反應(yīng)堆壓力容器安注接管嘴熱工水力瞬態(tài)分析

王保平 于德勇 韓 冰

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213）

0 引言

當(dāng)安注系統(tǒng)向壓力容器注入冷流體，將導(dǎo)致壓力容器內(nèi)壁金屬受到冷沖擊設(shè)計(jì)瞬態(tài)發(fā)生時(shí)，安注系統(tǒng)向壓力容器注入冷流體，將導(dǎo)致反應(yīng)堆壓力容器接管嘴受到較強(qiáng)的冷沖擊。為詳細(xì)評(píng)價(jià)該工況下壓力容器管嘴的結(jié)構(gòu)完整性，本文利用計(jì)算流體力學(xué)方法，詳細(xì)計(jì)算了該工況下反應(yīng)堆壓力容器安注接管嘴及壓力容器內(nèi)壁面的溫度分布。本文考慮的設(shè)計(jì)瞬態(tài)有安注系統(tǒng)誤動(dòng)作和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓兩類(lèi)工況。

安注系統(tǒng)誤動(dòng)作：假定冷水注入要維持10 min。兩臺(tái)高壓安注泵向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)注水。安注管線中冷水和硼注入箱的水注入反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，在瞬態(tài)開(kāi)始600 s后，安注水為來(lái)自換料水箱中的水。

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓：假定冷水注入要維持10 min。這個(gè)瞬態(tài)不同于“安注系統(tǒng)誤動(dòng)作”瞬態(tài)，在這個(gè)瞬態(tài)中，安注流量更大，管線中的水和硼注入箱中的水排放時(shí)間要短。

基于以上兩種工況，對(duì)力容器安注接管嘴及壓力容器內(nèi)壁面的溫度分布開(kāi)展仿真研究。

1 計(jì)算模型

建模時(shí)重點(diǎn)考慮了反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)、吊籃外的冷卻劑流動(dòng)區(qū)域，而對(duì)其他不影響流體流動(dòng)的區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化。

壓力容器筒體模型如圖1所示（其中圖1（a）為仰視圖），模型保留了主管道冷段接管嘴和安注接管嘴，以及主管道熱段接管嘴在壓力容器內(nèi)的部分。為了簡(jiǎn)化模型并便于計(jì)算，建模過(guò)程中取消了壓力容器的上封頭和下封頭，截取筒體高度7 m，主管道和安注接管嘴中心位于距筒體上端面1.9 m高度平面上，吊籃外壁和筒體內(nèi)壁在整個(gè)筒體高度范圍內(nèi)直徑保持均一，且不考慮堆焊層的厚度。計(jì)算過(guò)程中流動(dòng)區(qū)域上部邊界定義為壁面邊界，計(jì)算中不考慮旁流；下部邊界定義為出口邊界，不考慮冷卻劑向堆芯的流動(dòng)。本文利用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS CFX 10.0計(jì)算。網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為100萬(wàn)。湍流計(jì)算模型采用工程中常用的k-ε模型。瞬態(tài)模擬時(shí)間為600 s。

圖1 壓力容器物理模型

2 材料物性

反應(yīng)堆冷卻劑為含硼水，其密度、定壓比熱、動(dòng)力粘度等物性參數(shù)隨溫度有較明顯的變化。設(shè)計(jì)瞬態(tài)過(guò)程流體溫度區(qū)間較大（40～291.6℃），因此，為反映瞬態(tài)過(guò)程流體溫度信息和導(dǎo)熱性能，計(jì)算時(shí)必須考慮流體物性隨溫度的變化。

另外，金屬的導(dǎo)熱性能也會(huì)嚴(yán)重影響流體與金屬之間的熱量傳遞。由于壓力容器筒體內(nèi)壁有金屬材料堆焊層，本報(bào)告在建模時(shí)沒(méi)有考慮堆焊層的厚度，但該金屬材料的傳熱性能是影響金屬壁面溫度的重要因素。因此在計(jì)算時(shí)，根據(jù)堆焊層金屬材料傳熱性能選定計(jì)算模型中金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)和定壓比熱參數(shù)。

3 瞬態(tài)過(guò)程假設(shè)

