鈉冷快堆堆外核測量系統(tǒng)熱工數(shù)值模擬

孫賢祖 劉興民 劉林頂

(中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413)

堆外核測量系統(tǒng)，又被稱為堆外中子注量率監(jiān)測系統(tǒng)，其功能是為了準(zhǔn)確地探測核功率和功率變化，是確保核安全的重要系統(tǒng)。堆外核測量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有通風(fēng)系統(tǒng)對其進(jìn)行冷卻，以保證內(nèi)部設(shè)備處于正常工作溫度。

國內(nèi)外學(xué)者對反應(yīng)堆堆坑內(nèi)部的數(shù)值模擬研究已有很多。何培峰等人[1]對華龍一號(hào)反應(yīng)堆的一體化堆頂通風(fēng)結(jié)構(gòu)建立三維模型，研究了在不同通風(fēng)量下CRDM線圈組件之間的氣流速度和壓降分布情況。張志強(qiáng)等人[2]采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對堆頂流場和局部熱點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對堆頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。陳宇清等人[3]通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，研究了環(huán)形夾層入口水溫、環(huán)形夾層外部風(fēng)速等因素對環(huán)形夾層內(nèi)自然對流傳熱的影響。習(xí)蒙蒙等人[4]利用三維數(shù)值模擬方法，研究了某三代壓水堆堆坑不同進(jìn)風(fēng)方向和不同進(jìn)風(fēng)參數(shù)條件下，反應(yīng)堆堆坑通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的流場與溫度場分布情況。馬崇揚(yáng)等人[5]計(jì)算了喪失外電源事故下中國實(shí)驗(yàn)快堆堆坑內(nèi)部的溫度分布。王予燁等人[6]利用CFD軟件對正常運(yùn)行工況下的示范快堆堆坑空氣流域進(jìn)行三維數(shù)值模擬。HUNG T C 等人[7]以SAFR為設(shè)計(jì)參考，對反應(yīng)堆非能動(dòng)空冷系統(tǒng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。CRAH A 等人[8]使用CFD 方法對歐洲鈉冷快堆反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)在堆坑內(nèi)的余熱排出能力進(jìn)行了分析。SONG M S等人[9]利用CFD方法計(jì)算了冷卻劑在壓力容器間隙中的流速和壓力分布，并研究了熱工水力方面的瞬態(tài)變化。目前以堆外核測量系統(tǒng)為研究對象的研究尚有不足。

為驗(yàn)證示范快堆堆外核測量系統(tǒng)已有的通風(fēng)系統(tǒng)，為一體化對系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，文章通過建立真實(shí)堆外核測量系統(tǒng)計(jì)算模型，計(jì)算和分析了不同進(jìn)風(fēng)口位置、進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)溫度對系統(tǒng)內(nèi)部溫度場與流場的影響。

1 堆外核測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通風(fēng)系統(tǒng)

示范快堆堆外核測量系統(tǒng)位于堆容器外側(cè)堆坑混凝土環(huán)墻中的封閉方腔中，方腔前部有石墨-鉛屏蔽裝置，系統(tǒng)本體由多個(gè)石墨塊體組成，外部覆有鋼覆面，底部由多個(gè)混凝土柱支撐。方腔上方有14 個(gè)堆外電離室通道傾斜插入系統(tǒng)，通道中用于放置探測器。堆外核測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 堆外核測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

堆外核測量系統(tǒng)冷卻空氣由方腔下前處4個(gè)送風(fēng)口送入，送風(fēng)口半徑為125 mm。冷卻空氣一部分由堆外電離室通道流出，對系統(tǒng)本體及電離室通道內(nèi)探測器進(jìn)行冷卻，另一部分則在系統(tǒng)和方腔的間隙中進(jìn)行冷卻，并由方腔后上方的5個(gè)排風(fēng)口流出，排風(fēng)口半徑為55 mm。為確保電離室通道內(nèi)探測器正常運(yùn)行，須保證測量精度，堆外核測量通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求則要保證系統(tǒng)探測器正常工作環(huán)境即電離室通道內(nèi)溫度不高于45 ℃。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 系統(tǒng)模型

三維幾何模型采用SpaceClaim 軟件進(jìn)行建模，模型以石墨-鉛屏蔽板為前邊界，其余面以混凝土表面上的鋼覆面為邊界。模型中固體域包括混凝土支柱、系統(tǒng)內(nèi)部組件、電離室通道等，環(huán)腔和電離室內(nèi)部區(qū)域?yàn)榱黧w域。建模時(shí)對模型中不影響計(jì)算精度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚怼Ｓ?jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

