壓水堆非能動安全殼壓力響應(yīng)敏感性分析

壓水堆非能動安全殼壓力響應(yīng)敏感性分析

大先進壓水壩是中國開發(fā)的第三代非動能壓裂壩，非動能抗高血壓系統(tǒng)（pcs）是其重要的安全系統(tǒng)。PCS用于假想的設(shè)計基準(zhǔn)事故（DBA）后安全殼熱量排出，實現(xiàn)安全殼快速降溫，從而降壓的功能。大型先進壓水堆采用鋼制安全殼結(jié)構(gòu)，安全殼外是由鋼筋混凝土組成的屏蔽廠房。發(fā)生假想DBA后，PCS由安全殼高壓力信號觸發(fā)投入，安全殼外壁面均勻覆蓋水膜。蒸汽在安全殼內(nèi)表面冷凝，熱量以導(dǎo)熱方式傳遞至鋼殼外壁面，最終通過水膜蒸發(fā)過程排出熱量。環(huán)境空氣在密度差的驅(qū)動下進入環(huán)腔下降段，然后折流進入環(huán)腔上升段，最終通過高位排氣孔排出。PCS的本質(zhì)特征在于僅依靠重力和自然循環(huán)的作用，結(jié)合蒸汽在安全殼內(nèi)壁冷凝、鋼殼導(dǎo)熱、安全殼外壁水膜蒸發(fā)等傳熱傳質(zhì)過程，持續(xù)可靠地排出安全殼熱量，維持安全殼完整性，實現(xiàn)安全殼快速降溫、降壓。安全殼壓力響應(yīng)分析是驗證PCS性能的重要工作，目的是論證在最極限的反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)（RCS）和二回路系統(tǒng)大破口工況下，安全殼峰值壓力低于其設(shè)計壓力，確保安全殼完整性。為此，識別并研究PCS排熱過程出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，建立重要現(xiàn)象識別和排序表（PIRT）是最基礎(chǔ)的工作。通過開展敏感性分析，對定量評價PCS排熱現(xiàn)象和支持PIRT分析具有重要的工程意義。為更好地理解在PCS排熱過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象對安全殼壓力響應(yīng)的影響程度，本文應(yīng)用不確定性和敏感性統(tǒng)計分析工具DAKO-TA程序耦合WGOTHIC程序進行大型先進壓水堆安全殼壓力響應(yīng)敏感性分析，采用統(tǒng)計方法定量研究多種現(xiàn)象對安全殼壓力響應(yīng)的影響，為大型先進壓水堆安全殼安全分析和執(zhí)照申請?zhí)峁┘夹g(shù)支持。1項目描述DAKOTA5.3.1程序WGOTHIC4.2b程序2基于lhs方法的敏感性分析本文應(yīng)用DAKOTA程序耦合WGOTHIC程序進行大型先進壓水堆安全殼響應(yīng)敏感性研究，主要流程如圖1所示。應(yīng)用DAKOTA程序?qū)τ绊懓踩珰毫憫?yīng)的多種參數(shù)進行抽樣，得到若干計算工況。DAKOTA程序驅(qū)動WGOTHIC程序分析每一個工況對應(yīng)的安全殼壓力響應(yīng)，并將計算結(jié)果傳遞回DAKOTA程序。然后應(yīng)用DAKOTA程序統(tǒng)計分析抽樣參數(shù)與安全殼壓力的相關(guān)系數(shù)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)絕對值的大小評價抽樣參數(shù)影響壓力響應(yīng)的重要程度，完成安全殼響應(yīng)敏感性研究。DAKOTA程序提供了2種抽樣方法：蒙特卡羅方法和拉丁超立方（LHS）方法。前者根據(jù)用戶定義的概率分布隨機選取，后者采用分段抽樣技術(shù)，在每段隨機抽樣1個參數(shù)。當(dāng)抽樣數(shù)目較少時，LHS方法能確保涵蓋整個不確定性范圍，也更適用于認(rèn)知不確定性的抽樣參數(shù)。本文采用LHS方法。