圖2

    答案2：如果冷卻劑的密度在熱段保持ρh，在冷段保持ρc，則自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭為：ΔPd=（ρc-ρh）gH，式中g(shù)為重力加速度。

    盡管上述問題2及其答案是建立在‘點(diǎn)源模型’的基礎(chǔ)上，以它來計(jì)算回路系統(tǒng)在自然循環(huán)時(shí)的驅(qū)動壓頭是不夠精確的，但是作為一級近似計(jì)算自然循環(huán)時(shí)的驅(qū)動壓頭或定性分析自然循環(huán)驅(qū)動壓頭與影響其大小，即自然循環(huán)能力強(qiáng)弱諸因素之間關(guān)系是有足夠說服力的。

    問題2及其答案在各核電廠是公認(rèn)正確的，是分析各種自然循環(huán)問題的基礎(chǔ)。

    對照上述兩問題的答案不難看出：

    1）對于立式蒸汽發(fā)生器倒U型傳熱管的上升段和下降段并非回路內(nèi)影響和決定自然循環(huán)驅(qū)動力上升段（熱段）和下降段（冷段），它們只是熱阱的組成部分。冷卻劑沿著傳熱管上升并不斷冷卻，到頂后再沿著下降段向下還在不斷冷卻，其不斷形成的密度差和高度差，對自然循環(huán)驅(qū)動力有點(diǎn)貢獻(xiàn)，但只是整個(gè)自然循環(huán)驅(qū)動力的一部分，而且不是主要的更不是決定性的。對形成自然循環(huán)驅(qū)動壓頭起決定作用的是熱阱與熱源之間的高度差，以及在此高度上的上升段與下降段冷卻劑的密度差。下節(jié)將說明對大亞灣核電廠（M310型）熱源點(diǎn)至熱阱點(diǎn)的高度差為11M，即使不考慮傳熱管的部分，高度差還有6M以上，這才是對自然循環(huán)壓頭起決定作用的。作為實(shí)際的非常有說服力的實(shí)際例證，如果是臥式的蒸汽發(fā)生器，其傳熱管也是U型的，只不過是水平放置的，冷卻劑從進(jìn)口集管經(jīng)傳熱管水平地流向出口集管，只有密度差而沒有高度差。假設(shè)問題1的論點(diǎn)成立，那么采用臥式蒸汽發(fā)生器（傳熱管不存在上升段和下降段）的田灣核電廠是沒有任何自然循環(huán)能力了。而田灣核電廠在設(shè)計(jì)上并由試驗(yàn)成功證明了是有很強(qiáng)的自然循環(huán)能力的。再如AP1000型核電廠，當(dāng)發(fā)生全廠失電同時(shí)蒸汽發(fā)生器不可用時(shí)，停堆后的堆芯余熱全部依靠非能動堆芯余熱排出系統(tǒng)排出，其途徑是由反應(yīng)堆出口引出高溫冷卻劑經(jīng)管道流向安全殼內(nèi)大水箱（IRWST）內(nèi)的傳熱管，這些傳熱管也幾乎是直接向下的（螺旋向下），且只有下降段并無上升段。經(jīng)冷卻后的冷卻劑再經(jīng)反應(yīng)堆進(jìn)口流向堆芯并對堆芯冷卻。以上兩例的自然循環(huán)，并不因?yàn)闆]有傳熱管的上升段和下降段失去自然循環(huán)能力，更不會使自然循環(huán)中斷。

    因此，通過以上分析，“如果二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)，…..因而在U型管的上升段和下降段中的冷卻劑密度差不大，…….使自然循環(huán)中斷?！边@一結(jié)論是不成立的。

    2）由問題2的答案可知，上升段（熱段）與下降段（冷段）的密度差和熱阱與熱源之間的高度差決定自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭，也就決定回路系統(tǒng)的自然循環(huán)能力。這里先明確壓水堆回路系統(tǒng)中熱阱與熱源之間的高度差H,也就是上升段（熱段）和下降段（冷段）的有效高度。