2.2 網(wǎng)格模型、邊界條件及計(jì)算方法

本文采用ANSYS mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對形狀規(guī)則的幾何模型，如系統(tǒng)內(nèi)部的石墨塊體，采取六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分；對流體域和固體域交界的復(fù)雜區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對進(jìn)出分口等區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

為進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，分別建立5 組不同網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果具體見圖3。由圖3 可以看出，網(wǎng)格數(shù)量從233萬增長到348萬時(shí)，電離室通道和后出口的平均溫度基本沒有變化。基于上述網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終網(wǎng)格總體數(shù)量選定為292萬。網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

圖4 網(wǎng)格模型

邊界條件的設(shè)置參照已有的相關(guān)模擬研究[4,6-7]。其中進(jìn)口邊界條件中，空氣設(shè)置為理想氣體，進(jìn)風(fēng)溫度參照通風(fēng)手冊設(shè)定為25 ℃，進(jìn)風(fēng)速度根據(jù)通風(fēng)手冊規(guī)定進(jìn)風(fēng)量7 000 m3/h 與進(jìn)風(fēng)口面積計(jì)算為9.9 m/s。壁面溫度的設(shè)置上，遠(yuǎn)離堆坑方向的后壁面溫度選定為40 ℃，其余壁面的溫度選混凝土壁面最高溫度50 ℃，以保證計(jì)算的保守性，其中石墨-鉛屏蔽壁面額外添加來自堆容器保溫層的80 ℃輻射熱源。石墨塊發(fā)熱量為1×10-4W，可忽略不計(jì)。

空氣進(jìn)口為速度入口，出口為壓力出口，指定為靜壓，湍流模型采用理想k-epsilon模型，近壁面處理采用enhanced wall treatment 壁面函數(shù)，壓力速度耦合選用Coupled方法。并在豎直方向加入重力作用。

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)工況下流場與溫度場

以進(jìn)風(fēng)溫度25 ℃、進(jìn)風(fēng)速度9.9 m/s為基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，以探究堆外核測量系統(tǒng)內(nèi)部流暢及溫度場特征。圖5為石墨-鉛屏蔽壁面溫度云圖，屏蔽板底部因靠近送風(fēng)口，與冷卻空氣接觸最為直接，呈現(xiàn)出相對低溫的區(qū)域。冷卻空氣進(jìn)而流入上方屏蔽板與箱體間隙，對屏蔽板進(jìn)行冷卻，但隨著冷卻空氣吸熱升溫，冷卻效果逐漸降低，屏蔽板中間區(qū)域的溫度從下至上呈現(xiàn)升高的趨勢。屏蔽板兩側(cè)區(qū)域因與較大空間的兩側(cè)間隙相連，冷卻空氣不斷流出，故散熱效果最差，溫度最高。

圖5 石墨-鉛屏蔽壁面溫度云圖

圖6 為系統(tǒng)流線圖和后出口處速度矢量圖，由圖可以看出，冷卻空氣自下方進(jìn)風(fēng)口流入后，一部分從三排共14根堆外電離室通道中流出，其余部分則流經(jīng)各個(gè)面間隙，最終匯流并從后出風(fēng)口流出。利用Fluent計(jì)算各出風(fēng)口質(zhì)量流量，算得堆外電離室通道出口質(zhì)量流量總計(jì)1.52 kg/s，后出風(fēng)口質(zhì)量流量總計(jì)0.74 kg/s。堆外電離室通道通風(fēng)量約為后出風(fēng)口通風(fēng)量的一倍，原因是電離室通道與后出風(fēng)口相比距離送風(fēng)口更為接近，且電離室通道入口均勻分布在下間隙流道中，導(dǎo)致通道分流的流量更大。

圖6 流線圖和后出口處速度矢量圖

表1為堆外核測量系統(tǒng)各部位溫度值，由表1數(shù)據(jù)可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，電離室通道出風(fēng)口、系統(tǒng)后出風(fēng)口和系統(tǒng)箱體平均溫度均小于設(shè)計(jì)要求規(guī)定的45 ℃。電離室出風(fēng)口平均溫度低于后出風(fēng)口平均溫度，原因是電離室通道中空氣流量要高于外部流量，且電離室通道流道簡單，流程短；箱體外部流道復(fù)雜，流程長，冷卻空氣需流經(jīng)各個(gè)方向間隙，并與高溫混凝土墻體直接接觸進(jìn)行換熱，故后出風(fēng)口溫度要更高。

