某核電站輻射屏蔽組件傳熱分析

毛飛，李玲，李成武

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

0 引言

在核電站最核心的反應堆壓力容器周邊，需設置不同類別的屏蔽材料，用于屏蔽中子、光子等。屏蔽材料選用及設計時既要考慮其對射線的防護效果，也需要考慮屏蔽材料的使用溫度、體積、重量、材料穩(wěn)定性、使用壽命等。屏蔽材料距離反應堆壓力容器越近，其屏蔽效果越好。

早期，在核電站中非高溫區(qū)域的中子屏蔽材料常采用混凝土、石蠟、水、聚乙烯等含氫量較高的材料，用于慢化塊中子。這些材料使用溫度不高，均不能直接用于反應堆壓力容器周邊。近年來，核電站屏蔽要求越來越嚴格，需直接在反應堆壓力容器外圍高溫區(qū)域設置輻射屏蔽組件。由于高溫的硅橡膠材料廣泛應用到生活中，在硅橡膠中摻入碳化硼粉末后可以有效的提高材料的屏蔽性能和耐熱性，該材料具有很好的慢中子吸收能力和γ射線吸收能力[1-2]。

某核電站反應堆堆壓力容器周邊的輻射屏蔽組件采用新型屏蔽材料含硼硅樹脂。為了減少中子漏束，加強屏蔽效果，輻射屏蔽組件距離反應堆壓力容器越近越好。由于目前所研發(fā)的含硼硅樹脂最高使用溫度～200℃，而反應堆壓力容器外壁溫度接近280℃。為了降低含硼硅樹脂屏蔽材料的使用溫度，需要其內(nèi)側(cè)高溫區(qū)域設置非金屬隔熱材料。同時，為保證屏蔽材料的填充率，非金屬隔熱材料的填充并非越多越好。所以，輻射屏蔽組件的結構需進行優(yōu)化設計，一方面保證有效空間中屏蔽材料的屏蔽效果，另一方面需將屏蔽材料的使用溫度降低至其長期使用溫度以下。

本文采用ANSYS 作為傳熱分析軟件，基于輻射屏蔽組件結構的有限元模型，評估正常運行工況下屏蔽材料的使用溫度，為輻射屏蔽組件的優(yōu)化結構提供支持，確保屏蔽材料的工作溫度在限值范圍內(nèi)。

1 傳熱分析模型

某核電站輻射屏蔽組件直接位于反應堆壓力容器外圍一圈，該結構主要包括不銹鋼外殼、含硼硅樹脂屏蔽材料和非金屬隔熱材料，非金屬隔熱材料位于高溫側(cè)。輻射屏蔽組件與反應堆壓力容器的位置示意圖參見圖1。

圖1 輻射屏蔽組件與反應堆壓力容器的位置示意圖

輻射屏蔽組件為軸對稱布置，其內(nèi)側(cè)同反應堆壓力容器外壁間的傳熱主要以輻射換熱為主，而輻射屏蔽組件內(nèi)部的傳熱主要以熱傳導為主。反應堆壓力容器的高溫熱量，經(jīng)輻射傳熱至輻射屏蔽組件內(nèi)側(cè)，然后經(jīng)非金屬隔熱材料、含硼硅樹脂屏蔽材料向外側(cè)傳遞，最后熱量經(jīng)過對流傳熱釋放至屏蔽組件外部的環(huán)境空氣中。非金屬隔熱材料作為含硼硅樹脂屏蔽材料的溫度保溫層，需具有良好的隔熱效果。

輻射傳熱是一種電磁波傳遞能量的現(xiàn)象，是高溫物體向周邊物體傳熱的主要方式。輻射傳熱量與高溫溫度的4 次方成正比。輻射傳熱物體間溫度越大，輻射傳熱量也越大。如果僅考慮輻射屏蔽組件同反應堆壓力容器間空氣的傳熱，不考慮輻射換熱，輻射屏蔽組件內(nèi)側(cè)的溫度將大大低于實際情況，產(chǎn)生較大的誤差。根據(jù)式輻射傳熱公式（1）可知，降低法向發(fā)生率可有效降低輻射傳熱量。

輻射傳熱公式參見式（1）[3]：

式中：

Φ：輻射傳熱量，W；ε：法向發(fā)射率；σ：黑體輻射常數(shù)，W/m2·K4；A ：輻射換熱面積，m2；T1：高溫物體溫度，K；T2：低溫問題溫度，K。

