CEFR整體冷鈉池及其輔助系統(tǒng)溫度場三維數(shù)值模擬

馮預恒，趙 勇，周志偉，劉一哲，楊紅義

(中國原子能科學研究院 中國實驗快堆工程部，北京 102413)

中國實驗快堆(CEFR)一回路所有設備和構件都安放在鈉池內(nèi)，一回路主冷卻系統(tǒng)有兩條并聯(lián)的環(huán)路，在熱鈉池內(nèi)共用1個通道，通過中間熱交換器流出熱鈉池進入冷鈉池后，一回路主冷卻系統(tǒng)兩條環(huán)路各自獨立運行。每個環(huán)路包括兩臺中間熱交換器、主循環(huán)泵吸入腔室、1臺主循環(huán)泵和兩根壓力管。一次鈉凈化系統(tǒng)回鈉管和取鈉管穿過的一側(cè)為第1、2條環(huán)路，與之對應的冷鈉池命名為1、2號冷鈉池。由于凈化系統(tǒng)在兩個冷鈉池的運行方式不同，導致兩個冷鈉池的中間熱交換器出口流量及主循環(huán)泵吸入腔進口流量存在差異。因此，本工作對兩個冷鈉池共同建模計算，以取得更精確的結果。

在以前的設計文件[1]中，曾對-9.445 m以上冷鈉池進行穩(wěn)態(tài)三維數(shù)值計算，主要完成了CEFR在額定參數(shù)運行工況下冷鈉池內(nèi)的熱工流體力學分析。本工作將對CEFR一回路整體冷鈉池及其相關輔助系統(tǒng)進行模擬計算和分析，計算范圍向下擴展到-11 m以上冷鈉池，并包括所有相關輔助系統(tǒng)，以得到整體冷鈉池完整的溫度場。

1 建模及邊界條件

對整體冷鈉池及其輔助系統(tǒng)建模。在上冷鈉池內(nèi)、鈉泵吸入腔和中間熱交換器共建8個模塊，水平孔道腔和鈉充排腔各建1個模塊，下冷鈉池內(nèi)共建16個模塊。每個模塊均可單獨計算。

1.1 冷鈉池結構

冷鈉池的范圍如下：主容器隔熱層內(nèi)表面以內(nèi)、標高為-6.4 m隔板以下和堆芯支承桶以外的所有空間，以及-6.4 m以上兩個泵吸入腔室。冷鈉池的具體結構和腔室分布示于圖1。

1.2 冷鈉池輔助系統(tǒng)

冷鈉池的幾個重要輔助系統(tǒng)如下：1) 主容器冷卻系統(tǒng)；2) 泵支承冷卻系統(tǒng)；3) 一回路鈉凈化系統(tǒng)。

冷鈉池內(nèi)的流動情況較復雜，輔助系統(tǒng)的出口鈉溫均與冷鈉池的平均溫度不等，且兩者間的溫差均在40 ℃以上。由于輔助系統(tǒng)結構差異很大，給結構的網(wǎng)格生成帶來很多困難，需在網(wǎng)格構造上予以特別考慮。

1.3 計算模型的主要簡化

在建模過程中按1∶1真實模擬快堆冷鈉池及其部件的形狀和尺寸，但受計算硬件條件限制，對其中部分極小尺寸的部件或不可知流

道進行適當簡化，以確保計算的正確性和可行性，被簡化的部件如下。

1) 中間熱交換器和水平熱屏蔽間存在1 mm漏流，因流量和出口溫度不可確定，且將極大增加網(wǎng)格的數(shù)量，因此計算時將其忽略。

2) 水平孔道所在腔室內(nèi)，鈉在其中的流動性非常差，且冷鈉池主流道不經(jīng)過該腔室。同時，在運行過程中，水平孔道關閉，對整體冷鈉池的熱工流體參數(shù)影響較小。因此，計算時忽略水平孔道的影響。

3) 各類冷鈉池肋板、支承板和隔板的厚度不等，但皆尺寸較小且數(shù)量龐大，如果在模擬中增加厚度，網(wǎng)格數(shù)將可能達到上億，計算將無法進行。在正常運行時，因各類冷鈉池肋板、支承板和隔板皆浸泡在冷鈉池內(nèi)，因此將鋼體與周邊液體視為一致。

