基于一體化三維數(shù)值模擬的中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆冷鈉池及其堆內(nèi)構(gòu)件熱工特性分析

張鈺浩，夏子涵，梁江濤，劉一哲，楊 軍，葉尚尚，郭忠孝，陸道綱

(1.華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)采用“鈉—鈉—水”三回路配置方案，堆芯、一回路主泵、中間熱交換器(IHX)、獨(dú)立熱交換器(DHX)以及堆內(nèi)支承等設(shè)備均置于池式堆容器內(nèi)，構(gòu)成一回路系統(tǒng)，承擔(dān)反應(yīng)堆一回路壓力邊界、安全防護(hù)屏障、鈉循環(huán)流道、放射性物質(zhì)包容與屏蔽以及堆內(nèi)設(shè)備的定位與支承等重要安全功能[1]。

為了保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行，需要對(duì)堆容器及其關(guān)鍵部件運(yùn)行過程中的關(guān)鍵熱工參數(shù)變化特性進(jìn)行評(píng)估。一些研究者基于系統(tǒng)程序，分析池式快堆運(yùn)行及事故瞬態(tài)中總體參數(shù)變化[2-6]；許義軍[7]、李淞[8]、馮預(yù)恒[9]、薛秀麗[10]、宋德寬[11]等針對(duì)快堆部分關(guān)鍵部件進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，為堆容器及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供重要參考?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，池式快堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使得流動(dòng)、傳熱特性十分復(fù)雜。特別地，對(duì)于冷鈉池，多組豎向支撐肋板在冷鈉池內(nèi)沿周向分布，部分肋板中心開設(shè)方孔以使得冷鈉池內(nèi)流體流通；冷鈉池內(nèi)一、二環(huán)路之間被兩組封閉肋板隔開而相對(duì)獨(dú)立，且冷鈉池被冷池中板分隔為上冷鈉池、下冷鈉池，其中上冷鈉池與熱鈉池區(qū)域、堆主容器冷卻系統(tǒng)進(jìn)行直接熱量、質(zhì)量交換，而下冷池流動(dòng)、傳熱過程較為緩慢，使得堆容器冷池內(nèi)的流動(dòng)特性與溫度分布更加復(fù)雜，并且具有特殊的空間三維特性[12,13]。但是，現(xiàn)有一維系統(tǒng)程序很難準(zhǔn)確模擬冷鈉池內(nèi)三維流動(dòng)行為及空間溫度分布特性，冷鈉池內(nèi)關(guān)鍵流動(dòng)、傳熱特性仍不十分明確。

因此，本研究對(duì)CEFR池式快堆堆容器本體及內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行原型尺寸、一體化三維數(shù)值模擬。通過對(duì)熱鈉池內(nèi)部件進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，從而為冷鈉池的計(jì)算提供正確的輸入邊界條件，進(jìn)而對(duì)冷鈉池內(nèi)部特殊的三維熱工水力特性進(jìn)行精確計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果為鈉冷池式快堆事故安全分析、關(guān)鍵堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定及設(shè)計(jì)提供重要熱工輸入?yún)?shù)。

1 堆容器建模方案及邊界條件

采用1:1比例真實(shí)模擬CEFR堆容器鈉液面以下流體區(qū)域及其內(nèi)部構(gòu)件，將堆容器本體劃分為熱鈉池模塊、冷鈉池模塊、柵板聯(lián)箱及堆芯模塊、主容器冷卻系統(tǒng)及堆芯捕集器共4組模塊。每組模塊獨(dú)立建模，各模塊之間在FLUENT軟件中進(jìn)行一體化整體耦合計(jì)算，CEFR結(jié)構(gòu)及整體網(wǎng)格劃分方式如圖1所示。

圖1 CEFR結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格示意圖Fig.1 Structure and mesh of CEFR

1.1 熱鈉池、堆內(nèi)、柵板聯(lián)箱及主容器冷卻系統(tǒng)部件建模及簡(jiǎn)化方案

熱鈉池范圍包括三層水平熱屏蔽-5.85 m以上、鈉液面高度-3.4 m以下，被徑向熱屏蔽及堆內(nèi)屏蔽外鋼筒所包圍的區(qū)域，熱鈉池內(nèi)布置4臺(tái)中間熱交換器(IHX)，2臺(tái)獨(dú)立熱交換器(DHX)，兩臺(tái)主泵(含泵冷卻系統(tǒng))，以及相應(yīng)的支承、屏蔽結(jié)構(gòu)。

