反應(yīng)堆壓力容器與堆內(nèi)構(gòu)件接管的熱態(tài)間隙計(jì)算

于雷 關(guān)欣

摘 要：文章以RV接管與CB接管的熱態(tài)間隙計(jì)算為例，對(duì)其熱態(tài)間隙進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果經(jīng)與上游總體設(shè)計(jì)單位確認(rèn)，能夠保證堆內(nèi)構(gòu)件的總體旁漏流量，符合總體工藝設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：核電；接管；熱態(tài)間隙

堆內(nèi)構(gòu)件安裝在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，起著精確定位、支承堆芯燃料組件、引導(dǎo)堆內(nèi)冷卻劑流向、將反應(yīng)堆內(nèi)核裂變產(chǎn)生的熱量輸出等功能。運(yùn)行期間承受高溫、高中子注量的輻照和冷卻劑的腐蝕，運(yùn)行條件十分苛刻，是國際上公認(rèn)的核電站關(guān)鍵設(shè)備之一。

由于堆內(nèi)構(gòu)件（RVI）和反應(yīng)堆壓力容器（RV）之間存在諸如RV接管與吊蘭筒體（CB）接管；燃料組件（CS）與堆芯上板；RV底封頭與二次支承（SCSS）基礎(chǔ)板；堆芯上板與堆芯圍筒等眾多安裝接口，其接口熱態(tài)間隙對(duì)后續(xù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型以及不同的結(jié)構(gòu)判定有著重要意義。本文以某堆型RV接管與CB接管的熱態(tài)間隙計(jì)算為例（見圖1），對(duì)在高溫、高壓環(huán)境下堆內(nèi)構(gòu)件、反應(yīng)堆壓力容器間的熱態(tài)間隙進(jìn)行計(jì)算。

文中計(jì)算出了反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件在正常穩(wěn)定工況（或者最佳評(píng)估狀態(tài)）時(shí)兩部位的熱態(tài)間隙。間隙值基于名義尺寸計(jì)算。然而，對(duì)于有些部位的間隙，在正常工況下，最大或最小冷態(tài)間隙也被考慮（例如溫度，壓力等）。冷態(tài)間隙根據(jù)壓力的影響和液體以及金屬溫度進(jìn)行校正。

計(jì)算工況中所需的溫度取決于分析的位置。反應(yīng)堆壓力容器出口接管和堆內(nèi)構(gòu)件出口接管受容器出口溫度的影響。如果壓力的影響很顯著時(shí)，計(jì)算熱態(tài)間隙時(shí)應(yīng)該包括壓力的影響。壓力影響主要局限于CB或者CS壓力的增長(zhǎng)；由于CS結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，壓力從詳細(xì)的有限元分析中獲得；對(duì)于CB而言，壓力的增長(zhǎng)近似地取下述方程式的值。反應(yīng)堆壓力容器與反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)多樣，在壓力作用下類如球形封頭、開口圓柱容器、閉口圓柱容器等結(jié)構(gòu)的變形在《羅氏應(yīng)力應(yīng)變公式手冊(cè)》中均有對(duì)應(yīng)的定義表達(dá)。

由圖1可見，由于安裝需要堆內(nèi)構(gòu)件出口接管外半徑和反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)口接管內(nèi)側(cè)臺(tái)肩必須留有一定的間隙，這個(gè)間隙的存在會(huì)使得流經(jīng)堆芯加熱的冷卻劑返回到反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，而無法將堆芯的熱量帶出去形成有效流量。從眾多間隙流出的熱態(tài)冷卻劑被稱為旁漏流量，總體設(shè)計(jì)規(guī)定整個(gè)堆芯的旁漏流量小于全部流量的5.9%。較大的間隙將會(huì)使反應(yīng)堆在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生過大的旁漏流量；而過小的冷態(tài)間隙會(huì)使得堆內(nèi)構(gòu)件在反應(yīng)堆運(yùn)行瞬態(tài)情況下發(fā)生顯著的永久變形。因此，熱態(tài)間隙計(jì)算是必須而且重要的。

假設(shè)RVI不產(chǎn)生變形的情況下，反應(yīng)堆壓力容器在壓力和溫度的影響下會(huì)產(chǎn)生徑向膨脹，使得間隙變大；對(duì)于RV接管而言，壓力和溫度的影響使其沿自身徑向膨脹，該形變對(duì)間隙沒有影響。而高溫工況會(huì)使RV接管的臺(tái)肩向RV中心產(chǎn)生形變，間隙變小。假設(shè)RV不產(chǎn)生變形的情況下，CB由于冷卻劑流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生外壓，使得間隙變大；而高溫工況使得CB及CB接管產(chǎn)生徑向形變，使得間隙變小。因此，在溫度、壓力載荷下RV的變形趨勢(shì)使得間隙變大，而RV接管臺(tái)肩、CB接管的變形趨勢(shì)使得間隙變小，而CB在承受外壓及高溫的工況下即存在使間隙變小的趨勢(shì)，又存在使間隙變大的趨勢(shì)，計(jì)算時(shí)根據(jù)不同工況須區(qū)別對(duì)待。文中符號(hào)規(guī)定：間隙增加時(shí)為正，間隙減小時(shí)為負(fù)。所用設(shè)計(jì)輸入（見表1）及計(jì)算方法如下。

反應(yīng)堆壓力容器筒體內(nèi)壁與堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體外壁間形成的下降環(huán)腔在反應(yīng)堆運(yùn)行期間充滿由入口接管進(jìn)入的冷卻劑，而冷卻劑是在反應(yīng)堆運(yùn)行前逐步的由室溫加熱到功率運(yùn)行時(shí)的入口溫度。因此下降環(huán)腔區(qū)域內(nèi)的溫差是冷卻劑功率運(yùn)行時(shí)入口溫度與室溫之差；L為RV的平均半徑（R），即RV中心到RV筒體壁厚中心的徑向尺寸。

（1）溫度引起RV的形變[1]：

（2）壓力引起RV的形變[2]：

根據(jù)RV結(jié)構(gòu)，本部分計(jì)算采用承壓閉口圓柱容器的徑向變形公式。

（3）溫度引起RV接管臺(tái)肩的形變[1]：

其中L為RV接管臺(tái)肩內(nèi)端面到RV筒體壁厚中心的徑向尺寸。

（4）溫度引起CB接管的形變[1]

（5）外壓引起CB的形變[2]

熱態(tài)間隙=2.2+7.2+1.2-0.79-9.3+0.12=0.63mm

反應(yīng)堆壓力容器出口接管與吊蘭筒體接管熱態(tài)間隙的存在，避免了由于壓力和溫度引起設(shè)備膨脹而導(dǎo)致兩設(shè)備的擠壓變形，同時(shí)經(jīng)過與上游總體設(shè)計(jì)單位確認(rèn)，該間隙能夠保證堆內(nèi)構(gòu)件的總體旁漏流量，符合總體工藝設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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[2]W.楊，R.布迪納斯，等.羅氏應(yīng)力應(yīng)變公式手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2005，8.

作者簡(jiǎn)介：于雷（1981-），男，黑龍江省伊春市，大學(xué)本科，工程師，主攻核電機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

關(guān)欣（1980-），女，遼寧省沈陽市，大學(xué)本科，工程師，主攻機(jī)械工藝。