4) 大柵板聯(lián)箱外屏蔽柱所處區(qū)域流動性較差，且屏蔽柱之間相互接觸，對溫度場影響很小，因此將其忽略。

5) 泵旁路流量計系統(tǒng)對冷鈉池及泵入口鈉溫無影響，因此將其忽略。

1.4 計算中材料及物性的輸入?yún)?shù)

流質(zhì)為鈉，流體內(nèi)壓力為常壓。為真實模擬額定工況下冷鈉池的流動及溫度的影響，各物性參數(shù)皆隨溫度而改變。

液態(tài)鈉的密度ρ、黏度μ、比熱容c、導熱系數(shù)λ具體計算公式如下。

ρ=16.018 5(59.356 6-7.750 4×

10-3(1.8t+32)-0.287 2×10-6(1.8t+

32)2+0.060 3×10-9(1.8t+32)3)

μ=0.123 5ρ1/3exp(697ρ/1.8t)t≤500 ℃

c=41.86(0.389 352-1.105 99×

10-4(1.8t)+3.411 78×10-8(1.8t)2)

λ=1.729 58(54.306-1.878×10-2(1.8t+

32)+2.091 4×10-6(1.8t+32)3)

圖1 冷鈉池結構(a)和腔室分布(b)

式中，t為材料的溫度。

2 計算結果

2.1 冷鈉池的溫度場

圖2示出冷鈉池的溫度場。從圖2可見，在冷鈉池內(nèi)，中間熱交換器泵腔溫度相對較低，流動相對較差的鈉充排腔(另一環(huán)路的水平孔道腔)的溫度相對較高，低溫區(qū)出現(xiàn)在-9.445 m以下區(qū)域。

圖2 冷鈉池的溫度場

2.2 主泵吸入腔內(nèi)的溫度分布

圖3示出主泵吸入腔內(nèi)的溫度分布。由圖3可見，影響泵入口溫度的因素如下。

圖3 主泵吸入腔的溫度分布

1) 溫度為400 ℃、流量為12.15 kg/s的泵支承冷卻系統(tǒng)出口流量，未在冷鈉池內(nèi)充分冷卻即被主泵吸入到泵內(nèi)套筒間的環(huán)形主流道內(nèi)，直接到達泵入口，對泵吸入腔的入口溫度影響較大，這直接導致了泵入口溫度的上升，并決定了泵入口的溫度分布。

2) 與主泵同處一室的8個主容器冷卻系統(tǒng)出口管，其流量為8×0.8 kg/s，溫度為400 ℃。尤其是較靠近主泵的5個出口管，此部分流量大部分直接被主泵吸入到泵腔，對泵入口溫度影響也較大。

3) 一次鈉泵在熱屏蔽的偏心設計，導致面向堆芯方向的流道面積遠大于其反方向的流道，飄浮在熱屏蔽內(nèi)的高溫鈉，大部分通過兩個背對堆芯方向的鈉泵入口流出。因此，主泵的兩對鈉泵入口的鈉溫存在差異，其溫度分布示于圖4。由圖4a可知，泵入口溫度上高、下低，變化范圍約在360.75～364.856 ℃之間，溫差約為3 ℃，泵入口平均溫度為363.449 ℃，且1、2號冷鈉池的泵入口溫度基本相同。

a——面向堆芯方向；b——背對堆芯方向

2.3 泵支承冷卻系統(tǒng)支承梁的溫度分布

鈉泵工作環(huán)境的設計要求為低于400 ℃，但一回路鈉泵貫穿的外熱鈉池(生物屏蔽柱將熱鈉池分為內(nèi)、外熱鈉池)平均鈉溫為515 ℃，遠高出鈉泵的工作環(huán)境溫度。為保障一回路鈉泵的正常運行，在其貫穿熱鈉池部分，設計泵支承冷卻系統(tǒng)，其冷卻劑從一回路主冷卻系統(tǒng)中引出。即在一回路鈉循環(huán)泵止回閥前方設計5個支承梁，將泵支承冷卻系統(tǒng)和一回路主管道相連。泵支承冷卻系統(tǒng)支承梁和支承板布置示于圖5，圖中中心圓環(huán)外的5個肋片為支承梁，外圍的水平板為支承板。