本研究中，將熱鈉池、堆芯以及大、小柵板聯(lián)箱等合并簡(jiǎn)化為熱鈉池模塊，模擬關(guān)鍵部件運(yùn)行功能，并為冷鈉池提供正確的輸入邊界條件。

(1)采用多孔介質(zhì)方法[14,15]模擬IHX、DHX內(nèi)部換熱管束，采用隨軸向高度變化的體冷源模擬二次側(cè)冷卻功率，從而保證流入冷池的流體鈉關(guān)鍵熱工參數(shù)平均值與實(shí)際情況一致；

(2)堆芯采用多孔介質(zhì)模擬，堆芯出口平均溫度530 ℃，行程壓降約0.28 MPa；

(3)堆內(nèi)屏蔽由鋼棒和屏蔽圍筒組成，包括大量的含硼石墨管和鋼棒，布置形式較為復(fù)雜；在數(shù)值模型中，采用多孔介質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，基于局部1/6原型建模并開展數(shù)值試驗(yàn)，即：給定不同的入口速度，計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)壓降，從而擬合得到黏性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)，作為多孔介質(zhì)模型的輸入?yún)?shù)；

(4)大、小柵板聯(lián)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為堆芯組件不同分區(qū)合理分配冷卻劑流量；而在本研究中，重點(diǎn)關(guān)注鈉池內(nèi)的流動(dòng)、傳熱特性，而大、小柵板聯(lián)箱主要起到流量分配的作用，因此，在數(shù)值計(jì)算中將其簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)以保證流入堆芯的流量分配比例滿足設(shè)計(jì)要求，從而為整體模型提供正確的輸入邊界。在本計(jì)算模型中，將大、小柵板聯(lián)箱、堆芯區(qū)域進(jìn)行一體化建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再將此部件與鈉池區(qū)域通過interface進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)全堆結(jié)構(gòu)一體化計(jì)算；

(5)泵旁路流量等一些局部微小流道漏流對(duì)冷鈉池溫度分布幾乎無影響，因此將其忽略；

(6)主容器冷卻系統(tǒng)及堆芯捕集器結(jié)構(gòu)、尺寸與原型基本保持一致，起到對(duì)堆容器的降溫、保護(hù)作用。

1.2 冷鈉池模塊建模及簡(jiǎn)化方案

冷鈉池模型主體結(jié)構(gòu)范圍包括：主容器冷卻系統(tǒng)內(nèi)壁以內(nèi)、堆芯支承筒以外、冷鈉池上板標(biāo)高-6.4 m以下、冷鈉池底板標(biāo)高-11 m以上區(qū)域，冷鈉池內(nèi)部設(shè)置豎向支承肋板。特別地，冷池中板(標(biāo)高-9.445 m)將冷鈉池分隔為上下兩部分，此外，冷池被縱向隔板分隔成2個(gè)獨(dú)立的腔室，一回路主系統(tǒng)每條環(huán)路的1臺(tái)鈉循環(huán)泵和2臺(tái)IHX的出口各位于一個(gè)獨(dú)立的腔室中。

冷鈉池關(guān)鍵部件、位置、尺寸等相比原型不做簡(jiǎn)化，僅針對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行少量簡(jiǎn)化包括：

(1)冷池內(nèi)各類支承肋板、筒體、隔板的厚度不等且尺寸較小、浸沒在冷鈉池內(nèi)，此類支承鋼材料與周圍流體鈉溫度近似一致，因此，將冷池內(nèi)支承肋板、筒體、隔板簡(jiǎn)化為無厚度面；

(2)泵支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但位于冷池鈉吸入口附近，接近冷鈉池出口區(qū)，液鈉溫度較低且混合較均勻，對(duì)冷鈉池內(nèi)部熱工特性影響較小，故冷鈉池模型中簡(jiǎn)化該處泵支承結(jié)構(gòu)，但保留泵冷卻系統(tǒng)；

