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偏离泡核沸腾(DNB)和最小偏离泡核沸腾比(MDNBR)

偏离泡核沸腾的概念是两相流里面非常重要的一个基本概念。其含义是沸腾处在产生气泡速率大于气泡向主流扩散速率的情况下,气泡在沸腾表面逐渐积累直至传热表面被气膜所覆盖,偏离了泡核沸腾传热区,进入了膜态沸腾区,这一现象称为偏离泡核沸腾。

由于发生偏离泡核沸腾后,传热面的换热系数一般都会急剧下降,引起传热表面处的温度急剧上升,在轻水核反应堆堆芯内的情形下,由于包壳比较薄,热容量小,温度上升速度更剧烈,引起燃料棒包壳烧毁。因此偏离泡核沸腾比通常也就被称为烧毁比。需要补充一点的是,如果加热表面材料的热容量较大,短时期内发生偏离泡核沸腾也不一定意味着必定会发生材料的烧毁,因为热容量较大的情形下,温度上升的速率相对会小一些。

中核集团前科技委常委张禄庆在2009年发表的《是谁还在糊弄中国核电决策层?》(大家可以很容易从网上搜到这篇文章)一文中,有这样的叙述:“换种说法,烧毁比(临界热通量与最大热通量之比)为1.1。大学本科生都学过,反应堆热工设计计算规定最小烧毁比不得低于1.3。这里裕度到底够不够,该位核安全专家对此未作评价。这位核安全专家当然对张禄庆说的话嗤之以鼻,为什么呢?大家看看上面这段话有什么问题没有?


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“大学本科生都学过”并没有错,这确实是核能相关专业大学本科高年级专业课程的必修内容之一。张禄庆之意似乎是嘲弄该核安全专家连大学本科生该学过的知识都不懂,还自称专家。可是,用这样的方法去嘲弄别人的时候,最好自己的专业知识功底要扎实一些,否则可能就会像张禄庆这样因此丢大学母校的脸了

那么这里的问题到底是什么呢?需要指出的是,最小烧毁比不得低于1.3乃是采用W-3公式计算临界热通量(又称临界热流密度)之前提下,考虑W-3公式(W表示西屋公司)的不确定性而采用的限值。根据美国西屋公司的公开报告(也可见于早期的压水堆核电厂最终安全分析报告),用来拟合W-3公式的临界热通量实验数据与拟合后的经验公式之间的不确定度为95%的点落在正负23%的误差范围内,因此最小烧毁比在II类工况(核电厂事故分析中对事故工况的一种分类)下就不得低于1/(1-0.23)=1.3。法规规定的是在II类工况最小DNBR的值不得低于95%置信度下95%的概率不烧毁之限值。

因此应用不同的方法计算临界热通量采用的限值是不同的。其中第一个95%置信度要求,一般来说要求实验数据点的数量和质量必须达到数据统计的要求,第二个95%概率是指95%的数据点落在某误差范围内(例如对W-3公式是正负23%)。因此若有另一个预测临界热流密度的方法,如果可以获得更好的实验数据,则该限值也可以相应地变化。现代已经发展出了一些比W-3公式更好更先进的方法,例如查表法。

其次,还有一层含义也需要梳理清楚的是,W-3公式的限值1.3中的大于1的部分(也就是0.3)本身也不是所谓的安全“裕度”,在用W-3公式计算临界热通量的情况下,1.3是安全限值,没有裕度。若某一个设计方案采用W-3公式得到所有II类工况的最小烧毁比是1.4,则1.4-1.3=0.1的部分,可以被视为安全裕量,而不是1.4-1.0=0.4的部分。

因此张禄庆在评价“AP1000采用的压力容器内滞留(IVR)技术”时用IVR的烧毁比1.1和W-3公式的限值1.3去比较是严重错误的。1.3这个限值只适用于堆芯内,而且只适用于采用W-3公式计算临界热通量的情形。而IVR的临界热通量发生在低压下的压力容器外表面(不是堆芯内燃料元件的外表面),因此肯定是不能用W-3公式计算的,用1.1和1.3去比较来说明安全裕度够不够是极其错误的。


(来源:核能科普ABC;作者:俞冀阳)