一體化自然循環壓水堆搖擺條件下堆芯通道流動特性?

（海軍潛艇學院 青島 266199）

1 引言

核反應堆用于發電和軍事幾乎是同步的。現在全世界共有150多艘核潛艇，船舶核動力技術取得了重大突破［1～2］。目前，具有非能動安全特性的一體化全功率自然循環壓水堆正在興起。一體化自然循環壓水堆具有結構緊湊、體積小、重量輕和非能動安全等特性，最為重要的是反應堆采用全功率自然循環運行方式，無需主泵，有效地降低了艦船噪音，這一特點對于艦船核動力具有很大的吸引力［3～4］。

安裝于船體內的反應堆其自然循環特性會因受到搖擺、傾斜、震蕩等環境因素的影響而發生改變。海洋條件下，自然循環系統中除具備流體溫度差異造成的密度差而產生的驅動力外，船體運動還賦予其額外的慣性力，因此針對海洋條件下自然循環反應堆熱工水力學特性的研究成為熱點［5～8］。本文以典型一體化自然循環壓水堆為研究對象，對搖擺條件下自然循環運行方式的堆芯閉式子通道流動特性為研究內容，重點考察無核反饋條件下的堆芯加熱子通道內冷卻劑流體的流動特性。

2 搖擺周期（頻率）對加熱子通道冷卻劑流量的影響

本文研究對象——典型一體化自然循環壓水堆堆芯控制體截面劃分示意及具體編號如圖1所示。以44組、閉式組件堆芯燃料組件，總加熱功率10MW。

在給定一回路系統壓力、堆芯入口溫度和擺角振幅條件下，圖2給出了不同周期下典型堆芯通道加熱段出口處冷卻劑流動及質量流量波動情況。圖3給出了典型堆芯通道內，在相同搖擺振幅（或幅角）下搖擺周期（或頻率）對加熱段出口處質量流量的影響。

圖1 堆芯流道劃分橫截面劃分示意

圖2 給出了不同周期下典型冷卻劑通道的流動及流量波動情況

由圖2、圖3可以得到如下結論：

1）冷卻劑通道加熱段出口處質量流量的波動幅度隨著搖擺周期（頻率）的增加逐步減小（增加），這與文獻［9～12］等的關于單通道、三通道研究結論完全一致。考慮到附加切向力、法向力的發生頻率與搖擺頻率的關系［8］，可知搖擺周期較大時附加法向力占主導，較小時附加切向力則占優勢。顯然，搖擺周期較小（搖擺頻率較大）時，系統劇烈程度增加，加熱段出口處質量流量等更易受到附加切向力的影響，由于切向力頻率與搖擺頻率相等，故加熱段出口處冷卻劑流體質量流量波動周期與搖擺周期幾乎相等。

圖3 不同搖擺周期下的各冷卻劑通道內質量流量波動情況由上至下，分別是子通道1、44、35、16

2）從典型通道（淺灰色區內，見圖1）1#、16#、35#、44#的流動情況看，流量波動幅度的大小排序為

根據冷卻劑所受附加切向力和法向力公式（式（2）、式（3））可知，相同搖擺角速度條件下，附加切向力和法向力隨著位置矢量半徑增加而增大。堆芯冷卻劑通道離搖擺平面距離愈遠，位置矢量半徑愈大，冷卻劑流體受到的附加切向力和法向力就愈大，流量波動就愈劇烈，搖擺平面附近冷卻劑通道中質量流量波動幅度相對較小。

3）低于堆芯熱心位置的冷卻劑通道出口出現回流。一方面，由式（2）知各冷卻劑通道內受到附加切向力和法向力作用（忽略科氏力）不同，離搖擺平面較遠的周向冷卻劑通道流體受到的附加力較大，故流量波動幅度較大，在低于（高于）堆芯熱心位置時的冷卻劑通道處流量出現極小（大）值，故而附加力對各通道流體質量流量的差異產生貢獻；另一方面，由于密度驅動高度（位勢差）的不同，使得低位勢差冷卻劑通道的自然循環能力趨弱，也造成了低于（高于）堆芯熱心位置、離搖擺平面較遠的周向冷卻劑通道流體流量降低（增加）最快。因此，在二者疊加效應下，低于（高于）堆芯熱心位置、離搖擺平面較遠的周向冷卻劑通道流體流量降低（增加）最快，從而造成各冷卻劑通道出口處的流量出現差異，且搖擺周期愈小，流量差異愈明顯，從而在低于堆芯熱心位置的冷卻劑通道出口處可能出現回流。

