反應堆壓力容器安注接管嘴熱工水力瞬態(tài)分析

王保平 于德勇 韓 冰

（中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

當安注系統(tǒng)向壓力容器注入冷流體，將導致壓力容器內(nèi)壁金屬受到冷沖擊設計瞬態(tài)發(fā)生時，安注系統(tǒng)向壓力容器注入冷流體，將導致反應堆壓力容器接管嘴受到較強的冷沖擊。為詳細評價該工況下壓力容器管嘴的結構完整性，本文利用計算流體力學方法，詳細計算了該工況下反應堆壓力容器安注接管嘴及壓力容器內(nèi)壁面的溫度分布。本文考慮的設計瞬態(tài)有安注系統(tǒng)誤動作和反應堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓兩類工況。

安注系統(tǒng)誤動作：假定冷水注入要維持10 min。兩臺高壓安注泵向反應堆冷卻劑系統(tǒng)注水。安注管線中冷水和硼注入箱的水注入反應堆冷卻劑系統(tǒng)，在瞬態(tài)開始600 s后，安注水為來自換料水箱中的水。

反應堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓：假定冷水注入要維持10 min。這個瞬態(tài)不同于“安注系統(tǒng)誤動作”瞬態(tài)，在這個瞬態(tài)中，安注流量更大，管線中的水和硼注入箱中的水排放時間要短。

基于以上兩種工況，對力容器安注接管嘴及壓力容器內(nèi)壁面的溫度分布開展仿真研究。

1 計算模型

建模時重點考慮了反應堆壓力容器內(nèi)、吊籃外的冷卻劑流動區(qū)域，而對其他不影響流體流動的區(qū)域進行了適當?shù)睾喕?/p>

壓力容器筒體模型如圖1所示（其中圖1（a）為仰視圖），模型保留了主管道冷段接管嘴和安注接管嘴，以及主管道熱段接管嘴在壓力容器內(nèi)的部分。為了簡化模型并便于計算，建模過程中取消了壓力容器的上封頭和下封頭，截取筒體高度7 m，主管道和安注接管嘴中心位于距筒體上端面1.9 m高度平面上，吊籃外壁和筒體內(nèi)壁在整個筒體高度范圍內(nèi)直徑保持均一，且不考慮堆焊層的厚度。計算過程中流動區(qū)域上部邊界定義為壁面邊界，計算中不考慮旁流；下部邊界定義為出口邊界，不考慮冷卻劑向堆芯的流動。本文利用商業(yè)計算流體力學軟件ANSYS CFX 10.0計算。網(wǎng)格為結構化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為100萬。湍流計算模型采用工程中常用的k-ε模型。瞬態(tài)模擬時間為600 s。

圖1 壓力容器物理模型

2 材料物性

反應堆冷卻劑為含硼水，其密度、定壓比熱、動力粘度等物性參數(shù)隨溫度有較明顯的變化。設計瞬態(tài)過程流體溫度區(qū)間較大（40～291.6℃），因此，為反映瞬態(tài)過程流體溫度信息和導熱性能，計算時必須考慮流體物性隨溫度的變化。

另外，金屬的導熱性能也會嚴重影響流體與金屬之間的熱量傳遞。由于壓力容器筒體內(nèi)壁有金屬材料堆焊層，本報告在建模時沒有考慮堆焊層的厚度，但該金屬材料的傳熱性能是影響金屬壁面溫度的重要因素。因此在計算時，根據(jù)堆焊層金屬材料傳熱性能選定計算模型中金屬材料的熱傳導系數(shù)和定壓比熱參數(shù)。

3 瞬態(tài)過程假設

本文選擇可以包絡性較強的安注系統(tǒng)誤動作和反應堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓兩個瞬態(tài)進行分析，瞬態(tài)開始后從安注接管注入的流體溫度在2 s內(nèi)從291.6℃下降到40℃，該時間過于保守且不能反應真實的瞬態(tài)過程。安注接管嘴與上游的第二道止回閥之間的管線長度為5.67～6.28 m，假設在瞬態(tài)開始前這一段管線內(nèi)的流體沿著管道的走向溫度由高到低呈線性分布，瞬態(tài)剛開始的一段時間，注入壓力容器的流體為這一段管道內(nèi)的流體，之后才是止回閥后來自換料水箱內(nèi)的冷流體。根據(jù)這一段的管道長度和瞬態(tài)下的安注流速，可以計算得到瞬態(tài)開始后從安注接管注入流體的降溫時間（從291.6℃下降到40℃）。因此，對于安注系統(tǒng)誤動作瞬態(tài)，安注接管嘴注入的流體降溫時間為30 s，對于反應堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓瞬態(tài)，安注接管嘴注入的流體降溫時間為20 s。

4 計算結果及分析

本文計算得到了瞬態(tài)發(fā)生時安注接管嘴和壓力容器內(nèi)壁面的溫度分布，在壓力容器內(nèi)壁面上選擇有代表性的16個點（見圖2和圖3）。這些點的溫度隨時間變化的關系見圖4和圖5。

圖2 安注系統(tǒng)誤動作瞬態(tài)取點位置

圖3 反應堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓瞬態(tài)取點位置

圖4 安注系統(tǒng)誤動作瞬態(tài)計算結果

圖5 反應堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓瞬態(tài)計算結果

同時，計算得到了瞬態(tài)發(fā)生時RPV內(nèi)部流動空間的流場及壓力分布。兩種瞬態(tài)下，由安注接管注入的流體在穩(wěn)態(tài)時的流線見圖6，由于主管道冷段注入的流速較高的流體的影響，由安注接管注入的流體在進入壓力容器后先向上流動，然后向下，在冷段接管嘴附近出現(xiàn)了一個漩渦后沿出口方向流出。本文以安注系統(tǒng)誤動作瞬態(tài)為例，針對上述流動現(xiàn)象，做簡要分析。

圖6 安注接管處流體流線（600 s時）

從主管道冷段入口進入的流體速度為16.9 m/s，進入壓力容器后直接沖擊在吊蘭外壁上，高速的流體在沖擊吊蘭外壁之后，沿著吊蘭外壁呈發(fā)散狀向四周流動，如圖7所示。在水平橫截面上會形成吊蘭附近流體流速較高，而壓力容器內(nèi)壁附近流體流速較低的流場速度分布，如圖8（a）所示（所取截面標高為安注接管中心高度）。主管道冷段接口處流速較高，而在安注管接口處附近流速較低，兩側(cè)的高速流體在這里進行對沖，其速度降低，而靜壓增高，如圖8（b）所示。由于安注接管處的靜壓相對主管道冷段入口附近的靜壓要高，使流體在壓力容器側(cè)出現(xiàn)回流。同理，在安注接管入口下部附近由于流體對沖產(chǎn)生的局部高壓會在壓力容器內(nèi)壁側(cè)出現(xiàn)一個向四周發(fā)散的流動，其發(fā)散中心的位置大致位于其接入口下部500 mm處，但這一位置會受到安注管接入點以及主管道熱段的影響。

圖7 安注接管處流體流線（600 s時）

圖8 主管道中心標高位置水平橫截面速度及壓力分布

5 結語

本文利用計算流體力學（CFD）方法，得到了瞬態(tài)過程的反應堆壓力容器及其安注接管嘴金屬內(nèi)壁的溫度分布，可作為詳細評價該工況下壓力容器管嘴的結構完整性的支撐。