中國工程試驗堆堆芯入口流量分配特性實驗研究

眭 曦，王 盛，楊祖毛，閆 曉

(中國核動力研究設計院 反應堆工程研究所，四川 成都 610041)

反應堆堆芯入口流量分配特性研究是新型反應堆研發設計過程中的一項重要內容。通過相應研究，能獲得進入不同燃料組件入口的冷卻劑流量，進而獲得燃料組件出口的冷卻劑溫度，為流量、功率及溫度的協同設計以及反應堆的安全評估提供數據支撐。

20世紀60年代，美國西屋公司針對Yankee核電站反應堆首次開展了堆芯入口流量分配實驗研究，并基于安裝在模擬燃料組件入口的畢托管測量得到了每組模擬燃料組件入口的流速，進一步獲得了無量綱的流量分配因子[1]。實驗結果表明，四環路對稱運行工況下堆芯入口流量分配不均勻性在±18%之間。在此基礎上，為降低堆內構件結構上的改進對水力學設計不確定性的影響，西屋公司進一步采用大比例模型針對改進型的Yankee核電站反應堆開展了流量分配實驗研究，并基于孔板流量計獲得了堆芯入口流量分配特性，驗證了堆內構件設計的合理性[2]。除美國外，韓國、法國等也分別針對Yonguang核電站反應堆、APR+反應堆以及EPR反應堆開展了堆芯入口流量分配特性實驗及數值模擬研究[3-7]。

我國在反應堆堆芯入口流量分配方面的研究起步較晚。20世紀80年代，上海核工程研究設計院首次針對秦山核電站反應堆開展了相關的實驗研究，分析了兩種不同結構流量分配板的均流效果，實驗結果表明采用實心比為0.7的流量分配板時堆芯入口流量分配得更加均勻[8]。中國核動力研究設計院及中國原子能科學研究院等分別針對秦山二期反應堆、中國先進研究堆、CNP1000反應堆、中國實驗快堆以及CAP1400反應堆開展了堆芯入口流量分配實驗研究[9-13]。在上述研究中，除中國實驗快堆是實堆測量外，其余相關實驗研究均采用了簡化模型，并通過安裝于模擬燃料組件入口的特制流量計對堆芯入口流量進行了測量，獲得了無量綱的流量分配因子，驗證了反應堆內構件設計的合理性及熱工水力的安全性。

本文針對中國工程試驗堆(CENTER)，采用縮比模型開展堆芯入口流量分配特性實驗研究，獲得全堆芯模擬燃料組件及典型位置處的模擬鈹/鋁組件、鈷靶組件和控制棒導向管內的流量分配因子。相關研究可為CENTER的研發設計提供參考與指導。

1 實驗模型、裝置及方法

1.1 實驗模型

相對于傳統的商用壓水堆，CENTER在環路數、堆芯布置、組件結構形式及冷卻劑流程設計上均有很大不同：1) CENTER一回路采用單環路運行方式；2) 反應堆整個堆芯包含燃料組件、鈹/鋁組件、鈷靶組件及控制棒導向管等多種部件；3) 堆芯中的各種組件包括控制棒導向管等均采用閉式正六邊形的外形結構；4) 當反應堆處于正常運行工況時，冷卻劑從位于反應堆上部的入口管流入，經流量分配器后再進入堆芯，其中大部分的冷卻劑從燃料組件中流過，以帶走裂變能量，剩余冷卻劑經鈹/鋁組件、鈷靶組件、控制棒導向管及其他旁通流道流出堆芯，再經反應堆下部的出口管流出。CENTER冷卻劑流程如圖1所示。

