CEFR冷阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)及熱工水力分析

陳祖國，許義軍

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

冷阱是鈉冷快堆中凈化鈉中雜質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備，在反應(yīng)堆的運(yùn)行過程中起著重要作用。對(duì)于冷阱的研究，從冷阱設(shè)計(jì)、調(diào)試、雜質(zhì)的捕集能力分析等方面都有相關(guān)的研究。如清華大學(xué)趙兆頤等[1]從氫計(jì)鈉回路冷阱凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試中得到了冷阱凈化過程中最低冷端溫度110 ℃時(shí)的冷阱特性；中國原子能科學(xué)研究院洪順章等[2]通過建立鈉化學(xué)回路，試驗(yàn)得到了冷阱溫度與阻塞溫度的關(guān)系曲線；中國原子能科學(xué)研究院呂明宇等[3]通過對(duì)鈉冷快堆冷阱凈化能力進(jìn)行分析，得到了冷阱金屬填充物采用間斷性的、填充密度遞增的排列方式，可使金屬填充物利用率達(dá)到最大化的結(jié)論；中國原子能科學(xué)研究院馮波等[4]對(duì)鈉鉀合金介質(zhì)的冷阱進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬，得到了其結(jié)構(gòu)形式下的冷阱工作特性曲線；中國原子能科學(xué)研究院黃文杰等[5]采用試驗(yàn)的方法測定了核級(jí)鈉中的金屬雜質(zhì)，并應(yīng)用于中國實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)鈉中的雜質(zhì)分析等相關(guān)研究。國內(nèi)對(duì)于冷阱的研究較多，但針對(duì)本文結(jié)構(gòu)形式的冷阱的數(shù)值分析研究較少，作為CEFR一回路鈉凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，研究其冷阱的溫度分布和流動(dòng)分布，并結(jié)合運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行冷阱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)反應(yīng)堆的長期運(yùn)行是非常迫切且必要的。

CEFR是我國首座池式鈉冷快堆，主要用于進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，包括運(yùn)行實(shí)驗(yàn)(如啟動(dòng)和停堆實(shí)驗(yàn)、某些假設(shè)始發(fā)事件的模擬試驗(yàn)等)，燃料、中子吸收材料和結(jié)構(gòu)材料的輻照考驗(yàn)以及有關(guān)的鈉工藝試驗(yàn)(如鈉凈化試驗(yàn)、鈉中雜質(zhì)測量分析試驗(yàn)等)等，此外，其還可用于某些同位素的生產(chǎn)[6]。

CEFR冷阱是鈉凈化系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于捕集鈉中的雜質(zhì)，使系統(tǒng)中鈉的雜質(zhì)含量滿足質(zhì)量控制參數(shù)要求，在CEFR的運(yùn)行過程中起著重要作用。由于CEFR冷阱的原設(shè)計(jì)存在一定問題，使得現(xiàn)有冷阱絲網(wǎng)區(qū)易堵塞，造成冷阱使用壽命較低，更換頻繁，嚴(yán)重影響反應(yīng)堆的長期穩(wěn)定運(yùn)行，與國外同類冷阱的使用壽命相比，遠(yuǎn)未達(dá)到冷阱的設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)CEFR冷阱進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)是非常必要的。

通過對(duì)冷阱進(jìn)行分析，冷阱絲網(wǎng)區(qū)易堵塞且壽命較低的原因可能為：1) 鈉在冷阱中的流動(dòng)路徑不合理，易造成區(qū)域的堵塞；2) 在絲網(wǎng)密度和布置方面，未采用分區(qū)布置也容易使雜質(zhì)沉積在外層而堵塞流道。

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力學(xué)兩方面對(duì)CEFR冷阱進(jìn)行改進(jìn)，并采用ANSYS FLUENT對(duì)改進(jìn)的方案進(jìn)行數(shù)值分析，并與CEFR現(xiàn)有冷阱的結(jié)果進(jìn)行分析比較。

1 數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法

本文采用ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，湍流的計(jì)算采用雷諾時(shí)均方程法中的湍流黏性系數(shù)法，通過將非穩(wěn)態(tài)的N-S方程作時(shí)間平均，并建立相關(guān)的湍流模型，使控制方程組封閉，N-S方程的通用形式[7]如下：

(1)

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；U為速度向量；φ為通用變量，代表u、v、w、T等變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