3 搖擺振幅（幅角）對加熱子通道冷卻劑流量的影響

在一回路系統壓力5MPa、堆芯入口溫度和擺角振幅周期下，考察搖擺振幅對各冷卻劑流體通道加熱段質量流量的影響。圖4給出了相同周期不同振幅條件下各加熱子通道的冷卻劑流體流動及質量流量波動情況。圖5給出了典型冷卻劑通道內，在相同搖擺周期條件下搖擺振幅對堆芯通道冷卻劑流體流動的影響的結果。

圖4 相同周期下各子通道質量流量分配

由圖4、圖5可以看出，各子通道質量流量波動遵守式（2）、式（3）。總結如下：

1）各冷卻劑通道加熱段出口處質量流量的波動幅度隨著搖擺振幅的增加而逐漸增加，冷卻劑流動不穩定性加劇。根據式（2）、式（3）所表述的附加切向力和法向力公式，相同周期下，搖擺振幅愈大，角速度矢量的模愈大，故而冷卻劑流體所受的附加切向力和法向力愈大，造成的流量擾動（即波動振幅）愈大。

圖5 不同搖擺振幅下的各冷卻劑通道內質量流量波動情況由上至下，分別是加熱子通道1、16、35、44

2）外側通道冷卻劑質量流量波動較中心通道劇烈得多，在振幅角度超過40°時，甚至出現流量為負的現象，說明外側周向冷卻劑通道在劇烈波動下可能流量為零或為反向，加熱流體反向流動會加劇局部兩相沸騰，造成局部熱點傳熱惡化，減弱堆芯熱量輸運進程，并損傷加熱棒，因此，必須控制搖擺周期和振幅角度，使得通道內、尤其是外側通道內冷卻劑質量流量必須滿足不超過CHF條件，當搖擺角度超過一定程度，要迅速降低功率或停堆。

3）從典型通道（淺灰色區內，見圖1）1#、16#、35#、44#的流動情況看，流量波動幅度的大小排序為

同樣地，堆芯冷卻劑通道離搖擺平面愈遠，位置矢量半徑愈大，冷卻劑流體受到的附加切向力和法向力就愈大，流量波動就愈劇烈，搖擺平面附近冷卻劑通道中質量流量波動幅度相對較小。

4）在低于堆芯熱心位置的冷卻劑通道出口出現回流。同樣，由于冷卻劑流體受到的附加力和密度驅動高度（位勢差）對各通道流體質量流量的差異產生雙重貢獻使得低位勢差冷卻劑通道的自然循環能力趨弱，也造成了低于（高于）堆芯熱心位置、離搖擺平面較遠的周向冷卻劑通道流體流量降低（增加）最快，從而在低于堆芯熱心位置的冷卻劑通道出口處也將出現回流。

4 結語

通過對搖擺周期和振幅對自然循環回路的影響開展數值計算，數值結果表明：

1）冷卻劑通道加熱段出口處質量流量的波動幅度隨著搖擺周期（頻率）的增加逐步減小（增加），這與文獻［1～2］等的關于單通道、三通道研究結論完全一致。

2）相同搖擺角速度條件下，附加切向力和法向力隨著位置矢量半徑增加而增大。

3）各冷卻劑通道加熱段出口處質量流量的波動幅度隨著搖擺振幅的增加而逐漸增加，冷卻劑流動不穩定性加劇。

4）堆芯冷卻劑通道離搖擺平面愈遠，位置矢量半徑愈大，冷卻劑流體受到的附加切向力和法向力就愈大，流量波動就愈劇烈。

5）受力和力矩差異導致在低于堆芯熱心位置的冷卻劑通道出口出現回流。