(3)忽略冷鈉池內(nèi)的極小尺寸部件(如螺栓，倒角等)及窄隙。

1.3 網(wǎng)格劃分方法

由于堆容器本體及其內(nèi)部構(gòu)件結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，不同構(gòu)件尺寸差異大，整體模型直徑約8 m，而最小窄隙、流道僅有20～30 mm，為保證網(wǎng)格劃分的可行性和計(jì)算結(jié)果的精確性，本數(shù)值模擬采用分區(qū)網(wǎng)格劃分方法。對(duì)于熱鈉池及其內(nèi)部構(gòu)件、堆芯及大小柵板聯(lián)箱、主容器冷卻系統(tǒng)上升、下降流道，均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冷鈉池及堆容器下封頭堆芯捕集器，采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法。各部分網(wǎng)格劃分完成后以interface交界面的形式連接。總體堆本體耦合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格總單元數(shù)約2 100萬，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.1，對(duì)應(yīng)模型網(wǎng)格劃分方式如圖1(b)所示。

1.4 主要邊界條件及計(jì)算方法

(1)堆芯采用多孔介質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化，為熱鈉池提供正確的邊界條件，堆芯總功率65 MW；每臺(tái)IHX冷卻額定功率16.4 MW，其軸向功率分布沿高度方向線性變化；每臺(tái)DHX的冷卻額定功率為0.525 MW，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下處于備用功率0.052 MW。

(2)模擬原型泵的功能，而對(duì)泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即：不模擬轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪的實(shí)體結(jié)構(gòu)，將反應(yīng)堆原型主泵葉輪出口設(shè)置為鈉池計(jì)算模型入口，入口總流量350 kg/s，入口平均溫度應(yīng)為模型出口平均溫度，在穩(wěn)態(tài)條件下為360 ℃；將原型泵的吸入口作為鈉池計(jì)算模型的出口，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算工況下，進(jìn)入模型的鈉流量與流出流量平衡，且進(jìn)、出口溫度一致。

(3)主容器冷卻系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)定入口邊界，入口流量為其設(shè)計(jì)值40 kg/s，正常運(yùn)行條件下設(shè)計(jì)值360 ℃；泵冷卻系統(tǒng)入口流量12.15 kg/s，對(duì)應(yīng)入口溫度為泵吸入口平均溫度，穩(wěn)態(tài)條件下為360 ℃。

(4)簡(jiǎn)化堆本體主容器外的保護(hù)容器，將主容器冷卻系統(tǒng)外壁面設(shè)置為保守的絕熱邊界，忽略外部散熱這一簡(jiǎn)化對(duì)鈉池內(nèi)最高溫度影響小于1%，主容器冷卻系統(tǒng)內(nèi)壁面分布與冷池外筒、熱池三層水平熱屏蔽采用interface(Coupled Wall)的方式相連，考慮主容器冷卻系統(tǒng)與冷、熱鈉池邊界壁面之間的換熱；同時(shí)，堆內(nèi)構(gòu)件等內(nèi)部壁面結(jié)構(gòu)均采用耦合傳熱條件以模擬堆內(nèi)構(gòu)件傳熱特性。

(5)堆本體內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為流體鈉，堆內(nèi)構(gòu)件為316 H不銹鋼，關(guān)鍵物性參數(shù)基于流體鈉及固體鋼的物性參數(shù)表擬合得到并賦值加載。

(6)額定工況下，鈉池內(nèi)的液鈉在泵的驅(qū)動(dòng)力作用下在池內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，基本處于湍流狀態(tài)，因此，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，配合壁面函數(shù)模型，設(shè)置第一層邊界層網(wǎng)格高度對(duì)應(yīng)壁面邊界y+值范圍為30～300，滿足本計(jì)算精度要求。

2 鈉池內(nèi)整體流動(dòng)、傳熱特性分析

基于上述網(wǎng)格劃分方法，選取1 600萬、2 100萬、3 400萬網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析，計(jì)算結(jié)果證明，采用2 100萬網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果與3 400萬網(wǎng)格相比，溫度、流動(dòng)分布特性及變化規(guī)律一致，選取的關(guān)鍵位置最大溫差小于2.2%，平均溫差小于0.5%?？紤]到計(jì)算經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性，采用2 100萬網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析，對(duì)應(yīng)堆容器內(nèi)整體熱工參數(shù)三維分布如圖2、圖3所示。

圖2 堆容器內(nèi)整體流線及局部速度矢量圖Fig.2 Overall streamline and local velocityvectors in the reactor vessel