湍流模型的選用：在湍流核心區(qū)的流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程模型，而在固體壁面附近的黏性支層區(qū)采用壁面函數(shù)法，且計(jì)算時(shí)考慮重力及浮升力的影響。

針對(duì)求解，ANSYS FLUENT提供了很多離散格式及數(shù)值算法，本文計(jì)算時(shí)離散格式選用二階迎風(fēng)格式，數(shù)值算法采用SIMPLE算法。

2 三維建模與邊界條件

2.1 幾何建模

圖1 冷阱剖面圖(a)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(b)Fig.1 Sectional drawing (a) and inner structural drawing (b) of cold trap

CEFR冷阱[8]是一直立式圓柱型容器，容器內(nèi)部具有孔管、內(nèi)置省熱器、金屬絲網(wǎng)等設(shè)備，未凈化的鈉從冷阱上部入口管進(jìn)入1個(gè)與其同軸的其上有孔的管子，該孔管使鈉均勻分布，并使鈉穿過冷阱內(nèi)省熱器盤管的外側(cè)，再通過冷阱上部支撐板導(dǎo)流至金屬絲網(wǎng)外側(cè)，然后橫向通過絲網(wǎng)中心區(qū)，鈉中雜質(zhì)便在絲網(wǎng)上析出并沉積于冷阱的底部。凈化后的鈉在中心區(qū)經(jīng)中心管向上返回到內(nèi)省熱器盤管內(nèi)，并與盤管外側(cè)未凈化的鈉進(jìn)行換熱升溫后由冷阱上部出口流出。冷阱剖面圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 網(wǎng)格生成

冷阱的計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，本計(jì)算共采用了4種不同數(shù)量的網(wǎng)格，分別為220萬、610萬、810萬和1 200萬，通過網(wǎng)格敏感性分析及計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性考慮，最終計(jì)算采用了810萬網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 冷阱內(nèi)部網(wǎng)格圖Fig.2 Inner mesh picture of cold trap

2.3 邊界條件

在計(jì)算中，為準(zhǔn)確模擬，對(duì)鈉采用變物性參數(shù)。對(duì)于冷阱的入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口條件，質(zhì)量流量為1.2 kg/s，入口溫度為185 ℃；冷阱的出口設(shè)置為壓力出口條件，取相對(duì)壓力為0；對(duì)于冷阱的壁面設(shè)置為熱流密度條件；冷阱的金屬絲網(wǎng)區(qū)域，采用了多孔介質(zhì)模型，不同位置設(shè)置為不同的孔隙率及阻力系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 網(wǎng)格敏感性結(jié)果分析

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of results in different mesh numbers

為獲得真實(shí)的物理結(jié)果，需進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，得到了網(wǎng)格獨(dú)立解，不同網(wǎng)格數(shù)下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

從圖3可看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到600萬以上時(shí)，絲網(wǎng)區(qū)上部及下部溫度、冷阱出口溫度均隨網(wǎng)格數(shù)的增加而不再變化，因此認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)為810萬時(shí)已達(dá)到網(wǎng)格獨(dú)立解，計(jì)算結(jié)果采用網(wǎng)格數(shù)為810萬的結(jié)果是滿足要求的。

3.2 改進(jìn)后的冷阱與現(xiàn)有冷阱計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)CEFR冷阱的運(yùn)行壽命及現(xiàn)有冷阱的結(jié)構(gòu)可判斷出CEFR現(xiàn)有冷阱使用壽命較低，更換較頻繁的原因主要有兩方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上未考慮分區(qū)域布置不同密度的金屬絲網(wǎng)；水力學(xué)設(shè)計(jì)上未考慮最佳的流動(dòng)凈化路徑。本文以上述兩方面的原因?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)，將冷阱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，改進(jìn)方案為將絲網(wǎng)區(qū)分成上、中、下3層，并分別填充不同密度的金屬絲網(wǎng)，且將上層絲網(wǎng)區(qū)內(nèi)筒體封閉部分孔，同時(shí)將絲網(wǎng)區(qū)頂部支撐板進(jìn)行開孔，使改進(jìn)后的冷阱符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與水力學(xué)設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后的冷阱與現(xiàn)有冷阱的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖4、5所示。

圖4 對(duì)稱面的溫度分布對(duì)比Fig.4 Comparison of temperature distributions for symmetry plane

圖5 絲網(wǎng)區(qū)的溫度分布對(duì)比Fig.5 Comparison of temperature distributions for wire mesh area

