中国实验快堆堆芯围桶开孔对正常运行工况影响的分析

　第28卷　第2期核科学与工程

Vol.28　No.2　2008年　6月Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering

J un.　2008

收稿日期:2007206205;修回日期:2007207202

作者简介:张亚勃(1972—

),男,河北人,助理研究员,硕士,从事热能工程方向研究中国实验快堆堆芯围桶开孔对正常

运行工况影响的分析

张亚勃,杨红义

(中国原子能科学研究院,北京102413)

摘要:堆芯围桶开孔是中国实验快堆(CEFR )事故余热排出系统的重要组成部分之一,是保证该系统形成自然循环排出反应堆事故后剩余发热的关键环节。本文应用通用计算流体力学软件CFX 对CEFR 堆芯围桶开孔对反应堆正常运行工况的影响进行了模拟,计算了在正常工况运行时,CEFR 的反射组件与屏蔽组件热功率对堆芯围桶开孔附近温度场以及流场的影响,给出了堆芯围桶开孔区域的三维温度场、三维流场以及压力分布矢量图。结果表明,目前的设计在满足事故余热排出的要求同时,对反应堆正常运行工况的影响是可以接受的。关键词:堆芯围桶;流场;温度场;事故余热排出

中图分类号:TL43 文献标识码:A 文章编号:025820918(2008)022*******

E ffect analysis of core barrel openings under CEFR normal condition

ZHAN G Ya 2bo ,YAN G Hong 2yi

(China Institnte of Atomic Energy ,Beijing 102413,China )

Abstract :Openings on t he bottom of core barrel are important part of t he decay heat removal system of China Experimental Fast Reactor (CEFR ),which are designed to discharge t he decay heat f rom reactor under accident co ndition.This paper analyses t he effect of t he openings design on t he normal operation condition using t he famouse CFD code CFX.The result indicates t hat t he decay heat can be discharged safely and at t he same time t he effect of core barrel openings on t he normal operation conditio n is accepta 2ble.

K ey w ords :core barrel ;flow field ;temperat ure field ;decay heat removal system

作为我国第一座快堆,CEFR 的安全性备受政府和公众关注。事故余热排出系统是保证反应堆电站安全性能的关键系统之一。CEFR

是世界上特有的仅依靠一回路浸入式热交换器进行事故余热排出的池式快堆。

在CEFR 初步设计阶段,计算表明最初的

21

堆芯围桶密闭式结构在事故工况下排出余热所需的流量不足。在后来的结构设计中,为了解决此问题,在堆芯围桶上开了14个直径为50mm的圆孔,以增加在自然循环下进入堆芯的流量。

但是堆芯围桶开孔问题导致的是比较复杂的三维热工流体问题,简单的一维计算已不能精确评价。由于事故余热排出系统的试验是在围桶已经开孔的基础上进行的,因此为了进一步验证堆芯围桶开孔的安全性与可靠性,并验证堆芯围桶开孔对CEFR在正常工况下运行时的影响,本文就堆芯围桶开孔问题,利用三维热工流体计算软件CFX进行了数值模拟。

计算中将问题的重点放在开孔局部区域。对开孔附近局部区域进行模拟,计算模型包括堆芯以及径向外屏蔽层区域。通过计算得出堆芯围桶开孔处流场及温度场基本情况,计算出开孔处两侧压差,以及开孔处的流量大小及流动的方向。

由于堆芯内结构复杂,如果进行全堆芯及堆内组件的完整模拟,计算网格数量将非常巨大,同时由于不可能完全精确地定义燃料组件、屏蔽层及反射层组件的边界条件,因此,在考虑以上因素后,对模型进行了合理的简化。

1　计算分析

本文使用了大型三维热工流体计算软件CFX进行相关分析计算。A TE公司研制开发的CFX软件是目前最先进的CFD计算软件之一。该软件具有强大的前处理功能,允许用户建立合理的三维模型,将计算区域划分为多个体,并自动生成正四面体的非结构化网格,可以较准确的模拟热传导、对流传热和流固耦合问题;软件本身自带多种湍流模型,针对不同的问题,允许用户选择不同数学模型进行模拟计算;计算收敛性更好;后处理采用友好的用户界面,不仅可以给出三维的温度分布和流场分布,也可以给出任何位置的温度及速度值。

CFX采用压力校正法作为其低速计算模块,该方法采用离散格式,缺省格式是上风与中心相结合的一阶精度杂交型格式,同时备有多种一阶、二阶精度格式供选择。软件自带的湍流模型包括:laminar、zero、k-ε、reynolds、st ress model等,这些湍流模型分别有各自的适用范围,能满足不同专业用户的需要。允许用户添加浮升力、黏性、质量以及热源等各种源项。并且通过接口程序—U SER FOR TRAN,允许用户根据实际需要添加相应的子程序。这些都保证了软件能更好得模拟真实的情况。1.1　计算模型中的简化和边界条件

模型高度取自大栅板联箱至中间热交换器进口位置。由于计算网格数量的限制,并且反应堆的结构和组件布置在周向范围是对称的,因此为了减少网格数量,计算模型选为30°。开孔所连接的区域分别为反应堆堆芯和径向外生物屏蔽区域,通过开孔,钠可以在堆芯与径向外生物屏蔽层之间流动。开孔所在区域为堆芯套筒。模型见图1。计算网格见图2。边界条件及结构参数见表1、2

。

图1　计算模型

Fig.1　Calculation model

121