法與最佳估算方法的特點(diǎn)，以及二者之間存在的差異，闡述了熱工水力分析程序與堆芯物理計(jì)算程序及流體力學(xué)程序耦合的應(yīng)用及意義，旨在對我國熱工水力分析程序的現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞熱工水力核電分析程序

前言：核電領(lǐng)域當(dāng)中，熱工水力分析程序主要是以反應(yīng)堆的流體為研究對象，對反應(yīng)堆熱工水力的流動、傳熱等特性進(jìn)行分析。熱工水力分析可以確定核電廠設(shè)計(jì)參數(shù)，并且對當(dāng)下核電廠運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，從而研究各種事故的物理現(xiàn)象，作出相應(yīng)的預(yù)防措施。熱工水力分析程序是核電廠進(jìn)行安全分析的重要工具，也是進(jìn)行反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的重要參照工具，其在核電廠計(jì)算程序占據(jù)重要比重。核電廠當(dāng)中，反應(yīng)堆的熱工水力分析程序可以計(jì)算反應(yīng)堆冷卻劑喪失事故、核電廠斷電事故、蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂等多種工況，熱工水力分析程序的計(jì)算結(jié)果對于核電廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行以及安全生產(chǎn)等方面具有重要意義。因此，核電領(lǐng)域中的熱工水力分析程序，必須得到足夠的重視，這對于我國核電領(lǐng)域的發(fā)展來說，意義重大。

一、熱工水力分析程序在核電領(lǐng)域的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)程序是核電站設(shè)計(jì)以及審評的重要手段，其在核設(shè)計(jì)、核輻射分析、熱工水力分析方面具有廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算機(jī)程序經(jīng)過近五十多年的發(fā)展，截止2014年，用于核電站的計(jì)算程序?qū)⒔?800個。反應(yīng)堆熱工水力分析程序是熱工水力分析程序在核電領(lǐng)域應(yīng)用的一個典型代表，它是獲取核電廠設(shè)計(jì)參數(shù)的重要依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱工水力分析程序也在不斷地完善和發(fā)展，就目前發(fā)展形勢來看，熱工水力分析程序?qū)⒛軌蚰M更加復(fù)雜的工況，并且其模擬精度也隨之不斷提升。眼下，熱工水力分析程序在核電領(lǐng)域應(yīng)用較多的程序主要有RELAP程序、ATHLET程序、CATHARE程序、TRACE程序這四種，可以說這四種應(yīng)用較多的程序在核電領(lǐng)域發(fā)展當(dāng)中，發(fā)揮著重要的作用。

（一）RELAP程序

ELAP是英文ReactorExcursionandLeakAnalysisProgram的縮寫，其中文意思是輕水堆瞬態(tài)分析程序，該程序是由美國愛達(dá)荷國家工程實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研制的。RELAP程序的主要作用是能夠模擬壓水堆系統(tǒng)的各種瞬態(tài)過程，還包括核電廠的斷電事故、失水事故、失流事故等水事故，幾乎包括了核電廠所有關(guān)于熱工水力的瞬態(tài)。RELAP的開發(fā)原理是基于一維瞬態(tài)、雙流體、六方程水力學(xué)以及一維熱傳導(dǎo)及點(diǎn)堆力學(xué)模型開發(fā)的程序，RELAP程序的部件模型由水泵、導(dǎo)管、閥門、噴射泵、透平、分離器、控制系統(tǒng)部件、再淹沒傳熱、氣隙導(dǎo)熱、非凝氣體等構(gòu)成。RELAP程序?qū)τ跓峁にΨ治龀绦虻陌l(fā)展具有重要意義，隨著RELAP程序的應(yīng)用以及發(fā)展，在1980年之后，RELAP/MOD3版本已經(jīng)發(fā)展成為世界上應(yīng)用最為廣泛的熱工水力系統(tǒng)程序之一，對于核電領(lǐng)域的發(fā)展，具有重要的推動和促進(jìn)作用。

（二）ATHLET程序

AnalysisofThermal-HydraulicsofLeaksandTransients程序，也就是ATHLET程序是德國核安全技術(shù)咨詢和安全分析中心開發(fā)的系統(tǒng)分析程序。ATHLET程序的主要作用是對反應(yīng)堆各種瞬態(tài)進(jìn)行模擬，該程序的設(shè)計(jì)主要采取了高度模塊化的設(shè)計(jì)原理，其構(gòu)成由多個模塊及子模塊構(gòu)成，具體包括熱傳遞模塊、熱工流體力學(xué)模塊、中子動力學(xué)模塊和通用控制模塊等。ATHLET程序是熱工水力分析程序的一個重要程序，它的應(yīng)用在于模擬各種瞬態(tài)，對于核電廠的運(yùn)行具有重要意義。

