示范快堆堆坑通風冷卻三維數值模擬

王予燁，馮預恒，周志偉

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

示范快堆堆容器整體置于鋼筋混凝土澆筑的堆坑中，堆坑是反應堆一回路系統最外層熱邊界。由于鈉冷快堆堆內溫度很高，為減少堆內熱量損失，堆容器及堆頂貫穿件外部有保溫層覆蓋，但上述設備向堆坑的散熱量仍較大。為保證堆坑混凝土溫度不超過70 ℃的限值[1]，設置有堆坑通風系統對堆坑內設備進行強迫循環冷卻。另外，保溫層是主容器、主泵支承和熱交換器支承等大型貫穿件的熱邊界，通風系統也應盡量使保溫層溫度分布更為均勻，減少上述設備因不均勻溫度場產生的熱應變。

對于堆坑內部溫度場數值研究已有很多。馬崇揚等[2-3]對中國實驗快堆堆坑在喪失外電源事故下的溫度分布進行了二維數值模擬，并以中國實驗快堆堆坑為原型，采用有限容積法對具有導熱的豎環形封閉腔內自然對流進行了二維層流穩態數值研究。喬雪冬等[4]對全廠斷電事故工況下，中國實驗快堆堆容器溫度場及散熱進行了三維數值模擬。李朝君[5]利用CFD軟件計算了中國實驗快堆堆容器溫度場。Zmindak等[6]對核反應堆外部的堆坑混凝土結構進行了熱力耦合瞬態分析。Hung等[7]以SAFR為設計參考，對反應堆非能動空冷系統進行了三維數值模擬。以示范快堆堆坑為對象的三維數值研究尚不全面。

為檢驗示范快堆堆坑通風系統布置的合理性，探尋優化方向，并得到堆坑內部詳細的流場及溫度場，為一回路系統熱工計算提供邊界條件，本文使用CFD軟件對正常運行工況下的示范快堆堆坑進行三維穩態數值模擬。

1 堆坑結構及通風系統

堆坑整體呈圓柱狀，頂部由堆頂固定屏蔽密封，固定屏蔽下方是堆容器錐頂蓋，錐頂蓋上有27個大小不一的貫穿件伸入固定屏蔽，堆容器主體部分是主容器和保護容器組成的雙層結構，堆容器及貫穿件外部由保溫層覆蓋，堆容器及堆內構件重量由下支承裙座傳遞給堆坑支承基礎。堆坑空氣流域高為19 895 mm，混凝土內壁半徑為8 710 mm，堆容器保溫層外壁半徑為8 010 mm。堆坑結構如圖1所示。

堆坑通風系統流程如圖2所示。冷卻空氣進口分為3類：第1類為堆坑下部進口，共10個，半徑為198 mm，在堆坑混凝土內壁下部鄰近下裙座位置沿周向排布；第2類為下裙座，進口1個、出口5個，與堆坑直筒段流域連通，進、出口半徑皆為300 mm；第3類為堆頂固定屏蔽進口，共27個，冷卻完堆頂固定屏蔽內部的空氣沿固定屏蔽與貫穿件間的環隙進入堆坑。冷卻空氣對堆坑內設備進行冷卻后，由堆坑10個出風口排出，出風口在堆坑混凝土內壁上部鄰近錐頂蓋位置沿周向排布，半徑為274 mm。

圖1 堆坑結構Fig.1 Structure of reactor pit

圖2 堆坑通風系統流程Fig.2 Flow of reactor pit ventilation system

2 計算模型

堆坑內部結構復雜，尺度變化大，錐頂蓋區域進風口較多，排布密集，為模擬錐頂蓋區域真實的進風狀態，減少進口間的相互影響，保留了貫穿件與固定屏蔽豎直的環隙流道，建立了與示范快堆堆坑及保溫層外壁尺寸1∶1的計算模型。

2.1 計算邊界條件

固定屏蔽中的冷卻空氣由貫穿件頂端的環狀進口進入堆坑，計算模型如圖3所示，進口邊界取值列于表1。

圖3 計算模型Fig.3 Computational model

進口類型進風量/(m3·h-1)進風溫度/℃堆坑下部進口1 73018下裙座進口5 00018支承徑進口14 10655提升機進口68055換料機進口39055IHX進口4 48055電離室進口15055液位計、溫度計進口22055主泵進口92055DHX進口1 29055充排鈉管進口12055