    在點(diǎn)源模型下要知道熱阱與熱源之間的高度差H，必須先確定熱阱點(diǎn)與熱源點(diǎn)。對立式蒸汽發(fā)生器，熱阱點(diǎn)應(yīng)在管板以上傳熱管的中平面。對臥式蒸汽發(fā)生器，熱阱點(diǎn)應(yīng)是所有傳熱管的平均標(biāo)高。熱源點(diǎn)應(yīng)是堆芯燃料元件的中心平面，如圖3所示。

                       圖3    點(diǎn)源模型下熱阱與熱源之間的高度差

    熱源點(diǎn)和熱阱點(diǎn)之間的高度差，也就是自然循環(huán)時(shí)上升段和下降段的有效高度H，不難看出，熱阱和熱源之間的高度差是在設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝位置確定后就已經(jīng)固定下來了，在討論自然循環(huán)各因素時(shí)，H是不變的常數(shù)。作為實(shí)例，大亞灣核電廠熱阱點(diǎn)和熱源點(diǎn)高度差大約為11米（堆芯中平面至堆芯出口約2m，堆芯出口至熱段出口管中心線約2m，出口管中心線至蒸汽發(fā)生器管板上表面2.3m，管板上表面至傳熱管平均標(biāo)高約5m，以上數(shù)據(jù)均由大亞灣核電廠RCP系統(tǒng)設(shè)備的布置及相對標(biāo)高估算而來——作者注）。而熱段及冷段的冷卻劑的密度差則是由自然循環(huán)所傳輸?shù)姆磻?yīng)堆功率所決定的。

    綜上所述，對某一實(shí)際的壓水堆核電廠，熱阱和熱源的高度差是確定不變的，那么判斷自然循環(huán)是在進(jìn)行的唯一條件就是上升段（熱段）與下降段（冷段）的冷卻劑是否存在溫度差，即是否存在密度差。熱段與冷段的冷卻劑如果存在密度差，就意味著存在一定的自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭，就能推動在堆芯被加熱的冷卻劑向上流動，經(jīng)蒸汽發(fā)生器的傳熱管被二次側(cè)給水冷卻后變成溫度較低的水流回堆芯入口，這就形成了自然循環(huán)傳熱。因此，判斷回路中自然循環(huán)是否正在進(jìn)行最基本的判據(jù)就是冷段和熱段的冷卻劑存在溫度差，因?yàn)閴毫θ萜鬟M(jìn)出口的溫度可在主控室顯示，可直接觀察到。對于穩(wěn)定態(tài)自然循環(huán)傳熱，當(dāng)冷段與熱段冷卻劑的密度差越大，所產(chǎn)生的自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭越大，自然循環(huán)的能力也越強(qiáng)，反之亦然。

    對于不穩(wěn)定的（動態(tài)的）自然循環(huán)傳熱，冷段與熱段冷卻劑的密度差變得越大，產(chǎn)生的自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭越大，自然循環(huán)的能力越強(qiáng)。反之，該密度差向著減小的方向變化，則自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭會越來越小，自然循環(huán)能力就會越來越弱，從理論上說該密度差變?yōu)榱?，則循環(huán)的驅(qū)動壓頭為零，自然循環(huán)也就中斷了。必須強(qiáng)調(diào)的是，這里的熱段和冷段是指的整個(gè)一回路的熱段和冷段，而不是蒸汽發(fā)生器中倒U型傳熱管的上升段和下降段。