由圖4、5可知，改進(jìn)后冷阱絲網(wǎng)區(qū)頂部溫度與底部溫度分別為416.90 K和384.60 K，較現(xiàn)有冷阱絲網(wǎng)區(qū)頂部溫度和底部溫度低約20 ℃，且改進(jìn)后冷阱入口到冷阱底部的溫度梯度較現(xiàn)有冷阱的略有提高，溫度梯度提高約19 ℃，說明改進(jìn)后冷阱的驅(qū)動(dòng)力更大；同時(shí)改進(jìn)后的冷阱絲網(wǎng)區(qū)的溫度分層更明顯，整個(gè)溫度分層的趨勢代表雜質(zhì)沉積的模式，為從底部絲網(wǎng)區(qū)向上逐漸捕集的過程，此沉積模式在水力學(xué)設(shè)計(jì)上更利于金屬絲網(wǎng)的充分利用和雜質(zhì)的充分捕集。

圖6為絲網(wǎng)區(qū)的速度分布對(duì)比。由圖6可知，現(xiàn)有冷阱中鈉在絲網(wǎng)區(qū)的流動(dòng)為橫向流動(dòng)，且橫向流速較高，不利于雜質(zhì)的捕集，且易阻塞絲網(wǎng)內(nèi)外筒孔；改進(jìn)后的冷阱中鈉在絲網(wǎng)區(qū)的流動(dòng)大部分為軸向流動(dòng)，不易造成絲網(wǎng)內(nèi)外筒孔堵塞，且流動(dòng)的趨勢與溫度分布云圖的趨勢一致，符合雜質(zhì)由底部絲網(wǎng)區(qū)向上逐漸捕集的沉積模式，軸向流動(dòng)份額的增加有利于絲網(wǎng)對(duì)雜質(zhì)的充分捕集，滿足水力學(xué)設(shè)計(jì)的要求，達(dá)到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

沿絲網(wǎng)高度方向上的軸向流速與橫向流速比值的對(duì)比示于圖7。由圖7可看出，在絲網(wǎng)高度方向上，改進(jìn)后的冷阱較CEFR現(xiàn)有冷阱軸向流動(dòng)的份額提高了約50.06%，可預(yù)測該改進(jìn)方案下，冷阱絲網(wǎng)區(qū)更不易堵塞，絲網(wǎng)的捕集能力增加，且在冷阱壽期末，軸向流動(dòng)可使冷阱的壽命得到提高。

圖7 沿絲網(wǎng)高度方向上的軸向流速與橫向流速比值的對(duì)比Fig.7 Comparison of ratios of axial velocity and transverse velocity along wire mesh height direction

4 結(jié)論

本文對(duì)CEFR的冷阱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并采用ANSYS FLUENT對(duì)現(xiàn)有冷阱和改進(jìn)后的冷阱進(jìn)行了熱工水力對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

1) 軸向流動(dòng)份額的增加有利于防止絲網(wǎng)區(qū)因橫向流動(dòng)造成的絲網(wǎng)外側(cè)流道堵塞，使得含有雜質(zhì)的鈉流體經(jīng)過絲網(wǎng)的路徑變長，更利于鈉的凈化和雜質(zhì)的捕集。

2) 改進(jìn)后冷阱入口到冷阱底部的溫度梯度較現(xiàn)有冷阱提高了約19 ℃，且絲網(wǎng)區(qū)溫度較現(xiàn)有冷阱降低約20 ℃，說明此改進(jìn)方案下冷阱的驅(qū)動(dòng)力更大，且絲網(wǎng)區(qū)溫度降低有利于雜質(zhì)的析出和充分捕集，提高了絲網(wǎng)的使用效率。

3) 改進(jìn)后的冷阱軸向流動(dòng)的份額較現(xiàn)有冷阱提高約50.06%，說明此改進(jìn)方案下，冷阱絲網(wǎng)區(qū)更不易堵塞，雜質(zhì)的沉積模式更符合水力學(xué)設(shè)計(jì)的要求，絲網(wǎng)的捕集能力增加，冷阱的壽命將得到提高。

目前，結(jié)構(gòu)改進(jìn)了的冷阱已加工完成并已到達(dá)快堆，后續(xù)會(huì)將改進(jìn)后的冷阱放置于CEFR中運(yùn)行，從而進(jìn)一步對(duì)比分析結(jié)構(gòu)改進(jìn)后冷阱的使用壽命及雜質(zhì)的捕集效果。