由于堆內溫度分布復雜，堆容器不同部件工作環境溫度差異較大，計算時為體現不同貫穿件間的溫差，取其各自內壁的平均溫度作為計算輸入，錐頂蓋壁面分類如圖4所示，平均溫度取值列于表2。主容器內壁溫度取其正常運行工況下的最高溫度380 ℃，保證計算的保守性。

2.2 網格模型及計算方法

本文采用Hypermesh軟件對流體域邊界進行面網格劃分，并對冷卻空氣進出口、堆頂貫穿件外壁等流動換熱較劇烈位置的網格進行加密。將面網格導入CFD軟件Fluent的meshing模塊生成了對復雜幾何適應性好的多面體網格。

1——DHX支承內壁；2——IHX支承內壁；3——支承徑內壁；4——電離室內壁；5——換料機內壁；6——提升機內壁；7——溫度計、液位計內壁；8——主泵支承內壁；9——錐頂蓋內壁；10——充排鈉管內壁圖4 錐頂蓋壁面分類Fig.4 Classification of conical top cover wall

壁面編號平均溫度/℃13512309312141625100610071838300934710215

網格敏感性分析及網格模型如圖5所示。由圖5a可見，網格數從400多萬變化到900多萬時，空氣出口流量、出口平均溫度和混凝土內壁平均溫度基本沒有變化，因此本工作選擇的網格數為700萬，最大單元扭曲率為0.7。網格模型及局部加密如圖5b所示。

使用Fluent軟件做數值計算，流體介質為空氣，設置為理想氣體，參照文獻[8-11]中計算參數設定，采用RNGk-ε湍流模型，選取Enhanced wall treatment壁面函數處理近壁面流動[12]，壓力速度耦合選用SIMPLE方法，對流插值格式設定二階迎風格式，空氣出口為壓力出口，指定為靜壓(gauge)。為使計算更為貼近實際，在豎直方向上加入重力，輻射換熱模型選取DO模型。

圖5 網格敏感性分析(a)及網格模型(b)Fig.5 Analysis of mesh sensibility (a) and mesh model (b)

a——圓柱截面；b——空氣速度矢量圖；c——修改標尺云圖；d——空氣溫度分布；e——匯集線下部溫度分布圖6 堆坑豎直流域流場及溫度場分布Fig.6 Distribution of flow field and temperature field in vertical flow region of reactor pit

3 數值計算與結果分析

3.1 堆坑豎直流域流場及溫度場

為探究堆坑流域整體特征，選取圖6a所示的混凝土內壁與堆容器間的圓柱截面，繪制了截面上的流場與溫度場。由圖6b可看出，整體流域可分為3個區域：1區為錐頂蓋流域，由于冷卻空氣出口位于此區域，堆坑上下進口的空氣向此區域匯集，互相攪混后流動向出口偏移；2區為直筒段流域，由下部進口進入的空氣在此區域內的流向均勻，豎直向上流向出口；3區為下進口流域，堆坑下部進口空氣與下支承裙座5個出口流出的空氣在此區攪混，空氣沿進出口向四周散開。圖6c為修改速度標尺后的云圖，可明顯看到周向流速的差異，受出口低壓影響，出口下方帶狀區流速稍高。

截面上的空氣溫度分布如圖6d所示，圖中上下進口空氣匯集線兩側溫差明顯，這是因為上部固定屏蔽進口空氣溫度已達到55 ℃，且上部存在較多高溫貫穿件，導致上部空氣溫度較高。圖6e為匯集線下部空氣溫度分布，由于下部進口空氣上升過程中帶走堆容器釋熱，所以溫度逐漸升高。

3.2 空氣出口附近流場

堆坑內空氣最終都由上部10個出口排出，因此空氣出口附近就是上下空氣匯集區。圖7示出出口位置與流場。圖7b為出口縱切面流場云圖，圖中箭頭1、2、3分別表示貫穿件進口空氣、支承徑進口空氣、堆坑下部進口空氣流向。結合圖7a可知，由于出口在豎直方向上位置的影響，冷卻錐頂蓋區域空氣的主要來源為固定屏蔽進口的高溫空氣，而堆坑下部進口空氣參與較少，且錐頂蓋區域空氣流向近似于橫向流，這會使上下進口空氣混合不均勻，導致上部空氣溫度較高，錐頂蓋冷卻效果減弱，所以出口高度位置有待優化。

a——出口豎直方向位置；b——出口縱切面速度矢量圖7 出口位置與流場Fig.7 Outlet position and flow field

3.3 錐頂蓋區域流場及溫度場

a——錐形截面示意；b——截面速度分布；c——截面速度矢量圖圖8 錐頂蓋截面與流場Fig.8 Section and flow field of conical top cover