圖5 泵支承冷卻系統(tǒng)支承梁和支承板布置

泵支承冷卻系統(tǒng)為一回路主冷卻系統(tǒng)的支流，為保證流量既能滿足泵支承冷卻系統(tǒng)，又不影響堆芯的流量分配，在5個支承梁的流道內(nèi)，分別設計了3種流道及多種節(jié)流裝置。

圖6示出泵支承冷卻系統(tǒng)支承梁的溫度分布。由圖6可見：每根支承梁溫度分布均為下高、上低；5根支承梁中，靠近主容器冷卻系統(tǒng)的兩根支承梁溫度較高，這再次證實主容器冷卻系統(tǒng)出口對泵腔入口區(qū)域影響較大；每根支承梁上、下溫差達4 ℃，內(nèi)、外梁間相差3.6 ℃，平均溫度在361～365 ℃之間。

圖6 泵支承冷卻系統(tǒng)支承梁的溫度分布

2.4 支承板的溫度分布

每個主泵吸入腔各有7塊支承板，每塊支承板高600 mm，寬度各不相同，支承板與泵圍桶的最下部相連，分布在泵的四周。

圖7示出主泵吸入腔的支承板溫度分布。由圖7可見：7塊支承板對主泵吸入腔的流場及溫度分布影響不大，7塊支承板的溫度分布各不相同，但其溫度分布規(guī)律為上高、下低，這緣于熱鈉池向冷鈉池的熱擴散。影響支承板溫度分布的主要因素如下。

圖7 主泵吸入腔的支承板溫度分布

1) 支承板軸向靠近主泵入口處，其溫度分布主要取決于流過四周的流體，支承板溫度與流體溫度相同。

2) 支承板軸向遠離主泵入口處的溫度分布為：(1) 如果與φ4.780 m的下生物屏蔽支承筒相連，支承板最高溫度出現(xiàn)在此處；(2) 如果與主容器的外壁相連，支承板出現(xiàn)最低溫度，這是因為冷鈉池向四周散熱導致局部溫度下降，間接影響到支承板；(3) 在7塊支承板中，其最高溫度出現(xiàn)在靠近主容器冷卻系統(tǒng)出口處，溫度為361～373 ℃，平均溫度為364 ℃。

總之，主泵吸入腔的支承板對冷鈉池內(nèi)高溫鈉的滯留作用有限，對冷鈉池內(nèi)溫度的分布及流場影響有限。由于與泵殼體和泵熱屏蔽未直接接觸，且支承板的主要部分均處于冷鈉池主流道內(nèi)，所以，支承板的溫度較低。

一環(huán)路和二環(huán)路7塊支承板的溫度分布基本相同。

2.5 水平孔道腔和鈉充排腔內(nèi)流場及溫度分布

水平孔道腔和鈉充排腔內(nèi)流體溫度分布示于圖8。由圖8可見，中間熱交換器部分出口流量的溫度較低，從支承肋板開孔底部進入水平孔道腔和鈉充排腔后，與腔室內(nèi)滯留的流體相互攪混，部分通過支承肋板開孔上部回流到中間熱交換器出口腔。因此，水平孔道腔和鈉充排腔內(nèi)的流體流動雜亂無序，且流速較低。

圖8 水平孔道腔(a)和鈉充排腔(b)內(nèi)的流體溫度分布

但水平孔道腔和鈉充排腔對冷鈉池的影響不能忽略。因腔內(nèi)儲存了大量從中間熱交換器出口來的低溫鈉，且回流到中間熱交換器出口腔，直接降低了中間熱交換器出口腔的溫度；在加入到主流道后，更是影響了泵入口的鈉溫。此次模擬證明，水平孔道腔和鈉充排腔，尤其是水平孔道腔，其體積是冷鈉池各腔室中最大的一個，它們對冷鈉池的影響不能忽略。

從圖8可發(fā)現(xiàn)，鈉充排腔內(nèi)的平均溫度較水平孔道腔的高。計算結果為：水平孔道腔內(nèi)的平均溫度為359 ℃，鈉充排腔內(nèi)的平均溫度為368 ℃。