3）蒸汽發(fā)生器二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)的問題

    其實(shí)在上兩節(jié)中已經(jīng)從原理上對此問題作了分析，二次側(cè)的冷卻能力過強(qiáng)會影響傳熱管內(nèi)上升段和下降段冷卻劑的平均密度差，但不會影響整個(gè)一回路的上升段（熱段）和下降段（冷段）中冷卻劑的密度差。從點(diǎn)源模型來分析，自然循環(huán)能力強(qiáng)弱，也就是自然循環(huán)驅(qū)動壓頭的大小，只與兩個(gè)因素有關(guān)：一是熱阱與熱源相對位置即高度差，二是熱段（上升段）與冷段（下降段）內(nèi)冷卻劑的密度差。而對冷卻劑在熱源內(nèi)的詳細(xì)吸熱升溫過程以及冷卻劑在熱阱（蒸汽發(fā)生器傳熱管）中的放熱降溫過程是不考慮的。也就是說冷卻劑在堆芯內(nèi)哪一段吸熱多哪一段吸熱少，以及在傳熱管中哪一段放熱多，哪一段放熱少是不考慮的。只要知道冷卻劑經(jīng)堆芯吸熱后，溫度升高了，密度減小了；而經(jīng)過蒸汽發(fā)生器被二次側(cè)冷卻下來，從傳熱管出來的冷卻劑溫度降低了，密度增加了。只要維持著上升段和下降段冷卻劑的密度差，加之上節(jié)已敘熱阱和熱源之間的高度差是確定的，這兩個(gè)因素都存在，則維持自然循環(huán)流動的驅(qū)動壓頭就存在，自然循環(huán)也就不會中斷了。再之，從定性邏輯上分析，二次側(cè)的冷卻能力越強(qiáng)，會使經(jīng)蒸汽發(fā)生器傳熱管出來的冷卻劑溫度降得更低，密度增加得更大，從而使自然循環(huán)流動的驅(qū)動壓頭增加，反而更增強(qiáng)了自然循環(huán)的能力，更不可能使自然循環(huán)中斷了。自然，我們討論的二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)，也是在壓水堆電廠實(shí)際所達(dá)到冷卻能力而言的，比如大氣釋放閥開，加之輔助給水的低溫給水的二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)情況。

    4）蒸汽發(fā)生器二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)會使反應(yīng)堆頂蓋下出現(xiàn)蒸汽聚積，進(jìn)而使自然循環(huán)中斷嗎？筆者對此觀點(diǎn)是持質(zhì)疑態(tài)度的。從邏輯上分析，二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)，首先是使經(jīng)蒸汽發(fā)生器的冷卻劑溫度降得更多，繼而引起一回路平均溫度下降，導(dǎo)致一回路壓力下降，飽和溫度下降。因?yàn)槭瞧骄鶞囟群鸵换芈穳毫Χ荚谙陆担瓉砘芈防鋮s劑是有一定過冷度的，特別是緊急停堆后，經(jīng)主泵惰轉(zhuǎn)帶走大量熱量，堆功率已降至10%FP以下，一回路平均溫度下降較多，由于穩(wěn)壓器的作用，回路壓力下降并不顯著，此時(shí)的過冷度更大。此后再兩者都同時(shí)下降，一回路冷卻劑的過冷度并不會有明顯的改變。所以在回路中的冷卻劑不會達(dá)到飽和溫度，自然也不會產(chǎn)生蒸汽在頂蓋下積累而形成蒸汽空間，更不會因此而導(dǎo)致自然循環(huán)中斷。筆者認(rèn)為，在自然循環(huán)初期最有可能（只是可能，而不是一定）產(chǎn)生蒸汽的地方有兩處：一是堆芯個(gè)別熱通道內(nèi)，盡管已經(jīng)停堆了，功率已經(jīng)很低了，某些燃料元件表面熱通量還相當(dāng)大，當(dāng)壓力降低時(shí)飽和溫度降低，這些表面可能產(chǎn)生泡核沸騰，但這些蒸汽泡上升遇到過冷的冷卻劑時(shí)便會泯滅，如同高功率運(yùn)行的情況一樣，由個(gè)別熱通道產(chǎn)生的蒸汽泡，上升到堆芯出口會與過冷水混合而湮滅，到壓力容器出口時(shí)都是過冷水了。這些汽泡也絕不會上升到壓力容器頂蓋下形成蒸汽空間。二是穩(wěn)壓器內(nèi)處于飽和狀態(tài)的水，當(dāng)一回路壓力下降時(shí)，這部分水就可能蒸發(fā)為蒸汽，原有飽和蒸汽成為過熱蒸汽，新增加的蒸汽和原有蒸汽就會要求占駐更大蒸汽空間，達(dá)不到更大空間時(shí)便會使壓力增加，從而阻止壓力下降使回路壓力達(dá)到新的穩(wěn)定的壓力（穩(wěn)壓器的壓力變化的緩和效應(yīng)）?？梢哉J(rèn)為，這部分蒸汽也絕不會進(jìn)到壓力容器頂蓋下形成蒸汽空間，只會填補(bǔ)因平均溫度下降而體積收縮的汽空間。
    5）在全廠失電而進(jìn)入自然循環(huán)時(shí)，可能有兩種情況發(fā)生會使自然循環(huán)中斷，但導(dǎo)致自然循環(huán)中斷的原因，均不是因?yàn)槎蝹?cè)冷卻能力過強(qiáng)而引起的：