圖1 CENTER冷卻劑流程Fig.1 Coolant flow in CENTER

為能在流量分配實驗中準確反應原型反應堆中冷卻劑的流動特性，并綜合考慮實驗裝置規模、實驗本體裝配難度及特制流量計研制等因素，確定了采用1∶2的縮比實驗模型。同時在模型設計過程中對原型反應堆的部分結構進行簡化，考慮到中子測量管及溫度測量管數量少，位于吊籃組件外部，且為細長結構，對吊籃內組件間的流量分配影響可忽略不計，因此實驗模型中取消了相應結構。對于控制棒驅動機構，考慮到驅動桿大部分位于反應堆上部的大空腔死水區域，對流量分配的影響很小，因此實驗模型中忽略控制棒驅動桿，僅保留導向管，并通過阻力特性匹配的方式來模擬控制棒。通過上述簡化，可在不影響實驗結果的基礎上降低加工和裝配難度。對于原型反應堆中的各種組件，考慮到其結構復雜，如果完全按照原型進行縮比，會極大提高加工難度和經費，延長實驗周期。因此，在模型實驗中采用簡化結構的模擬組件代替原型組件。在模擬組件設計過程中，采用阻力系數相似的模擬準則，即確保模擬組件與原型組件在額定工況下阻力系數相同，通過改變模擬組件內部阻力調節孔板的開孔直徑來調節阻力系數。另外，模擬組件入口處布置特制流量計用于流量測量。為確保模擬組件能準確地反映原型組件的水力學特性，對于每組模擬組件都需開展單獨的阻力特性標定實驗，確保其額定工況下阻力系數與原型組件阻力系數的相對偏差在±2%以內。模擬組件額定工況下的阻力系數列于表1。對于特制流量計也需進行標定，以獲得其儀表系數。考慮到原型反應堆中組件的總數多達300余組，如果在實驗研究中同時測量每一組模擬組件的流量，勢必會給儀表布置及引線帶來較大困難。經綜合考慮，在CENTER堆芯入口流量分配實驗中，選取了40組模擬燃料組件、典型位置處40組模擬鈹/鋁組件、18組模擬控制棒導向管及4組模擬鈷靶組件進行流量測量。

表1 模擬組件額定工況下的阻力系數Table 1 Resistance coefficient of simulating assembly under rated condition

1.2 實驗裝置

CENTER堆芯入口流量分配實驗在常溫、低壓(溫度小于35 ℃，壓力為0.5～1 MPa)環境下開展，實驗裝置如圖2所示。回路主要參數列于表2。為滿足實驗流量的需求，采用兩回路并聯的方式開展實驗研究。實驗回路主要由主泵、補水泵、冷卻器、穩壓器、文丘里流量計、溫度變送器及相關的閥門和管道構成。在實驗研究中補水系統將水箱的水通過補水泵補充到每個主泵的入口管，對回路和實驗模型充水，同時配合穩壓器在回路運行時保證主泵入口壓力。每條回路流量計均布置在主泵入口段，回路運行時測量反應堆入口管流量。回路和模型設有排氣管，在需排氣時開啟排氣閥。回路兩臺主泵均采用變頻器進行控制，主泵的啟停及回路流量的調節均可通過改變變頻器的頻率來實現。在主泵出入口管之間并聯1臺冷卻器(換熱器)，通過二次水流量調節閥可調節冷卻水流量，控制回路溫度。在主泵出入口管上，裝有壓力測點用于監控主泵出入口壓力。在實驗模型入口主管道上裝有一體化鉑電阻溫度計測量回路水溫。為保證模擬組件入口特制流量計測量的可靠性，在實驗模型入口處安裝專用過濾裝置以控制水質。實驗中所用的儀器、儀表列于表3，所有儀表在使用前均經過專門機構標定，滿足計量需求。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic of test rig

表2 實驗裝置設計參數Table 2 Design parameter of test rig

表3 實驗用儀表Table 3 Instrument used in test

1.3 實驗方法及數據處理

實驗開始時，啟動數據采集系統，便于回路參數的監測，同時啟動補水泵向回路中注入去離子水，并開啟主泵便于回路的排氣。當回路中的空氣完全排出后，關閉排氣閥門，并通過調節主泵頻率的方式調節回路流量至預定工況。當回路流量穩定2 min后，啟動數據采集系統，對實驗模型入口的溫度、壓力數據及模擬組件入口的流量數據進行采集。采集完畢后，調節回路流量至下一工況點，重復上述步驟，直至完成所有工況點的實驗。

實驗中在相同工況下分別測量了模擬燃料組件、鈹/鋁組件、鈷靶組件及控制棒導向管的內部流量。由于原型反應堆中不同類型組件流量的差別較大，在實驗數據處理時，針對同一類型的組件，給出其歸一化的流量分配因子。以模擬燃料組件為例，其流量分配因子的計算方法如下：