DAKOTA程序的輸出文件包含了抽樣參數(shù)與目標(biāo)值（安全殼壓力）之間的4個相關(guān)系數(shù)簡單原始相關(guān)系數(shù)通常采用Pearson相關(guān)系數(shù)計算公式：其中：Corr(x,y）為相關(guān)系數(shù)；x、y分別為輸入?yún)?shù)值和輸出參數(shù)值；珚x、珔y分別為輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)的均值。偏相關(guān)系數(shù)的計算方法與簡單相關(guān)系數(shù)類似，但是去掉了其他變量的影響，這使得一個輸入變量的敏感性結(jié)果更顯著，且與假設(shè)的分布和影響幅度無關(guān)。Pearson相關(guān)系數(shù)，尤其是偏相關(guān)系數(shù)，適用于衡量一個輸入變量和輸出變量之間的線性相關(guān)性及方向。嚴(yán)格說它要求輸入變量和輸出變量是連續(xù)的，尤其是對正態(tài)分布更有效。DAKOTA程序中計算等級相關(guān)系數(shù)采用Spearman關(guān)系式，其方法與Pearson相關(guān)系數(shù)相同，不同之處在于，其輸入輸出數(shù)據(jù)為等級值。等級按照輸入數(shù)據(jù)的升序排列得到。當(dāng)輸入和輸出變量在數(shù)量級相差很大時，等級相關(guān)系數(shù)比較有用。在輸入變量和輸出變量是非線性但單調(diào)的情況下，等級相關(guān)系數(shù)將改善敏感性的分辨度。Spearman等級相關(guān)系數(shù)，尤其是偏相關(guān)系數(shù)，適用于衡量一個輸入變量和輸出變量之間的單調(diào)相關(guān)性及方向。它對輸入變量和輸出變量無要求（不需正態(tài)分布，但分布不能截斷），且對異常值不敏感。本文選取抽樣參數(shù)與壓力之間的偏原始相關(guān)系數(shù)定量評價各參數(shù)的重要性程度。偏相關(guān)系數(shù)大于0，表示輸入變量與輸出變量為正相關(guān)關(guān)系，反之，表示負(fù)相關(guān)關(guān)系。偏相關(guān)系數(shù)的取值介于-1～1之間，絕對值越接近于1，代表相關(guān)性越顯著。一般認(rèn)為其絕對值大于0.5時目標(biāo)值與抽樣參數(shù)強相關(guān)（高或顯著）；介于0.3～0.5時為中等強度相關(guān)（中）；小于0.3時為弱或不相關(guān)（低）。需要說明的是，采用LHS抽樣方法進行敏感性分析時，當(dāng)抽樣次數(shù)足夠多，進一步增加抽樣次數(shù)對統(tǒng)計結(jié)果的影響不大。分析表明，抽樣200、300和400次的統(tǒng)計結(jié)果已顯示無顯著差異，因此，本文的抽樣次數(shù)采用200次，它具備足夠的代表性。3抽樣參數(shù)選取為進行大型先進壓水堆安全殼壓力響應(yīng)敏感性研究，選取抽樣參數(shù)并確定其范圍和分布是分析的基礎(chǔ)。本文針對大型先進壓水堆安全殼響應(yīng)重要現(xiàn)象識別和排序表，逐一進行現(xiàn)象評價，選取那些可以通過WGOTHIC程序輸入?yún)?shù)來模擬的現(xiàn)象作為抽樣參數(shù)。需要說明的是，若某些現(xiàn)象非常復(fù)雜（如安全殼氣空間流體的三維流動現(xiàn)象），不能通過程序很好地模擬，則對該現(xiàn)象進行保守處理，不進行抽樣。本文共選取24個參數(shù)進行抽樣，這些參數(shù)已基本覆蓋安全殼所有重要現(xiàn)象，具備足夠代表性。抽樣參數(shù)及范圍列于表1。確定抽樣參數(shù)的范圍時，主要考慮下述因素：1）技術(shù)規(guī)格書要求的運行范圍本文的目的是進行安全殼壓力響應(yīng)的敏感性研究，即研究抽樣參數(shù)和安全殼壓力的相關(guān)性，因此，所有抽樣參數(shù)的分布均假定為均勻分布。