    情況一：二次側(cè)的冷卻能力不足，堆芯的熱量不能被二次側(cè)全部帶走，引起二次側(cè)傳熱管出口的冷卻劑溫度逐步上升，導(dǎo)致上升段（熱段）和下降段（冷段）溫度差逐漸減小，也就是密度差逐漸減小，自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭也就逐漸減小，直至為零，自然循環(huán)也就中斷了。作為極端情況，二次側(cè)補(bǔ)水接繼不上，使二次側(cè)排空，熱阱喪失，一次側(cè)的熱量完全排不出去，導(dǎo)致上升段的水未經(jīng)任何冷卻降溫而進(jìn)入下降段，上升段與下降段的冷卻劑無密度差，自然循環(huán)無驅(qū)動壓頭，自然循環(huán)很快就中斷了。這種情況引發(fā)的后果是嚴(yán)重的，反應(yīng)堆的剩余熱量引起冷卻劑不斷升溫，體積不斷增加，壓力不斷升高。當(dāng)超過穩(wěn)壓器安全閥開啟值時(shí)，不斷地以高溫蒸汽排向卸壓箱，使一回路水裝量不斷地減小，最終將會導(dǎo)致堆芯裸露而引發(fā)高壓熔堆。這種極端嚴(yán)重事故就是壓水堆版的福島事故。

    因此在發(fā)生全廠失電事故時(shí)，不是擔(dān)心二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)，而是必須防止二次側(cè)冷卻能力不足，以免自然循環(huán)中斷導(dǎo)致更嚴(yán)重事故發(fā)生。

    情況二：全廠失電后進(jìn)入自然循環(huán)階段時(shí)，又發(fā)生了一回路失水，例如主泵軸封水喪失而冷卻劑從軸封處泄漏。此時(shí)一回路壓力下降很快而冷卻劑的平均溫度幾乎沒有降低，局部高溫的冷卻劑達(dá)到飽和溫度蒸發(fā)變成蒸汽彌補(bǔ)漏失的空間。水位不斷下降，壓力也不斷下降，大部分冷卻劑達(dá)到當(dāng)時(shí)壓力下的飽和溫度，當(dāng)水位下降至壓力容器頂蓋時(shí)，頂蓋下開始積汽，形成所謂雙穩(wěn)壓器效應(yīng)。當(dāng)水位下降至主管道上管口以下時(shí)，所有高于上管口的冷卻劑特別是蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)的，都因重力回流，既無進(jìn)傳熱管的也無出傳熱管的冷卻劑，自然循環(huán)也就中斷了。此情況下，只有蒸汽進(jìn)入傳熱管冷凝后再回流到上管口以下的冷卻劑內(nèi)，也就是所謂回流冷凝的傳熱方式將堆芯熱量傳給二回路。

    此情況下若冷卻劑仍在不斷泄漏，壓力仍在不斷下降，假如趕在水位下降到堆芯裸露之前，壓力已降到中壓安注箱注入整定值（一般在42.5bar）以下，安注箱開始注入，這樣就可為保護(hù)反應(yīng)堆的安全爭取到很多時(shí)間了。由于本人對于事故后期的發(fā)展及處理措施沒有研究，且已不在本文所討論的自然循環(huán)問題的范圍內(nèi)，也就不再繼續(xù)討論下去了。當(dāng)發(fā)生全廠失電時(shí)不僅保證和維持蒸汽發(fā)生器二次側(cè)有較強(qiáng)的冷卻能力外，盡快啟動LLS系統(tǒng)，保證軸封處一回路冷卻劑不泄漏同樣是十分重要的。

