反應堆下腔室結構設計范文

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《核動力工程雜志》2014年第三期

1結構分析

為了提高反應堆的固有安全性，AP1000和EPR在設計考慮時都將堆芯中子通量測量系統由原來的反應堆壓力容器下封頭引出改為從反應堆壓力容器頂蓋處引出。AP1000在此基礎上對下腔室結構進行了簡化（圖2），但是仍然保留了二次支承結構，同時為了改善下腔室流場，增設了渦流抑制板組件，對進入下腔室的冷卻劑進行初次的流量分配。EPR對下腔室的改進更為徹底（圖3）：取消了二次支承結構，增設了流量分配裝置，對進入堆芯的冷卻劑流量進行初次分配；在壓力容器上設計了8處徑向支承鍵，使其具備二次支承功能。顯然，AP1000的下腔室結構并不是一個最優化的結構，仍帶著大量的第二代反應堆下腔室結構的痕跡，二次支承結構的現場安裝還是比較困難。EPR的設計理念比較先進，取消二次支承結構，由徑向支承鍵兼有二次支承作用，盡量減少了下腔室結構的零部件數量，在一定程度上提高了反應堆結構的穩定性和可靠性，但是還有進一步提高的空間。

2結構模型

2.1結構優化方向對比M310、AP1000和EPR分析可以發現，下腔室結構優化的方向至少可以從以下幾個方面考慮：①在現有的基礎上提高下腔室的固有安全性；②盡量減少下腔室零部件的種類和數量；③提高下腔室結構的可靠性和穩定性；④下腔室結構應滿足熱工水力的要求；⑤設計的結構簡單，具有良好的可加工性。基于上述考慮，構建最基礎的原型反應堆下腔室結構（圖4），在不顯著降低其結構固有安全性、可靠性和穩定性情況下，根據下腔室流場分析結果，適當地增加或改變一些輔助性的機械結構，改善其綜合性能，使優化后的下腔室結構達到一個比較理想狀況，滿足熱工水力的要求。

2.2模型的原型結構基于結構優化方向，吸取第三代反應堆的優點，提出的反應堆原型下腔室結構設計方案采用橢球形封頭，取消反應堆下腔室內的二次支承結構和流量分配結構，只是保留徑向支承鍵作為對堆內構件下部徑向限位和二次支承用，堆芯下板作為進入堆芯的冷卻劑流量分配結構（圖4）。該結構最簡單，沒有二次支承或初次流量分配結構，固有安全性、可靠性和穩定性很高，下腔室零部件的種類和數量最少，制造和加工上不存在任何技術難度。缺點是堆芯入口的流量分配嚴重不均，最小流量流水孔的流量份額與平均流量份額相差數倍，不能滿足熱工水力的要求。

2.3結構優化思路

2.3.1模型1：板狀流量分配裝置在原型的基礎上，在堆芯支承板下面設置一個流量分配板作為初次流量分配結構，通過支撐柱連接固定在堆芯支承板上，徑向支承鍵作為對堆內構件下部徑向限位和二次支承用，堆芯支承板作為二次流量分配(圖5)。

2.3.2模型2：筒狀流量分配裝置在原型的基礎上，在堆芯支承板下面設置一個圓筒狀流量分配裝置作為初次流量分配結構，通過緊固件連接固定在堆芯支承板上，徑向支承鍵作為對堆內構件下部徑向限位和二次支承用，堆芯下板作為二次流量分配（圖6）。

2.3.3模型3：半球狀流量分配裝置在原型的基礎上，在堆芯支承板下面設置一個與橢球形下封頭同圓心的橢球狀流量分配裝置作為初次流量分配結構，通過緊固件連接固定在堆芯支承板上，徑向支承鍵作為對堆內構件下部徑向限位和二次支承用，堆芯下板作為二次流量分配（圖7）。

3計算分析

對于給出的幾種結構模型，通過建立三維模型、確定輸入條件和邊界條件，然后采用CFD方法進行流場分析，得到不同結構模型下的反應堆下腔室流場特點。

3.1邊界條件（1）入口：4個入口管均采用相同的穩定的質量流速邊界，并假定速度垂直入口面均勻分布。（2）出口：平均靜壓為0Pa。（3）壁面：均采用無滑移邊界。（4）湍流模型：SST模型。（5）離散方式：Upwind。

3.2模型和網格劃分采用UGNX6.0建立三維模型。采用網格劃分工具ICEMCFD10.0進行網格劃分。考慮到計算時間以及硬件條件的限制，進行分析時，網格數量盡量控制在300萬到1500萬之間。

3.3網格敏感性分析對不同網格數量方案下的網格敏感性進行分析。當網格數量較小時，隨著網格數量的增加，各截面壓力變化較大；當網格數量大于300萬時，隨著網格數量的增加，各截面壓力變化不大，趨于穩定。綜合考慮計算精度、計算資源以及時間成本的前提下，計算分析最終采用網格數量為575萬的網格方案。

3.4計算結果

3.4.1原型方案結構從圖8中可以發現，該結構堆芯下板處冷卻劑流量分配不均勻，最小流量流水孔其流量份額（歸一化處理）只有平均流量份額的41%。

3.4.2板狀流量分配裝置從圖9中可以發現，由于添加了流量分配板，冷卻劑在由下封頭流向堆芯下板區域時，受到流量分配板的流量分配作用，在進入堆芯下板時，中心區域的流量明顯被抑制，從而造成堆芯下板處流速較為均勻，最小流量流水孔其流量份額（歸一化處理）增加到85%，流量分配特性得到了明顯的改善。

3.4.3筒狀流量分配裝置從圖10中可以發現，采用筒裝流量分配裝置，冷卻劑在經過流量分配筒以后，邊角區域流水孔獲得相對更多的流量，進而使得堆芯下板流水孔處原本不均勻的流量分配得到有效改善，其最小流量份額（歸一化處理）增加到88%。

3.4.4半橢球狀流量分配裝置從圖11中可以發現，采用半橢球裝流量分配裝置以后，下封頭冷卻劑在經過該裝置后，流量分配特性得到了有效的改善，堆芯下板流水孔入口區域的流量均勻，最小流量流水孔其流量份額（歸一化處理）增加到91%。

4結論

（1）3種優化模型結構都比M310、AP1000、EPR的下腔室結構簡單，安裝方便，固有安全性、可靠性、穩定性、經濟性較高，可用于反應堆下腔室結構設計。（2）3種優化方案流量分配結構模型中，流量分配筒裝置和半橢球狀流量分配裝置對下腔室流場的改善狀況較好，入堆流量分配差額在±10%左右，結果比較理想。（3）采用橢球形下封頭能有效地降低反應堆壓力容器的高度和整個反應堆的高度，適用于堆高受限的方案。（4）在不考慮反應堆壓力容器高度和反應堆堆高的情況下，反應堆壓力容器下封頭可采用半球狀封頭，這有利于進一步改善下腔室流場特性。

作者：張宏亮劉海鵬方才順盧川單位：中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室海軍裝備部