由堆容器內(nèi)總體流線分布圖2(a)可見，液鈉經(jīng)壓力管進(jìn)入大、小柵板聯(lián)箱進(jìn)行流量分配后進(jìn)入堆芯，在堆芯活性區(qū)、非活性區(qū)被加熱后流出堆芯，沿周向穿過堆內(nèi)屏蔽區(qū)域，并由堆芯圍筒出口進(jìn)入熱鈉池，一部分流出堆內(nèi)屏蔽的高溫流體鈉漂浮在熱池上部區(qū)域，大部分液鈉通過IHX入口進(jìn)入IHX一次側(cè)并沿軸向向下流動(dòng)，逐漸被冷卻至設(shè)計(jì)溫度后經(jīng)IHX出口進(jìn)入冷鈉池。此后，液鈉經(jīng)冷池支承肋板開孔，流向泵吸入腔，完成一次循環(huán)流程。特別地，堆本體內(nèi)整體速度范圍為0～4.63 m/s，圖2中為使得顯示效果清晰，設(shè)置顯示速度范圍0～1 m/s，高于1 m/s處均以深色標(biāo)識(shí)。IHX入口水平截面Plane 1位置速度矢量圖如圖2(b)所示?？梢?，自堆芯圍筒出口流出的液鈉，平均分配至四組IHX入口區(qū)域，而IHX靠近堆芯中心處流速更大，遠(yuǎn)離堆芯處流量明顯降低，這是由IHX的布置位置決定的?？傮w來看，堆內(nèi)速度場(chǎng)分布基本對(duì)稱，流動(dòng)方向合理，流速符合設(shè)計(jì)參數(shù)，證明本計(jì)算能夠較好地模擬堆容器內(nèi)主要流動(dòng)路徑與行為。

由溫度場(chǎng)分布圖3(a)可見，熱鈉池內(nèi)出現(xiàn)明顯的熱分層現(xiàn)象，大部分熱流體進(jìn)入IHX被冷卻，IHX出口液鈉平均溫度約353 ℃，相比設(shè)計(jì)值計(jì)算誤差±1 ℃。結(jié)合圖3(b)定量分析可知，冷、熱池間平均溫度差值超過100 ℃，絕大部分溫差降低在三層水平熱屏蔽區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)鈉的流動(dòng)非常微弱，所以起到明顯的隔熱作用，也為冷鈉池上部區(qū)域提供合理的溫度分布邊界。此外，由于熱池、冷池之間的傳熱作用，使得冷池內(nèi)平均溫度比IHX出口鈉溫略高，且熱分層現(xiàn)象使得泵吸入口處液鈉溫度升高至約360 ℃，進(jìn)而通過大、小柵板聯(lián)箱進(jìn)行流量分配后流入堆芯。

堆容器整體模型計(jì)算結(jié)果表明，IHX出口平均溫度與設(shè)計(jì)值相比偏差小于堆芯出入口總溫差的±0.58%，對(duì)應(yīng)的平均流速、壓降與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，能夠確保本計(jì)算模型為冷鈉池計(jì)算提供正確的關(guān)鍵輸入條件；DHX正常運(yùn)行情況下處于備用功率，低于總功率的0.5%，對(duì)冷池計(jì)算結(jié)果影響較小。以上一體化耦合模型穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果表明，現(xiàn)有計(jì)算模型關(guān)鍵計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)相比符合良好，且計(jì)算結(jié)果具有非常好的對(duì)稱性，堆本體相關(guān)簡(jiǎn)化模型能夠?yàn)槔溻c池計(jì)算提供正確的邊界條件。