    6）實(shí)際上，當(dāng)我們在處理全廠失電事故，依靠自然循環(huán)導(dǎo)出反應(yīng)堆的剩余熱量保護(hù)反應(yīng)堆安全時(shí)，是有意地強(qiáng)化二次側(cè)的冷卻能力，而不是限制二次側(cè)的冷卻能力。強(qiáng)化二次側(cè)冷卻能力的措施有二：一是當(dāng)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)蒸汽壓力過大，讓大氣釋放閥開啟，以蒸汽形式將一次側(cè)的熱量排向大氣。我們知道，蒸汽流量增加對降低一回路冷卻劑的溫度是十分有效的。但是，開啟大氣釋放閥是有風(fēng)險(xiǎn)的，特別是開啟后的大氣釋放閥因故障不回座，就近乎于主蒸汽管道破裂，造成一回路快速降溫，其風(fēng)險(xiǎn)不是造成自然循環(huán)中斷，而是一回路快速降溫引入較大的正反應(yīng)性，特別是在壽期末，其正反應(yīng)性的引入可能使停堆后的堆芯重返臨界，造成反應(yīng)性事故。二是向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)補(bǔ)充低溫給水。當(dāng)全廠失電時(shí)，首先汽動泵（或柴油機(jī)泵）自動啟動，將輔助給水箱（有的廠稱為應(yīng)急給水箱）的水注入蒸汽發(fā)生器。我們知道，由主給水泵經(jīng)高壓加熱器（一般都有兩級）來的給水，水溫高達(dá)220℃以上，而由輔助給水箱來的給水是30℃—40℃，大大低于主給水的溫度，這樣可以最大限度地增強(qiáng)二次側(cè)的冷卻能力，更快地將經(jīng)蒸汽發(fā)生器的一回路冷卻劑溫度降下來，加大上升段和下降段的溫度差，從而更加增強(qiáng)自然循環(huán)的驅(qū)動力，但這冷水會給蒸汽發(fā)生器帶來很大的熱沖擊。這兩種方法的綜合應(yīng)用，就能夠使一回路上升段與下降段冷卻劑的密度差達(dá)到更大，從而使自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭更高，使自然循環(huán)能力更強(qiáng)。

    筆者認(rèn)為，明確對這一問題的認(rèn)識是重要的。萬一當(dāng)全廠失電事故發(fā)生時(shí)，運(yùn)行人員會自覺地執(zhí)行操作規(guī)程，大膽地采取增強(qiáng)二次側(cè)冷卻能力一切措施，增強(qiáng)自然循環(huán)的能力，確保反應(yīng)堆處于安全狀態(tài)。

2.4自然循環(huán)流量與反應(yīng)堆功率成正比，與回路系統(tǒng)的總阻力成反比嗎？

    回答“壓水堆一回路系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量主要與哪些熱工參數(shù)有關(guān)？”的問題時(shí)，各核電廠編制的復(fù)習(xí)題相應(yīng)的答案中，有代表性的是：“壓水堆穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量主要與堆功率成正比，與蒸汽發(fā)生器和堆芯之間的高度差成正比，與回路系統(tǒng)的總阻力成反比?！惫P者認(rèn)為，這樣的答案是值得商榷的：

1）與蒸汽發(fā)生器和堆芯之間的高度差成正比。這里應(yīng)確切地說是熱阱與熱源之間的高度差，而不是兩大設(shè)備之間的高度差。當(dāng)核電廠的設(shè)備和系統(tǒng)建成之后，如前面所敘，該高度差是確定的也是無法改變的，也就無所謂成正比或成反比了。除非是在新設(shè)計(jì)一回路設(shè)備和系統(tǒng)時(shí)，對自然循環(huán)能力要考慮到熱源和熱阱之間的高度差。即使如此自然循環(huán)流量也不是和高度差成正比。只能是其高度差越大，自然循環(huán)流量越大。

2）穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量與反應(yīng)堆功率之間的關(guān)系。我們知道穩(wěn)態(tài)下反應(yīng)堆功率可以表示為