2.6 -9.445～-6.4 m之間的支承肋板溫度分布

CEFR冷鈉池內(nèi)設計并安裝了大量支承肋板，其主要功能為承擔冷、熱鈉池內(nèi)液態(tài)鈉及池內(nèi)設備導致的重力載荷。CEFR冷鈉池內(nèi)的支承肋板共有3類，每類支承肋板又有兩種型號，即支承肋板和支承肋隔板，其空間分布規(guī)律為：第1類支承肋板分布在-9.445～-6.4 m，第2、3類支承肋板共同分布在軸向-9.445～-11 m，縱向上，在φ4.780 m以外為第2類支承肋板，以內(nèi)為第3類支承肋板。

CEFR在-9.445～-6.4 m之間共設計8塊第1類支承肋板，支承肋板的開孔為高2.115 m、寬0.65 m，四邊倒腳。

將第1類8塊支承肋板根據(jù)其所處腔室分3種情況進行研究：1) 主泵吸入腔與旁邊的兩個中間熱交換器出口腔室間的支承肋板；2) 中間熱交換器與水平孔道腔之間的支承肋板；3) 中間熱交換器與鈉充排腔之間的支承肋板。

一環(huán)路、二環(huán)路主泵與中間熱交換器之間的支承肋板溫度分布示于圖9。由圖9可見，兩者溫度相差較大，說明兩個環(huán)路不對稱，這對運行是不利的。

2.7 主容器內(nèi)壁溫度分布

本次計算只模擬了冷鈉池內(nèi)-6.445～-11 m間的主容器內(nèi)壁溫度分布(-6.445～-3.75 m間的主容器內(nèi)壁溫度分布由主容器冷卻系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬完成)。-9.445 m之上一環(huán)路、二環(huán)路方向主容器內(nèi)壁溫度分布示于圖10。-9.445 m之下一環(huán)路、二環(huán)路方向主容器內(nèi)壁溫度分布示于圖11。由圖10、11可見，溫度分布的總體趨勢是上高、下低，大體可分為高溫區(qū)、平均溫度區(qū)和低溫區(qū)。除主泵吸入腔以外，-7.095 m之上為高溫區(qū)，在-7.095～-9.445 m之間為低溫區(qū)，-9.445 m之下為平均溫度區(qū)。導致其分布的主要原因如下。

圖9 一環(huán)路(a)、二環(huán)路(b)主泵與中間熱交換器之間的支承肋板溫度分布

1) 上部的高溫區(qū)出現(xiàn)在-7.095 m附近，這是因為主容器冷卻系統(tǒng)出口鈉溫較高，熱鈉池向冷鈉池熱擴散，以及高溫鈉因密度較小而漂浮在冷鈉池上方。

2) 低溫區(qū)出現(xiàn)在中間，其最高點與中間熱交換器出口最上沿基本一致，是中間熱交換器出口區(qū)低溫鈉經(jīng)過并部分滯留所致。低溫區(qū)下邊界之所以在-9.445 m，是因為該處為堆內(nèi)水平中板，將上、下冷鈉池隔離，同時也阻止了冷鈉下沉，并將冷鈉滯留至此區(qū)域。

3) 平均溫度區(qū)即為360 ℃鈉溫區(qū)，除鈉凈化出口區(qū)域和水平中板漏流區(qū)域，基本分布在下冷鈉池。由此處溫度分布可看出，下冷鈉池內(nèi)流體流動性較差，基本保持在靜止狀態(tài)。

圖10 -9.445 m之上一環(huán)路(a)、二環(huán)路(b)方向主容器內(nèi)壁溫度分布

圖11 -9.445 m之下一環(huán)路(a)、二環(huán)路(b)方向主容器內(nèi)壁溫度分布

3 結論

應用大型三維商業(yè)軟件CFX進行冷鈉池計算，獲得了整體冷鈉池各腔室內(nèi)溫度的分布，冷鈉池計算結果表明：冷鈉池內(nèi)存在熱分層和熱分區(qū)現(xiàn)象，將冷鈉池視為一同溫區(qū)或簡單按照標高等劃分溫區(qū)的方法是不正確的；流入冷鈉池的冷鈉并不是與整個冷鈉池的鈉攪混，冷鈉池上板的高溫區(qū)確實存在；泵腔室上部的溫度較其他區(qū)域的高，這一點已被堆上的運行數(shù)據(jù)證實。以上計算結果對反應堆調(diào)試和運行具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 張建濤，孫琦. 堆內(nèi)支承結構熱工計算[R]. 北京：中國原子能科學研究院，2002.