錐頂蓋截面及流場示于圖8，由圖8b、c可知，貫穿件兩側及間隙處的流速要大于周圍區域，且在大型貫穿件圍成的紅圈區域內空氣流量明顯很少，且流向多變，這些區域的空氣流通不暢。原因是大尺寸的貫穿件阻礙空氣流動，流量大多向阻力較小的間隙處分配。

上述流場勢必會影響溫度分布。圖9示出錐頂蓋保溫層溫度分布，圖中紅圈內出現5個高溫區，這是由于受到圖7中流場影響，紅圈區域的空氣流通不暢，熱量不能被及時帶走，冷卻效果減弱。

圖9 錐頂蓋保溫層溫度場Fig.9 Temperature field of thermal insulation layer of conical top cover

主泵及熱交換器支承保溫層外壁溫度分布如圖10所示。DHX保溫層(圖10a)呈現了內圈熱外圈涼的溫度分布，而IHX保溫層(圖10b)與主泵保溫層(圖10c)則為兩側肩部溫度高，此趨勢與圖9中的5個高溫區對應，在空氣流通不暢的位置溫度較高。

a——DHX保溫層；b——IHX保溫層；c——主泵保溫層圖10 主泵及熱交換器保溫層的溫度場Fig.10 Temperature field of thermal insulation layer of main pump and heat exchanger

3.4 堆容器保溫層及混凝土內壁溫度場

堆容器保溫層及混凝土內壁溫度場如圖11所示，保溫層與混凝土溫度均是沿高度遞增，在錐頂蓋區域溫度升高明顯。保溫層最高溫度為122.9 ℃，混凝土最高溫度為50.7 ℃，均出現在上部堆坑出口附近。這是由于下部冷卻空氣上升過程中帶走堆容器的釋熱，溫度升高，導致了下部冷卻效果強于上部。而上部高溫區的出現主要是錐頂蓋區域的高溫空氣作用的結果。由圖11a可見保溫層周向也存在溫差，結合圖6b可知，這是直筒段空氣周向流速差異所導致的。

圖11 堆容器保溫層(a)及混凝土(b)的溫度場Fig.11 Temperature field of reactor vessel’s thermal insulation layer (a) and concrete (b)

3.5 下裙座區域流場及溫度場

下裙座區域的流場及溫度場如圖12所示，下裙座區域內的流速分布很不均勻，這是因為下裙座為高流速單進口，冷卻空氣沖入下裙座后，被球形的下封頭分流，進口遠側半邊的流速要高于近側。這種流速的不均勻性也造成了堆容器下封頭的溫度不均勻，高溫區出現在進口冷卻空氣流動方向兩側。

a——下裙座空氣進口縱剖面速度云圖；b——下裙座空氣進口橫切面速度云圖；c——下封頭保溫層外壁溫度分布圖12 下裙座區域的流場及溫度場Fig.12 Flow field and temperature field in lower skirt region

4 結論

本文使用CFD軟件對正常運行工況下示范快堆堆坑流域進行了三維數值模擬，得到如下結論。

1) 計算得到堆坑內空氣流場、溫度場以及保溫層外壁、混凝土內壁的溫度分布情況，混凝土最高溫度為50.7 ℃，留有一定的安全裕度。

2) 堆坑空氣出口附近為上、下進口空氣的匯集區，影響冷卻空氣的混合，目前錐頂蓋區域保溫層溫度分布很不均勻，建議將出口下移，以改變錐頂蓋區域空氣流向，改善此區域保溫層冷卻效果；直筒段空氣周向速度存在差異，建議調整堆坑上、下進出口周向相對位置，使豎直流場分布更為均勻。

3) 下支承裙座內流速差異較大，下封頭保溫層溫度分布不均勻，建議調整下裙座進出口相對位置或個數，減小進口流速，使流場更為均勻。

本文計算所得保溫層外壁溫度數據可作為主容器及貫穿件支承熱工計算外部邊界條件，堆坑內流場與溫度場分布特征可為示范快堆堆坑優化設計提供參考。