    從表達(dá)式中可以看出，穩(wěn)態(tài)的自然循環(huán)時(shí)，增加反應(yīng)堆功率，同時(shí)會改變冷卻劑進(jìn)出口溫差和流量，而前者是第一位的，居于主動因素。進(jìn)出口溫差的增加，相應(yīng)的熱段（上升段）和冷段（下降段）冷卻劑的密度差也將增大，導(dǎo)致自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭增加，促使冷卻劑流動速度（流量）也就增加。也就是說反應(yīng)堆熱功率的增加，分配到進(jìn)出口溫差的增加及回路內(nèi)自然循環(huán)流量的增加。因此，簡單地將穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量與反應(yīng)堆功率的關(guān)系說成是正比的關(guān)系是不合適的。

    這里還須說明的是，對一個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)都已確定的一回路系統(tǒng)，依靠穩(wěn)定的自然循環(huán)所傳輸?shù)姆磻?yīng)堆功率是有限的，這一傳輸?shù)姆磻?yīng)堆最大功率，就是該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的最大自然循環(huán)能力。壓水堆核電廠典型設(shè)計(jì)的最大自然循環(huán)能力為10%-15%。

    因此，穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量與反應(yīng)堆功率之間的關(guān)系的正確表敘是：在最大自然循環(huán)能力的范圍內(nèi)，反應(yīng)堆功率越高，經(jīng)過堆芯的冷卻劑溫升也越大，造成上升段和下降段的密度差也越大，自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭也越大，從而穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量越大；反之，反應(yīng)堆功率越低，穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)的流量也越小。

3）自然循環(huán)流量與回路系統(tǒng)的總阻力成反比？

    首先，這里“回路系統(tǒng)的總阻力”這個(gè)概念是模糊不清的，對任何回路系統(tǒng)而言，有一定的流量才會產(chǎn)生相應(yīng)的阻力，也就是壓降，沒有流量，流體不流動了，也就沒有阻力也沒有壓降了，所以“回路系統(tǒng)的總阻力”就不知所指的是什么，其說法是不妥當(dāng)?shù)摹?/P>

    對任意一個(gè)回路系統(tǒng)而言，確定有一個(gè)流量和阻力壓降的對應(yīng)關(guān)系，即有一定的流量會在回路系統(tǒng)產(chǎn)生一定的阻力壓降，改變流量，流體在該回路系統(tǒng)中的阻力壓降也就改變了。例如反應(yīng)堆功率增加，自然循環(huán)流量增加，流體在該回路系統(tǒng)中的阻力壓降也增加。這就是該回路系統(tǒng)的流量—阻力壓降特性曲線。如果換成另一回路系統(tǒng)，或?qū)⒃撓到y(tǒng)管道上的閥門開度減小，那就是另一條流量—阻力壓降曲線了。在相同的驅(qū)動壓頭下，比較這兩條特性曲線，可以說產(chǎn)生相同的阻力壓降，前者的流量大，后者（閥門開度減小的系統(tǒng)）的流量小。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，這是兩條特性曲線之間的比較。

    對于壓水堆一回路系統(tǒng)而言，冷卻劑流經(jīng)的路徑，管道的長短走向，包括流經(jīng)的燃料通道及蒸汽發(fā)生器的傳熱管等等，都是固定了的，中間沒有任何閥門，對某一循環(huán)流量流過一回路系統(tǒng)后，必定對應(yīng)產(chǎn)生某一阻力壓降，也就是說一回路系統(tǒng)的流量—阻力壓降特性曲線只有唯一的一條，這里不考慮流體溫度或密度變化給特定曲線造成的微小偏離。這一流量—阻力壓降特性曲線涵蓋了自然循環(huán)和強(qiáng)迫循環(huán)，只不過強(qiáng)迫循環(huán)占有大流量—大阻力壓降部分，而自然循環(huán)對應(yīng)的是小流量—小阻力壓降部分。

    在進(jìn)行自然循環(huán)時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)堆堆芯發(fā)出一定功率，冷卻劑從堆芯進(jìn)口到堆芯出口，從低溫變?yōu)楦邷?，到蒸汽發(fā)生器經(jīng)傳熱管放熱后又變?yōu)榈蜏兀@樣在上升段和下降段產(chǎn)生密度差，加之在已存在的堆芯和傳熱管之間的高度差，從而產(chǎn)生自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭，推動冷卻劑的流動。這一流量在回路系統(tǒng)中產(chǎn)生阻力壓降，假如這阻力壓降比此時(shí)的驅(qū)動壓頭小，那么多余的驅(qū)動壓頭推動冷卻劑加速流動，使流量增加，在回路系統(tǒng)中產(chǎn)生的阻力壓降增加，直到回路中的流量在回路系統(tǒng)中產(chǎn)生的阻力壓降等于自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭為止。究其原理和強(qiáng)迫循環(huán)時(shí)泵的工作特性曲線與回路的流量—阻力特性曲線交點(diǎn)形成工作點(diǎn)是類似的，只不過回路的流量—阻力特性曲線不能改變而已。