(1)

其中：η為流量分配因子；Q為通過單個模擬燃料組件的流量；n為測量到流量的模擬燃料組件的數量；下標i表示第i個模擬燃料組件，f表示模擬燃料組件。

實驗中還給出了不同類型模擬組件的流量份額。以模擬燃料組件為例，其流量份額αf為：

(2)

其中，下標t表示流經某一類型模擬組件的總流量，ba表示模擬鈹/鋁組件，c表示模擬控制棒導向管，co表示模擬鈷靶組件。

考慮到在實驗中并未針對所有模擬燃料組件均安裝特制流量計進行流量測量，同時實驗中還有部分特制流量計損壞，因此本文采用式(3)的方法計算通過某一類型模擬組件的總流量。以模擬燃料組件為例，其總流量為：

(3)

其中，Nf為模擬燃料組件總數。

1.4 實驗工況及不確定度分析

本文分別在高流量及低流量工況下開展了流量分配特性實驗研究，其中高流量工況分別在1 000 m3/h(額定工況)、900 m3/h及800 m3/h流量下開展實驗，低流量工況在350 m3/h流量下開展實驗。

在測量不確定度方面，本文關注流量分配因子，決定流量分配因子的參數為流量，因此流量分配因子不確定度主要來自于流量的不確定度。流量的不確定度主要來自于流量計的不確定度及數據采集系統的不確定度。通過流量的標準不確定度，取置信概率P=0.95、包含因子k=2，可計算得到流量分配因子的擴展不確定度。本文中流量分配因子的最大擴展不確定度為0.004 26。

2 實驗結果分析

2.1 額定工況下的流量分配特性

a——模擬燃料組件；b——模擬鈹/鋁組件；c——模擬控制棒導向管圖3 額定工況下的流量分配因子Fig.3 Flow distribution factor under rated condition

圖3示出額定工況下模擬燃料組件、鈹/鋁組件及控制棒導向管的流量分配因子。由圖3a可看出：對于40組模擬燃料組件，共獲得39組有效流量數據(圖中的“×”表示該位置處的特制流量計失效，未測得相關流量數據)；模擬燃料組件間的流量分配非常均勻，流量分配因子在0.98～1.02之間。對于模擬鈹/鋁組件，共獲得35組典型位置處的流量分配因子。從圖3b可看出，模擬鈹/鋁組件間的流量分配也較均勻，流量分配因子在0.96～1.04之間。對于模擬控制棒導向管，共獲得16組有效的流量數據，其流量分配因子也較均勻，在0.97～1.03之間。對于模擬鈷靶組件，由于其數量較少，僅布置了4個流量測點，獲得3個有效數據，因此本文中不再給出其流量分配因子圖，其流量分配因子在0.99～1.02之間。

從額定工況下的流量分配特性實驗可看出，相對于傳統商用壓水堆，CENTER的同類型組件間的流量分配較為均勻，最大相對偏差不超過±4%。造成該現象的主要原因為：1) CENTER為單環路運行，堆芯上游流場較均勻，冷卻劑經反應堆入口均流裝置后直接進入堆芯上部的大空腔，相對于傳統商用壓水堆有較為充裕的充分發展段；2) CENTER采用了閉式的組件結構，而目前絕大多數商用壓水堆采用開式柵格棒束組件，堆芯區存在冷卻劑強烈的橫向交混現象，由于閉式組件的堆芯沒有冷卻劑的橫向交混，在恒定堆芯壓降下，CENTER中冷卻劑在進入各類組件入口時即分配較為均勻，以匹配堆芯的阻力特性；3) 相對于傳統商用壓水堆，CENTER堆芯壓降很大，根據反應堆內部流道阻力特性實驗研究發現，額定工況下其堆芯壓降超過500 kPa，占整個反應堆進出口壓降的85%以上，較大的堆芯阻力及占比能有效減小各類組件的進出口效應，提高堆芯同類型組件間流量分配的均勻性。