本文選擇可以包絡(luò)性較強(qiáng)的安注系統(tǒng)誤動(dòng)作和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓兩個(gè)瞬態(tài)進(jìn)行分析，瞬態(tài)開(kāi)始后從安注接管注入的流體溫度在2 s內(nèi)從291.6℃下降到40℃，該時(shí)間過(guò)于保守且不能反應(yīng)真實(shí)的瞬態(tài)過(guò)程。安注接管嘴與上游的第二道止回閥之間的管線長(zhǎng)度為5.67～6.28 m，假設(shè)在瞬態(tài)開(kāi)始前這一段管線內(nèi)的流體沿著管道的走向溫度由高到低呈線性分布，瞬態(tài)剛開(kāi)始的一段時(shí)間，注入壓力容器的流體為這一段管道內(nèi)的流體，之后才是止回閥后來(lái)自換料水箱內(nèi)的冷流體。根據(jù)這一段的管道長(zhǎng)度和瞬態(tài)下的安注流速，可以計(jì)算得到瞬態(tài)開(kāi)始后從安注接管注入流體的降溫時(shí)間（從291.6℃下降到40℃）。因此，對(duì)于安注系統(tǒng)誤動(dòng)作瞬態(tài)，安注接管嘴注入的流體降溫時(shí)間為30 s，對(duì)于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓瞬態(tài)，安注接管嘴注入的流體降溫時(shí)間為20 s。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

本文計(jì)算得到了瞬態(tài)發(fā)生時(shí)安注接管嘴和壓力容器內(nèi)壁面的溫度分布，在壓力容器內(nèi)壁面上選擇有代表性的16個(gè)點(diǎn)（見(jiàn)圖2和圖3）。這些點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系見(jiàn)圖4和圖5。

圖2 安注系統(tǒng)誤動(dòng)作瞬態(tài)取點(diǎn)位置

圖3 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓瞬態(tài)取點(diǎn)位置

圖4 安注系統(tǒng)誤動(dòng)作瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖5 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)誤失壓瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果

同時(shí)，計(jì)算得到了瞬態(tài)發(fā)生時(shí)RPV內(nèi)部流動(dòng)空間的流場(chǎng)及壓力分布。兩種瞬態(tài)下，由安注接管注入的流體在穩(wěn)態(tài)時(shí)的流線見(jiàn)圖6，由于主管道冷段注入的流速較高的流體的影響，由安注接管注入的流體在進(jìn)入壓力容器后先向上流動(dòng)，然后向下，在冷段接管嘴附近出現(xiàn)了一個(gè)漩渦后沿出口方向流出。本文以安注系統(tǒng)誤動(dòng)作瞬態(tài)為例，針對(duì)上述流動(dòng)現(xiàn)象，做簡(jiǎn)要分析。

圖6 安注接管處流體流線（600 s時(shí)）

從主管道冷段入口進(jìn)入的流體速度為16.9 m/s，進(jìn)入壓力容器后直接沖擊在吊蘭外壁上，高速的流體在沖擊吊蘭外壁之后，沿著吊蘭外壁呈發(fā)散狀向四周流動(dòng)，如圖7所示。在水平橫截面上會(huì)形成吊蘭附近流體流速較高，而壓力容器內(nèi)壁附近流體流速較低的流場(chǎng)速度分布，如圖8（a）所示（所取截面標(biāo)高為安注接管中心高度）。主管道冷段接口處流速較高，而在安注管接口處附近流速較低，兩側(cè)的高速流體在這里進(jìn)行對(duì)沖，其速度降低，而靜壓增高，如圖8（b）所示。由于安注接管處的靜壓相對(duì)主管道冷段入口附近的靜壓要高，使流體在壓力容器側(cè)出現(xiàn)回流。同理，在安注接管入口下部附近由于流體對(duì)沖產(chǎn)生的局部高壓會(huì)在壓力容器內(nèi)壁側(cè)出現(xiàn)一個(gè)向四周發(fā)散的流動(dòng)，其發(fā)散中心的位置大致位于其接入口下部500 mm處，但這一位置會(huì)受到安注管接入點(diǎn)以及主管道熱段的影響。

圖7 安注接管處流體流線（600 s時(shí)）

圖8 主管道中心標(biāo)高位置水平橫截面速度及壓力分布

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，得到了瞬態(tài)過(guò)程的反應(yīng)堆壓力容器及其安注接管嘴金屬內(nèi)壁的溫度分布，可作為詳細(xì)評(píng)價(jià)該工況下壓力容器管嘴的結(jié)構(gòu)完整性的支撐。