    綜上分析，筆者不贊同“壓水堆穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量與回路系統(tǒng)的總阻力成反比”這樣的說法，而應(yīng)該是：自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭越大，促使回路中冷卻劑流速越快，流量也越大，在回路系統(tǒng)中所產(chǎn)生的阻力壓降也越大。在壓水堆穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)時(shí)且二次側(cè)冷卻能力足夠而穩(wěn)定時(shí)，反應(yīng)堆功率大小是主動因素，由此引起上升段與下降段密度的改變，進(jìn)而使自然循環(huán)驅(qū)動壓頭的改變，導(dǎo)致循環(huán)流量的改變，由于流量的改變，才使流體在回路系統(tǒng)中的阻力壓降改變，而不可能是反方向的影響。但無論何時(shí)，其流量在回路系統(tǒng)中產(chǎn)生的阻力壓降總是等于自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭。無論是穩(wěn)定的自然循環(huán)和不穩(wěn)定的自然循環(huán)都應(yīng)是符合這一規(guī)律的，因?yàn)閷τ诓环€(wěn)定的自然循環(huán)每一短暫瞬間可看成是穩(wěn)定的（準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）。其實(shí)，這一規(guī)律也適用于壓水堆一回路的強(qiáng)迫循環(huán)，主泵的驅(qū)動壓頭或稱揚(yáng)程是推動力，使泵出口冷卻劑的壓力增加，推動冷卻劑快速流動，形成較大的流量，該流量在回路系統(tǒng)中產(chǎn)生了一定的阻力壓降，該阻力壓降無論何時(shí)都等于主泵的驅(qū)動壓頭（可能在主泵啟動或停運(yùn)的瞬間是例外）。

3、本文所敘的基本觀點(diǎn)小結(jié)

1）自然循環(huán)可分為穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)和不穩(wěn)定自然循環(huán)兩種形式，核電廠是按穩(wěn)定的自然循環(huán)最大能力設(shè)計(jì)，但所關(guān)注的是全廠失電事故下建立和維持自然循環(huán)的能力，不斷地有效導(dǎo)出反應(yīng)堆的剩余發(fā)熱，使反應(yīng)堆處在安全狀態(tài)。

2）建立自然循環(huán)的必要條件是：熱阱和熱源之間要有高度差，熱段和冷段之間要有密度差。高度差和密度差決定自然循環(huán)驅(qū)動壓頭的大小。有了驅(qū)動壓頭，自然循環(huán)就建立起來了。再加上其他條件都不太適合，也不太“必要”。

3）立式蒸汽發(fā)生器傳熱管的上升段和下降段并非回路系統(tǒng)中起決定作用的上升段和下降段（熱段和冷段），對比臥式蒸汽發(fā)生器的傳熱管，其冷卻劑是水平流動的，不存在所謂上升段和下降段。只能說明蒸汽發(fā)生器的傳熱管（不論是立式的還是臥式的）只不過是熱阱的組成部分而已。

4）作為一級近似的點(diǎn)源模型，自然循環(huán)時(shí)有效的上升段（熱段）和下降段（冷段）是指的熱源點(diǎn)和熱阱點(diǎn)之間的高度差。對壓水堆回路系統(tǒng)中，指的是與二次側(cè)給水相接觸的傳熱管平均標(biāo)高與堆芯燃料元件平均標(biāo)高之間的高度差。對某壓水堆回路系統(tǒng)而言，這一高度差是確定不變的。顯然，也說明了有效的上升段（熱段）和下降段（冷段）兩段的高度是相等的。