表1 堆外核測量系統(tǒng)各部位溫度 （單位：℃）

3.2 不同進(jìn)風(fēng)口位置計(jì)算結(jié)果

保持進(jìn)風(fēng)溫度，進(jìn)風(fēng)速度不變，通過改變進(jìn)風(fēng)口位置進(jìn)行數(shù)值模擬，以探究進(jìn)風(fēng)口位置對通風(fēng)冷卻的影響。進(jìn)風(fēng)口位置調(diào)整如圖7所示。其中，位置1為現(xiàn)有方案中下送風(fēng)口位置，對比方案將送風(fēng)口向遠(yuǎn)離堆坑方向布置，即位置2、位置3處，

圖7 底視圖及進(jìn)風(fēng)口位置調(diào)整示意圖

對比結(jié)果如表2所示，其計(jì)算結(jié)果表明，隨著送風(fēng)口位置不斷遠(yuǎn)離堆容器方向，堆外電離室通道上出口平均溫度呈上升趨勢，后出口平均溫度呈下降趨勢。比較各組數(shù)據(jù)側(cè)切面速度矢量圖可知，流程變長，流道變復(fù)雜是電離室通道出口溫度上升的原因。系統(tǒng)箱體溫度及各出口質(zhì)量流量并無明顯變化。

表2 各組數(shù)據(jù)結(jié)果

3.3 不同進(jìn)風(fēng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

保持送風(fēng)位置不變，通過改變送風(fēng)溫度、送風(fēng)量以探究通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)變化對堆外和測量系統(tǒng)工作環(huán)境的影響。

第一組數(shù)據(jù)保持進(jìn)風(fēng)速度為9.9 m/s，依次將進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)置為20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃，并記錄各組數(shù)據(jù)的電離室出口平均溫度、后出口平均溫度及箱體平均溫度，計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可以看出，各項(xiàng)平均溫度基本隨進(jìn)風(fēng)溫度線性增長。當(dāng)送風(fēng)溫度設(shè)定為45 ℃時(shí)，電離室通道出口平均溫度已上升至46 ℃，箱體平均溫度上升至47.3 ℃，超過設(shè)計(jì)要求規(guī)定的45 ℃溫度限值，因此，堆外核測量系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)在正常工作時(shí)應(yīng)確保送風(fēng)溫度不高于45 ℃。

第二組數(shù)據(jù)保持進(jìn)風(fēng)溫度為25 ℃，分別將進(jìn)風(fēng)速度設(shè)置為6 m/s、8 m/s、12 m/s，并記錄各組數(shù)據(jù)的電離室出口平均溫度、后出口平均溫度及箱體平均溫度，計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。從圖中可以看出，隨著進(jìn)風(fēng)速度的增加，各項(xiàng)平均溫度均逐步降低，但降低的幅度有限，送風(fēng)量的影響不及進(jìn)風(fēng)溫度的影響深。在對堆外核測量系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)更注重對送風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

本文利用CFD 軟件對不同送風(fēng)參數(shù)與進(jìn)風(fēng)位置的情況下對示范快堆堆外核測量系統(tǒng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論。

（1）計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)工況下，即進(jìn)風(fēng)溫度25 ℃、進(jìn)風(fēng)量7 000 m3/h，堆外核測量系統(tǒng)內(nèi)部各部位溫度值，結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)工況下堆外核測量系統(tǒng)能夠在設(shè)計(jì)要求的溫度限制內(nèi)工作。

（2）進(jìn)風(fēng)口位置遠(yuǎn)離堆容器方向會(huì)使得堆外電離室通道出口平均溫度上升，方腔后出口平均溫度下降，但對核測量系統(tǒng)整體溫度變化影響不大，后續(xù)反應(yīng)堆可根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)要求對進(jìn)風(fēng)口位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

（3）與進(jìn)風(fēng)量相比，進(jìn)風(fēng)溫度對核測量系統(tǒng)的溫度變化影響更為顯著，在設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程中，應(yīng)更多地對進(jìn)風(fēng)溫度做出調(diào)整。

本文計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，流場與溫度場分布特征可為后續(xù)一體化快堆相應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)提供參考。