熱傳導主要在結構內(nèi)部傳遞，將內(nèi)部熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，是一種線性傳熱方式，主要與材料的導熱系數(shù)、隔熱材料的厚度相關，導熱系數(shù)越小，隔熱材料厚度越大，傳熱量越小。

傳熱計算公式參見式（2）[3]：

式中：

Φ ：傳熱量，W；：傳熱面積，m2；λ ：導熱系數(shù)，W/m·K ；t：溫度，K；x：傳熱距離，m。

2 計算輸入

（1）法向發(fā)射率

為了降低輻射屏蔽組件的輻射傳熱量，輻射屏蔽組件由不銹鋼外殼采用低法向發(fā)射率的鏡面板。考慮到壽期內(nèi)表面氧化、損傷等影響，保守取法向發(fā)射率0.35。反應堆壓力容器為主要的發(fā)熱體，為加強其輻射傳熱能力，保守取法向發(fā)射率為1。

（2）輸入溫度

正常運行工況下，由于反應堆壓力容器外壁采用鋼材，導熱系數(shù)較大。計算時不考慮反應堆壓力容器的熱阻，將其外壁溫度近似等于容器中高溫水的溫度，取值280℃；輻射屏蔽組件外側(cè)空氣環(huán)境溫度取該區(qū)域平均溫度30℃。

（3）熱物性參數(shù)

輻射屏蔽組件各部分材料的熱物性參數(shù)參見表1。

表1 材料熱性能參數(shù)

3 計算過程及結果

基于ANSYS 建立輻射屏蔽組件的軸對稱分析模型，不考慮接觸熱阻的影響。輻射屏蔽組件內(nèi)側(cè)面同反應堆壓力容器外壁輻射傳熱，輻射屏蔽組件外側(cè)面的環(huán)境空氣間對流傳熱，其他界面采用絕熱邊界。非金屬隔熱材料和屏蔽材料在穩(wěn)態(tài)下的溫度場分布參見圖 2 和圖 3。

從圖2 中可清楚得知，非金屬隔熱材料的最高溫度約265℃，相比反應堆壓力容器外壁溫度僅降低15℃，可證明輻射屏蔽組件高溫側(cè)受反應堆壓力容器外壁輻射傳熱的影響很明顯。非金屬隔熱材料的溫降達到了125℃，非金屬屏蔽材料低溫側(cè)的溫度在140℃～180℃之間，隔熱效果明顯。

從圖3 可知，含硼硅樹脂屏蔽材料受外部不銹鋼外殼傳熱的影響，角落處最高溫度約188℃，但絕大部分溫度在170℃以下。含硼硅樹脂屏蔽材料受環(huán)境空氣冷卻的影響，溫度較低，最低溫度約33℃。從表1 和圖3 可知，雖然含硼硅樹脂屏蔽材料導熱系數(shù)比非金屬隔熱材料的導熱系數(shù)高，但由于其厚度較大，熱阻并不小于屏蔽材料，溫將達到了150℃。在保守考慮的前提下，含硼硅樹脂屏蔽材料的最高溫度低于使用限值，可以滿足工程設計要求。

3 結語

本文基于ANSYS 分析軟件，建立了輻射屏蔽組件的軸對稱分析模型，考慮了輻射屏蔽組件內(nèi)側(cè)同反應堆壓力容器外壁間輻射傳熱的影響，對輻射屏蔽組件的優(yōu)化設計結構進行了溫度場分析，評估了非金屬隔熱材料和含硼硅樹脂屏蔽材料的使用溫度，結果顯示：①高溫狀態(tài)下，輻射傳熱效果明顯，輻射屏蔽組件內(nèi)側(cè)溫度相對于反應堆壓力容器外壁僅降低了15℃。②非金屬隔熱材料的隔熱效果明顯，有限厚度下溫降達到125℃，能有效保護含硼硅樹脂屏蔽材料。③含硼硅樹脂屏蔽材料最高溫度約187℃，絕大部分溫度在170℃以下，低于其限值溫度，滿足工程設計要求。

圖2 非金屬保溫材料溫度場分布

圖3 含硼硅樹脂屏蔽材料溫度場分布