（三）CATHARE程序

CATHARE是英文CodeforAnalysisofThermal-HydraulicsduringanAccidentofReactorandSafetyEvaluation的縮寫，該程序是由法國原子能委員會聯(lián)合AREVA公司、EDF公司以及法國核安全防護(hù)研究所共同開發(fā)的大型反應(yīng)堆熱工水力分析程序。CATHARE程序的主要作用是對壓水堆的多種假想事故和其他瞬態(tài)進(jìn)行分析，針對冷卻劑喪失事故、主蒸汽管道破裂事故、斷電事故、給水喪失事故進(jìn)行模擬。除此之外，CATHARE程序還能夠進(jìn)行定量計(jì)算，并且進(jìn)行事故管理研究以及為模擬仿真機(jī)提供實(shí)時(shí)的分析計(jì)算。CATHARE程序是采用模塊化的構(gòu)架模式，運(yùn)用多個模塊組合方式來模擬反應(yīng)堆、分離效應(yīng)和整體效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。

（四）TRACE程序

TRACE程序是在TRAC/RELAP基礎(chǔ)上由美國洛斯阿拉莫實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院和普渡大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的熱工水力分析程序。TRACE程序整合了RELAP、TRAC-P、TRAC-B和RAMONA程序，是以TRAC-P為基礎(chǔ)的升級程序。TRACE程序的最大作用是建立壓水堆和沸水堆的一維和三維模型，并且對各種事故和系統(tǒng)瞬態(tài)下的熱工水力現(xiàn)象進(jìn)行分析。

二、保守估算方法與最佳估算方法

（一）保守估算方法

核電的發(fā)展要以安全為首要關(guān)注點(diǎn)，為了確保核電發(fā)展的安全，核電廠從設(shè)計(jì)之初就針對安全問題進(jìn)行了十分全面的設(shè)計(jì)，其對核電廠的設(shè)計(jì)、建造、驗(yàn)收都采用了嚴(yán)格的管理和保守的分析。保守估算方法主要是指計(jì)算過程中，在允許范圍內(nèi)采用保守?cái)?shù)據(jù)或者界限數(shù)據(jù)。

（二）最佳估算方法

最佳估算方法采用的數(shù)據(jù)則是最為接近準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)，其涉及的估算模型、構(gòu)架關(guān)系以及邊界及初始條件都采用最佳化的原則進(jìn)行計(jì)算。最佳估算方法最大的好處就是能夠提供與當(dāng)前現(xiàn)有數(shù)據(jù)有關(guān)的內(nèi)容，并且為估算提供與有關(guān)現(xiàn)象一致的物理過程的現(xiàn)實(shí)評估模型，更接近于真實(shí)的物理現(xiàn)象。

保守估算方法和最佳估算方法是熱工水力分析系統(tǒng)常用的算法，保守估算方法更具安全性，而最佳估算方法則更具經(jīng)濟(jì)性。最佳估算方法雖然也能夠確保安全性，但其計(jì)算結(jié)果必須進(jìn)行不確定性分析。而完成不確定性分析需要大量研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，需要投入大量經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，而且，最佳估算結(jié)果最接近于真實(shí)情況，但難免出現(xiàn)誤差。所以，關(guān)于最佳估算方法的計(jì)算，主要針對于RELAP、ATHLET、CATHARE、TRACE程序的計(jì)算當(dāng)中。

三、熱工水利分析程序與其他程序的耦合分析

（一）與堆芯物理計(jì)算程序的耦合

堆芯物理計(jì)算程序主要利用解決節(jié)塊法、節(jié)塊展開法和格林函數(shù)節(jié)塊法進(jìn)行分析計(jì)算。熱工水力分析程序與堆芯物理計(jì)算程序的耦合，是開展事故分析的基礎(chǔ)，同時(shí)對一些反應(yīng)性事故和主蒸汽管道破裂事故進(jìn)行分析時(shí)，需要堆芯物理計(jì)算程序和熱工水力分析程序共同完成。

（二）與計(jì)算流體力學(xué)程序的耦合

熱工水力分析程序與計(jì)算流體力學(xué)程序耦合，可以計(jì)算快速變化的兩相流問題，同時(shí)也能夠?qū)Τ邷胤磻?yīng)堆的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析和計(jì)算。與計(jì)算流體力學(xué)程序耦合，在未來核電領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。

結(jié)束語：隨著近幾年我國核電技術(shù)的發(fā)展，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的熱工水力分析程序越發(fā)受到重視。對此，我國必須采取有效措施，在引進(jìn)、消化、吸收國外成熟軟件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行自主開發(fā)研制，加快我國熱工水力分析程序自主知識產(chǎn)權(quán)，這對于我國核電領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，熱工水力分析程序這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，也是我國縮短與先進(jìn)核電技術(shù)國家之間差距