3 冷鈉池及其關(guān)鍵部件熱工特性分析

3.1 冷鈉池主要流動(dòng)特性分析

冷鈉池內(nèi)主要溫度場(chǎng)及流速矢量分布如圖4所示，自IHX出口流出的液鈉進(jìn)入冷池后，相鄰兩組IHX出口的液鈉流經(jīng)上冷池支承肋板開孔流道，分別流向1、2環(huán)路主泵吸入口，冷池內(nèi)流體鈉僅在肋板開孔所處流道處流速較為明顯，其他區(qū)域流體流動(dòng)強(qiáng)度較低，且該流道所在平面截面處溫度分布相對(duì)均勻。此外，由于1、2環(huán)路之間由支承肋板分隔，冷池兩側(cè)區(qū)域沒有直接流體質(zhì)量交換，但是計(jì)算結(jié)果仍顯示出非常好的對(duì)稱性，兩側(cè)冷池計(jì)算結(jié)果互為驗(yàn)證。特別地，冷池中板將下冷池與上冷池分隔，僅在泵的壓力管穿管處局部較小區(qū)域處貫通相連，所以下冷池?zé)o明顯輸入流量，使得該區(qū)域液體鈉流動(dòng)十分緩慢，對(duì)應(yīng)區(qū)域鈉溫基本保持不變。因此，基于計(jì)算結(jié)果可知，上冷池IHX出口至泵吸入口流道為液鈉流動(dòng)的主要區(qū)域，而下冷池的流動(dòng)非常微弱，溫度分布較為均勻，液鈉及堆內(nèi)構(gòu)件的導(dǎo)熱是上、下冷鈉池間的主要傳熱方式。

圖4 冷池支承肋板流道中心區(qū)域流場(chǎng)矢量分布圖Fig.4 Velocity vectors distribution in central regionof the rib plates in cold sodium pool

3.2 冷池關(guān)鍵部件三維溫度分布特性分析

3.2.1 冷池上板、中板

額定功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，冷池上板、中板溫度分布云圖及對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)線溫度值對(duì)比如圖5所示。可見，冷池上板、中板之間存在平均約30 ℃溫差，原因是冷池上板處于冷、熱鈉池交界面區(qū)域，三層水平熱屏蔽區(qū)域內(nèi)幾乎為不流動(dòng)的鈉，主要傳熱方式為熱傳導(dǎo)，冷、熱池之間的大部分溫差降低在該處水平熱屏蔽區(qū)域。由于熱鈉池內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的布置位置不同，且受到主容器冷卻系統(tǒng)熱流體入口流體影響，使得冷池上板不同區(qū)域溫度也存在10～15 ℃差異。而冷池中板全部處于冷池內(nèi)部區(qū)域，整體溫度分布較為均勻，略高于IHX出口冷鈉溫度，原因是熱鈉池向冷鈉池的導(dǎo)熱，使得冷鈉池平均溫度略有升高?？梢?，上、下冷池內(nèi)的三維熱工流動(dòng)傳熱特性對(duì)于冷、熱鈉池以及堆內(nèi)構(gòu)件的溫度分布具有重要影響。

圖5 冷池上板、中板關(guān)鍵溫度分布Fig.5 Key temperature distribution in the upperand middle plates in cold sodium pool

由計(jì)算結(jié)果可知，冷鈉池上板為冷、熱鈉池之間的關(guān)鍵隔板，但是由于三層水平熱屏蔽的隔熱作用以及冷池下板下表面的熱邊界層緩沖作用，在反應(yīng)堆額定功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，冷池上板整體溫差在30 ℃以內(nèi)，相應(yīng)熱應(yīng)力對(duì)上板結(jié)構(gòu)影響不大；而冷池中板溫度分布基本均勻，熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很小。

3.2.2 豎向支承肋板

豎向支承肋板在堆內(nèi)起到支承、加固作用，是冷池內(nèi)的關(guān)鍵支承部件，其溫度分布直接決定其運(yùn)行過程中結(jié)構(gòu)承受的熱應(yīng)力，進(jìn)而影響肋板結(jié)構(gòu)的可靠性。冷池內(nèi)溫度分布如圖6(a)所示?？梢?，支承肋板上部區(qū)域與冷池上板直接相連，肋板上部局部區(qū)域溫度較高，而下部與冷池平均溫度基本一致。選取肋板豎直方向監(jiān)測(cè)線Line L1、Line L2溫度對(duì)比如圖6(b)所示，肋板上、下區(qū)域最大溫差約30 ℃，且絕大部分溫差降低在冷池下板附近非常近的區(qū)域內(nèi)，即“熱分界層”區(qū)。不同位置處的肋板溫度分布由于支承肋板所處位置的不同而略有區(qū)別，但總體顯示出類似的溫度分布規(guī)律。此外，上、下冷池之間也存在3～5 ℃溫差，顯示出弱熱分層現(xiàn)象，原因是上冷池與下冷池間由隔板分隔，阻礙了上、下冷池間流體的直接質(zhì)量、熱量交換，主要依靠鈉的導(dǎo)熱作用實(shí)現(xiàn)其熱傳遞。

圖6 冷池支承肋板關(guān)鍵溫度分布Fig.6 Key temperature distribution in theribbed support plates in cold sodium pool