5）結(jié)合第2）點(diǎn)和第4）點(diǎn)，可以認(rèn)為只要上升段與下降段冷卻劑之間存在密度差，就會有自然循環(huán)驅(qū)動壓頭，自然循環(huán)就在進(jìn)行。因此回路中的自熱循環(huán)是否正在進(jìn)行，冷段和熱段是否存在溫度差是最基本的判據(jù)。溫差大，溫差小，自然循環(huán)能力越弱，當(dāng)溫度差不存在，自然循環(huán)也就中斷了。

6）上升段的溫度差（或密度差）是由反應(yīng)堆功率決定的。密度差越大，自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭就越大，自然循環(huán)能力就越強(qiáng)，反之亦然。因此，二次側(cè)的冷卻能力過強(qiáng)，只會使下降段冷卻劑的溫度降得更低，使得上升段與下降段之間密度差變得更大，使自然循環(huán)能力變得更強(qiáng)，不會得到相反的結(jié)論——使自然循環(huán)中斷。

7）由于二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)，使一回路冷卻劑平均溫度降低，致使一回路壓力下降，因?yàn)闇囟群蛪毫Χ冀?，故一回路冷卻劑總體仍處在過冷狀態(tài)，不會在壓力容器頂蓋下形成蒸汽空間，也就不會因此使自然循環(huán)中斷。

8）在實(shí)際處理全廠失電事故時(shí)，不是害怕二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)，而是特意強(qiáng)化二次側(cè)的冷卻能力，如開啟大氣釋放閥，以蒸汽形態(tài)帶走一次側(cè)的熱量，使冷段的溫度降得更低，加大自然循環(huán)驅(qū)動壓頭。與此同時(shí)將輔助（或稱應(yīng)急）給水箱的常溫水注入二次側(cè)，同樣也是強(qiáng)化二次側(cè)的冷卻能力，增大自然循環(huán)驅(qū)動壓頭的有效手段。

9）相反地，二次側(cè)冷卻能力不足，極端情況下二次側(cè)毫無冷卻能力（二次側(cè)燒干），自然循環(huán)會很快中斷，如果處置不當(dāng)就會發(fā)生像福島那樣高壓熔堆的特大事故。

10）全廠失電后進(jìn)入自然循環(huán)時(shí)，一回路發(fā)生小破口失水（例如軸封水喪失），降壓而不降溫。當(dāng)水位降至壓力容器頂蓋以下時(shí)，就會出現(xiàn)“雙穩(wěn)壓器”現(xiàn)象，當(dāng)水位降至出水管上端口時(shí)，自然循環(huán)會完全中斷，僅以回流冷凝形式傳出反應(yīng)堆的部分熱量。

11）“穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量與反應(yīng)堆功率成正比”這一提法是不恰當(dāng)?shù)?，而?yīng)是穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)時(shí)，所傳輸?shù)姆磻?yīng)堆功率越大，自然循環(huán)的流量越大，但不是成正比的關(guān)系。

12）“自然循環(huán)的流量與回路系統(tǒng)的總阻力成反比”這一提法更不能贊同。“回路系統(tǒng)的總阻力”不是個(gè)獨(dú)立存在的參數(shù)，回路系統(tǒng)中有一定的流量才會在回路系統(tǒng)中產(chǎn)生一定的阻力壓降。應(yīng)該是：自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭越大，回路系統(tǒng)中的流量就越大，該流量在回路系統(tǒng)中所產(chǎn)生的阻力壓降也越大，但無論何時(shí)，該流量在回路系統(tǒng)中所產(chǎn)生的阻力壓降總是與自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭相等。因此，自然循環(huán)的流量與在回路系統(tǒng)中產(chǎn)生的阻力壓降既不是成正比，更不是成反比關(guān)系。

4、本文的期望

    鑒于自然循環(huán)問題對于壓水堆核電廠在安全方面的重要性，本人大膽地對以上問題提出自己的粗淺看法，期待是：

    1）對自然循環(huán)問題展開廣泛深入的討論，對本文提出批評指正，以求得正確的認(rèn)識。

    2）能編寫出更多的切合核電廠運(yùn)行實(shí)際的思考題供運(yùn)行人員探討、學(xué)習(xí)，以更好地指導(dǎo)壓水堆核電廠的運(yùn)行實(shí)踐。