4安全殼壓力變化規(guī)律基于大型先進壓水堆安全殼安全分析經(jīng)驗，發(fā)生假想的冷段大破口失水事故（LOCA）將導(dǎo)致最為極限的安全殼峰值壓力圖2示出抽樣200次對應(yīng)的安全殼壓力，同時也給出了用于執(zhí)照申請的安全殼壓力。由圖2可看出，200個工況對應(yīng)的安全殼壓力均出現(xiàn)雙峰值，第2個峰值壓力高于第1個峰值，且峰值壓力均小于執(zhí)照申請的安全殼壓力。這說明在執(zhí)照申請中采用的分析模型和分析假設(shè)是非常保守的。圖3給出24個抽樣參數(shù)與安全殼壓力之間的偏相關(guān)系數(shù)隨時間的變化。由圖3a可見：1）質(zhì)能釋放現(xiàn)象通過質(zhì)能釋放乘子來模擬。本文的基準(zhǔn)質(zhì)能釋放采用SATAN程序和保守的計算假設(shè)確定，質(zhì)能釋放乘子的抽樣范圍介于0.95～1.0，在事故進程中，該現(xiàn)象顯著影響安全殼壓力。2）在事故進程中，液滴直徑對壓力的影響可忽略。3）液滴份額是指液相水轉(zhuǎn)變成液滴的數(shù)量，在噴放階段，部分液相水會變成液滴隨蒸汽夾帶進入安全殼空間，該現(xiàn)象顯著影響安全殼壓力；在噴放后階段，液滴已和氣空間達(dá)到熱力平衡狀態(tài)，對壓力的影響可忽略。4）混凝土熱導(dǎo)率、密度、比熱容等物性參數(shù)通過查表獲得，這些參數(shù)的不確定度范圍較窄，其對壓力的影響可忽略。由圖3b可見：1）安全殼內(nèi)初始溫度、初始濕度和初始壓力等參數(shù)顯著影響安全殼壓力；2）安全殼外環(huán)境的溫度、濕度和壓力等參數(shù)對壓力的影響可忽略。由圖3c可見：1）蒸汽在安全殼內(nèi)部熱阱壁面的冷凝現(xiàn)象通過Uchida關(guān)系式乘子來模擬。在事故初期，鋼平臺、模塊墻鋼覆面等金屬熱阱壁面的冷凝現(xiàn)象顯著影響安全殼壓力。隨著金屬熱阱的蓄熱能力逐漸接近飽和，冷凝現(xiàn)象對壓力的影響逐漸變?nèi)?；在長期階段（約5000s后），混凝土熱阱的蓄熱作用開始變得重要，相應(yīng)地混凝土熱阱壁面的冷凝現(xiàn)象對壓力的影響逐漸變得重要。2）隨著PCS的投入，安全殼外壁面均勻覆蓋水膜。冷卻水的覆蓋率直接影響水膜的蒸發(fā)量，該現(xiàn)象顯著影響安全殼壓力；PCS冷卻水投入時間的抽樣范圍介于350～400s，若PCS投入過早，鋼殼外壁面溫度偏低，水膜蒸發(fā)現(xiàn)象較弱，該現(xiàn)象對壓力的影響可忽略；PCS冷卻水溫度和流量對壓力的影響相對較弱。3）屏蔽廠房環(huán)腔內(nèi)的對流現(xiàn)象通過環(huán)腔阻力乘子模擬，在事故的中長期，該現(xiàn)象對壓力的影響較為顯著。由圖3d可見：1）安全殼鋼殼及其涂層的熱導(dǎo)率通過查表獲得，這些參數(shù)的不確定度范圍較窄，其對壓力的影響可忽略。2）安全殼鋼殼的儲熱現(xiàn)象通過鋼殼密度、比熱容等參數(shù)模擬。在事故初期，鋼殼的儲熱現(xiàn)象顯著影響安全殼壓力；隨著鋼殼的蓄熱能力接近飽和，其對壓力的影響逐漸變?nèi)酢?）蒸汽在安全殼內(nèi)壁面的冷凝現(xiàn)象通過冷凝換熱乘子模擬。在事故進程中，該現(xiàn)象顯著影響安全殼壓力。4)PCS投入后，安全殼外壁面覆蓋水膜的蒸發(fā)現(xiàn)象通過蒸發(fā)換熱乘子模擬。該現(xiàn)象顯著影響安全殼壓力。5安全殼壓力響應(yīng)本文應(yīng)用DAKOTA程序耦合WGOTHIC程序進行大型先進壓水堆安全殼響應(yīng)敏感性研究。以假想的冷段大破口失水事故為例，定量評價了各種現(xiàn)象對安全殼壓力響應(yīng)的影響程度。評價認(rèn)為，在整個事故進程中，顯著影響安全殼壓力響應(yīng)的現(xiàn)象包括：質(zhì)能釋放現(xiàn)象；安全殼內(nèi)初始環(huán)境條件（溫度、濕度、壓力）；