因此，額定工況下冷池內(nèi)局部“熱分界層”使得冷池上板溫度分布相對(duì)均勻，對(duì)于保持其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是有利的，但是該熱分層現(xiàn)象對(duì)于冷池內(nèi)豎向支承肋板強(qiáng)度提出了更高的要求。

3.2.3 冷池外筒

選取冷池外筒體溫度云圖如圖7(a)所示，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)線Line C1、C2定量溫度分布見圖7(b)。與冷池整體溫度分布規(guī)律類似，冷池外筒體上部區(qū)域溫度較高，在較短距離內(nèi)，筒體溫度從最高約390 ℃下降至冷池平均溫度范圍，最大溫差約36 ℃，進(jìn)一步證明了“熱分界層”區(qū)域的影響；筒體中部區(qū)域流體溫差小于5 ℃，整體溫度分布相對(duì)均勻。特別地，圖7(b)顯示筒體上部沿周向出現(xiàn)一定程度的溫度波動(dòng)，原因是IHX、DHX、主泵等關(guān)鍵設(shè)備在熱池內(nèi)沿周向布置，而IHX、DHX冷卻熱池內(nèi)的液鈉，主泵吸入腔室主要為來自冷鈉池的冷鈉，使得筒體周向局部位置溫度略有降低，形成沿筒體周向的溫度波動(dòng)，最大溫差約15 ℃。

此外，主容器冷卻系統(tǒng)出口位于冷池上板外側(cè)與冷池外筒體之間，被熱池徑向熱屏蔽外壁面加熱的液鈉經(jīng)節(jié)流件，由冷池外筒內(nèi)側(cè)環(huán)形流道處進(jìn)入冷鈉池，局部流動(dòng)矢量圖如圖7(a)所示。主容器冷卻系統(tǒng)出口熱流體使得該處溫度明顯高于冷池內(nèi)平均溫度，但熱流體進(jìn)入冷池后，與冷池內(nèi)大量的冷鈉混合，整體溫度趨于均勻。

圖7 冷池外筒關(guān)鍵溫度分布Fig.7 Key temperature distribution inthe outside wall of cold sodium pool

4 結(jié)論

本研究采用商用CFD軟件FLUENT，對(duì)池式鈉冷快堆CEFR 堆容器本體，包括冷、熱鈉池、主容器冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了全尺寸、一體化、三維數(shù)值計(jì)算，獲得堆容器內(nèi)三維溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布，對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件在額定運(yùn)行功率下的關(guān)鍵熱工特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要結(jié)論如下：

(1)熱鈉池、冷鈉池內(nèi)均存在熱分層現(xiàn)象，冷、熱鈉池間大部分溫差降低在三層水平熱屏蔽區(qū)域，冷、熱鈉池、主容器冷卻系統(tǒng)一體化耦合計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，為冷鈉池及其堆內(nèi)構(gòu)件的三維熱工計(jì)算提供了與實(shí)堆運(yùn)行工況更接近的邊界條件。

(2)由于冷鈉池中間隔板的隔離作用，在上、下冷池之間也存在一定程度的熱分層現(xiàn)象；并且在冷池近上板區(qū)域附近存在“熱分界層”區(qū)域，使得冷池上板雖然作為冷、熱鈉池的分隔板，但額定工況下溫度分布相對(duì)均勻，有利于減弱冷池上板由于溫度分布不均造成的熱應(yīng)力；但是該熱分層的存在，使得冷池支承肋板沿高度方向出現(xiàn)明顯溫差，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。

(3)熱池內(nèi)IHX、DHX等主要換熱設(shè)備的布置使得冷池外筒出現(xiàn)約15 ℃溫度變化；另外，由于主容器冷卻系統(tǒng)被加熱的液鈉在節(jié)流件出口處進(jìn)入冷池，對(duì)冷池外筒上部溫度分布也產(chǎn)生一定影響。

本三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果為現(xiàn)有一維系統(tǒng)程序計(jì)算結(jié)果提供有效補(bǔ)充與驗(yàn)證，基于本穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，可進(jìn)一步開展事故工況下堆內(nèi)整體三維熱工瞬態(tài)計(jì)算，為反應(yīng)堆事故安全分析、關(guān)鍵堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)提供重要熱工輸入數(shù)據(jù)。