除流量分配因子外，本文進一步根據實驗結果并通過式(3)獲得通過不同類型模擬組件的總流量，并與設計值進行了對比，如圖4所示。由圖4可看出，CENTER中大部分的冷卻劑通過模擬燃料組件內部流過，其比例達到76%左右，其余約25%的冷卻劑作為旁流從模擬鈹/鋁組件、控制棒導向管及鈷靶組件流出。由圖4還可發現，實驗獲得的不同模擬組件的總流量份額與設計值吻合較好，充分證明設計的準確性及實驗的可靠性。

圖4 額定工況下不同模擬組件的總流量百分比Fig.4 Total volume flow proportion of different simulating assemblies under rated condition

2.2 不同入口總流量工況下的流量分配特性

為研究入口總流量對CENTER中各組件入口流量分配特性的影響規律，本文在900、800及350 m3/h 3種入口總流量工況下開展實驗研究，獲得不同類型模擬組件間的流量分配因子。實驗結果表明，在本文工況范圍內，改變入口總流量對同類型模擬組件間的流量分配特性沒有影響。以模擬燃料組件為例，在4種入口總流量工況下(含額定工況)其流量分配因子均在0.98～1.02之間。造成這種現象的主要原因是實驗中模擬燃料組件均采用相同的結構，并進行了標定實驗，確保了阻力特性的一致性。雖然實驗中減小入口總流量會導致模擬燃料組件的阻力系數增加，但每組模擬燃料組件阻力系數變化趨勢一致，且絕對值改變很小，因此流量分配因子不受入口總流量改變的影響。

同時，不同入口總流量下的實驗結果還表明，改變入口總流量對于通過同類型模擬組件流量的百分比影響很小。以模擬燃料組件及鈹/鋁組件為例，本文在1 000、900及800 m3/h 3種入口總流量工況下對比了通過其內部的冷卻劑流量百分比(由于350 m3/h工況下流量較低，有較多的模擬鈹/鋁組件流量計未工作，因此不進行比較)，結果列于表4。

由表4可看出，降低實驗中的入口總流量，對通過模擬燃料組件及鈹/鋁組件的流量份額影響很小。總地說來，通過模擬燃料組件的流量會隨實驗入口總流量的降低而減少，通過模擬鈹/鋁組件的流量會隨實驗入口總流量的降低而增多。造成這種現象的主要原因是由于不同類型模擬組件阻力特性的差別。對于模擬燃料組件，因為其設計流量很高，內部的摩擦阻力占總阻力的份額較大，由于摩擦阻力難以自模，會隨流量(本實驗中溫度變化很小，雷諾數僅與流速相關，物性變化對其影響可忽略)的降低而增加。因此模擬燃料組件在整個流量工況范圍內阻力系數變化相對較大。而模擬鈹/鋁組件設計流量很低，其內部流速也低，阻力特性以形狀阻力為主，形狀阻力易自模，因此在整個流量工況范圍內阻力系數變化較小。綜上所述，隨流量分配實驗入口總流量的降低，模擬燃料組件的阻力系數升高得相對多一些，因此其流量份額會逐漸降低。而模擬鈹/鋁組件的阻力系數升高得相對較少些，其流量份額會逐漸升高。

表4 不同工況下模擬燃料及鈹/鋁組件的流量百分比Table 4 Total volume flow proportion of simulating fuel and beryllium/aluminum assemblies under different conditions

3 結論

本文針對CENTER開展了流量分配實驗研究，獲得不同入口總流量下不同類型模擬組件的流量分配特性。通過對實驗數據的分析，得出以下結論。

1) 由于CENTER堆芯阻力較大，且采用閉式組件結構形式，其堆芯中同類型模擬組件間流量分配較均勻，模擬燃料組件、鈹/鋁組件、控制棒導向管及鈷靶組件的流量分配因子分別在0.98～1.02、0.96～1.04、0.97～1.03及0.99～1.02之間。

2) 流經堆芯的冷卻劑絕大部分經模擬燃料組件及鈹/鋁組件流出，這兩部分的流量占入口總流量的比重分別在76%及20%左右。

3) 改變入口總流量對同類型模擬組件間的流量分配特性幾乎沒有影響，對于同類型模擬組件流量份額的影響也很小。總體而言，降低實驗中的總流量會造成模擬燃料組件流量份額略微降低，模擬鈹/鋁組件流量份額略微升高。