摘 要：在我国目前所广泛采用的现代压水核反应堆中，为了提高冷却剂的换热效率，允许堆内出现欠热沸腾，导致汽泡出现，形成两相流动，为了了解两相流动中汽泡对核反应堆安全的影响，该文主要从堆内的反应性、热工及流动3个方面进行了简要的定性分析，并总结得出空泡的存在同时具有利于安全和威胁安全的两面性，适当的控制含汽率可以使利大于弊，利于提高反应堆的可控性、经济性及换热特性。

　　关键词：空泡 核安全 两相流动 核反应堆

　　中图分类号：TL334 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（a）-0063-02

　　在反应堆内，水被加热产生沸腾，形成两相流动，因此，反应堆内的工质不是简单的单相水，而是含有不同程度的汽泡的混合物，由于汽泡的存在，会使工质的一些性质发生变化，使其与单相水有明显的不同，在核反应堆中，空泡会对反应堆的稳定性、堆内流动和传热特性以及运行的安全性产生很大的影响，因此对空泡的研究非常重要。

　　为确保反应堆的安全，反应堆所有的安全措施，应在所有情况下，包括正常运行和反应堆停闭状态，故障工况以及事故状态，均可完成特定的安全功能，能有效控制反应性，确保堆芯冷却，包容放射性产物。由于热工水力与反应堆物理是相互影响的，如反应堆瞬态过程中核燃料温度、冷却剂通道内的流体温度、密度、空泡等变化都会引起核功率的变化，进而影响整个系统的热工参数，因此，分析空泡对反应堆安全的影响，虽然需从3个方面考虑，但其实是相互联系的。

　　1 空泡对反应性的影响

　　核反应堆在运行时，它的一些物理参数及反应性都在不断地发生变化，反应堆的反应性相对于某一个参数的变化率称为该参数的反应性系数，如反应性相对于温度的变化率称为反应性温度系数，其中空泡效应是液体作为冷却剂的反应堆中，由于冷却剂沸腾产生汽泡，引起反应性变化的现象，在冷却剂中所包含的蒸汽泡的体积百分数称为空泡份额，空泡系数是指在反应堆中，冷却剂的空泡份额变化1%所引起的反应性变化[1]。

　　当出现空泡或空泡份额较大时，有如下3种效应：（1）冷却剂的有害中子吸收减少，这是正效应；（2）中子泄漏增加，这是负效应；（3）慢化能力变小，能谱变硬，这可以是正效应也可以是负效应，与反应堆的类型和核特性有关。总的净效应是上述各因素的叠加，显然各个效应及相应的净效应与空泡的出现位置有关。一般来说，当出现空泡或空泡份额增大时，对轻水堆来说是负效应，而对大型快中子堆，可能出现正效应，特别是当空泡出现在芯部中心区域时。

　　因为蒸汽的密度比水小得多，所以空泡的存在将导致反应性下降。这对于允许冷却剂沸腾的沸水堆和可能发生水沸腾的某些事故瞬态有较大影响，因此，空泡效应在沸水堆中最为明显。

　　2 空泡对热工的影响

　　反应堆热工设计的主要任务是保证反应堆堆芯在各种运行工况下都能得到足够的冷却[2]，以保证反应堆的安全，但除了安全性的要求外，核电站经济性也是一个非常重要的指标，经济性的指标要通过反应堆各方面的设计共同完成，其中反应堆热工设计起到一个很重要的作用，如果反应堆热工水力设计的各参数选择合理，则会使反应堆的经济性得到提高。

　　由于流体产生欠热沸腾时的传热系数比单相对流传热系数有大幅度提高，在压水反应堆中，为了提高堆芯出口温度和传热效率，一般情况下都允许冷却剂在堆芯较热通道内产生欠热沸腾。欠热沸腾产生的汽泡使堆芯慢化剂的慢化能力下降，使反应堆冷却剂系统的自然循环能力提高，对反应堆的运行产生重要影响。

　　在沸腾换热过程中，伴随有汽泡的生成、脱离加热壁面等现象，这对沸腾换热都有较大的影响，当沸腾传热由泡核沸腾转化为膜态沸腾时，加热表面上的汽泡很多，以致很多汽泡连成一片，覆盖了部分加热面，由于汽泡的传热系数低，加热面的系数会很快升高，而使加热面烧毁，若不能及时冷却，易发生堆芯融化事故，对反应堆的安全有很大的威胁，所以在运行时，应严格控制冷却剂的温度及表面热流密度，使其不能达到沸腾临界点，并应控制截面含汽率，使其在对流换热系数增大的同时，不影响加热面的传热效果。

　　3 空泡对流动的影响

　　在反应堆内，水被加热产生沸腾，形成两相流动，这一过程中的许多两相流动特征，如流动不稳定性、空泡的分布特性、阻力特性等，对水冷反应堆的工作过程都有重要影响，其汽体和液体都是流体，当它们单独流动时，其流动规律基本相同，但是，它们共同流动时，与单独流动有许多不同之处。

　　可根据含汽率的不同，将两相流分为多种流型，各种流型的流动特性均有一定得差别，汽泡与液体之间的脉动、扩散以及传热传质都因流型不同而有一定的区别。汽泡在液相中的扩散及传热传质都是使两相流不稳定的主要因素，而对于流动的不稳定性，主要受扩散及传质的影响，使其液相的湍流与单相水时的湍流不同。

　　经过去的实验表明，当Re≤5 500时，汽泡增强液体湍流脉动，且后者随含汽率的增大而增大，而当Re≥8 500时，则汽泡削弱液体湍流脉动，且后者随含汽率的增大而下降[3]，换句话说，低含汽率时汽泡增强液体湍流，高含汽率时汽泡削弱液体湍流。在相同含汽率下，Re数较大时汽泡削弱液体湍流，Re数较小时汽泡增强液体湍流，Re数较小时含汽率增大提高液体湍流度；Re数较大时含汽率对液体湍流度影响不大。显然，不同含汽率情况下两相湍流间的关系不同。

　　空泡的产生和溃灭会导致极高的压力变化以及高温、噪音、发光、放电和化学反应，这会造成噪音、侵蚀等极大的危害，并且湍流的产生，会产生震动，对管路的安全性及可靠性有很大的干扰，还会减少装置寿命，降低经济性，因此控制含汽率对控制流体的流动有一定的作用。同时，由于汽泡在液相中存在扩散作用，所以，当水中产生大量汽泡时，汽泡会溢出，使压力容器内压力升高，威胁压力容器及承压边界的完整性，因此，含汽率一定不可以超过限制。

　　但由于汽泡的产生，使得冷却剂的密度下降，若冷管段为单相水，经加热后，达到欠热沸腾，使得冷却剂密度变化明显，利于形成自然循环，减少人为控制，形成非能动系统，对反应堆的控制及安全有很大的优势。

　　4 结语

　　空泡的存在同时具有利于安全和威胁安全的两面性，但适当地控制含汽率，可以使利大于弊，充分利用其对自然循环及对流换热系数的优势，大大提高了经济性，对于核电站来说，是非常必要的，同时，由于空泡效应一般可以实现负的反应性系数，对于堆芯反应性的控制，也是十分有利的，因此，目前的反应堆都允许欠热沸腾的存在，即允许反应堆的冷却剂中含有一定的空泡。

　　参考文献

　　[1] 唐璇。快谱超临界水冷反应堆反应性控制初步研究[D].南华大学，2015.

　　[2] 马腾跃。ADS堆芯热工水利计算方法研究[D].中国科学技术大学，2014.

　　[3] 吴巍。管内汽液两相流动模型分析[D].重庆大学，2014.