一種SCWR概念設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)水動(dòng)力特性

胡尚武，匡 波，侯 東

（上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

超臨界水堆（SCWR）是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)之一，熱效率高、尺寸小、系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并且技術(shù)延續(xù)性與經(jīng)濟(jì)性有比較好的發(fā)展前景，已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。美國(guó)設(shè)計(jì)方案（以下簡(jiǎn)稱美國(guó)SCWR）是一種典型的SCWR設(shè)計(jì)方案，在該方案中作為慢化劑和冷卻劑的水將經(jīng)歷從次臨界向超臨界的轉(zhuǎn)變，物性在擬臨界點(diǎn)附近區(qū)域發(fā)生急劇變化，系統(tǒng)的水動(dòng)力特性較復(fù)雜。

另外，該方案中的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)利用自然循環(huán)排出堆芯余熱，由于超臨界系統(tǒng)在擬臨界點(diǎn)附近的體積熱膨脹系數(shù)變化劇烈因此具有較大驅(qū)動(dòng)壓頭，但是為了保證系統(tǒng)具有充足、穩(wěn)定的自然循環(huán)流量，還需要對(duì)PRHRS的自然循環(huán)能力與水動(dòng)力特性進(jìn)行深入的研究。

1 簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型及數(shù)值求解

美國(guó)SCWR為熱譜堆［1－2］，整堆功率為3 575MW，冷卻劑流量為1 843kg／s，采用145組燃料組件，燃料組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)計(jì)主泵給水進(jìn)入堆芯后90%的流量自上而下經(jīng)水棒通道到達(dá)下腔室，其余流量通過下降通道流入下腔室，攪混后自下而上進(jìn)入燃料棒通道，進(jìn)而離開堆芯。由于燃料組件裝載在組件盒內(nèi)組件間沒有橫向混流，可將組件內(nèi)流動(dòng)簡(jiǎn)化為一維流動(dòng)。簡(jiǎn)化后堆芯流道見圖2，簡(jiǎn)化的主系統(tǒng)如圖3。

可以看到，主系統(tǒng)由給水（進(jìn)口）管路、主泵、堆芯、蒸汽（出口）管路、汽機(jī)（等效冷阱）、壓力控制器等構(gòu)成，其中給水管道內(nèi)徑268mm，蒸汽管道內(nèi)徑298mm。

圖1 美國(guó)SCWR燃料組件

圖2 堆芯通道簡(jiǎn)化圖

圖3 主系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（見圖4）由進(jìn)、出口管路（與安注管路共用）、堆芯、隔離冷凝器、壓力控制器等構(gòu)成。隔離冷凝器為管殼式，包括1000根傳熱管；傳熱管高度為6m，內(nèi)徑為34mm。

圖4 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

在主系統(tǒng)與余熱排出系統(tǒng)的建模中把主泵視為點(diǎn)源，并且冷阱的冷卻功率等于堆芯功率，假定各管段都處在絕熱狀態(tài)，流體沿流動(dòng)方向一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，計(jì)算中不考慮流體的摩擦損耗的熱效應(yīng)，并忽略流道壁及慢化劑盒壁的軸向?qū)帷８鶕?jù)上述簡(jiǎn)化質(zhì)量方程為：

式中：W為循環(huán)流量，kg／s；z為沿回路流向上的坐標(biāo)，m。

動(dòng)量方程為：

式中：A為截面面積；ρ為流體密度；P（z）為截面z處壓力；g為重力加速度；θ為流道方向角（水平流動(dòng)時(shí)取0°，上升流動(dòng)取90°，下降流動(dòng)取－90°）；f（z）為截面z處的阻力壓降梯度；ΣDext為主泵驅(qū)動(dòng)壓頭。

其中循環(huán)回路截面z處的阻力壓降梯度包括沿程摩擦和局部阻力：

式中：ffr為沿程阻力壓降；fl為局部阻力壓降。

能量方程為：

式中：h（z）為截面z處的比焓；q（z）為截面z處的加熱或冷卻線功率；Q為功率；L為該段的長(zhǎng)度。

導(dǎo)熱方程和邊界條件：

式中：tc和ts分別為冷卻劑通道和慢化劑通道的溫度；hc和hs分別為冷卻劑通道和慢化劑通道側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)；λ為慢化劑盒材料導(dǎo)熱系數(shù)；δ為慢化劑盒壁厚。

摩擦系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)等均采用文獻(xiàn)［2－4］中關(guān)系式。據(jù)此對(duì)控制方程進(jìn)行離散化求解。其中，動(dòng)量方程離散形式為：

水動(dòng)力特性分析要求在式（1）、（3）和（4）的約束下，求解非線性方程（5）。循環(huán)回路驅(qū)動(dòng)力Fdrive（W，Q）和阻力Fresist（W，Q）都呈強(qiáng)烈非線性特征，因此必須采用非線性數(shù)值方法，求解方法見文獻(xiàn)［5］。

2 主系統(tǒng)的水動(dòng)力特性及輸熱

2.1 水動(dòng)力特性

美國(guó)SCWR堆芯滿功率為3 575MW，因此堆芯功率—循環(huán)流量水動(dòng)力特性在堆芯功率0～4 000MW范圍內(nèi)計(jì)算，得到主系統(tǒng)的曲線如圖5所示。

可以看到，超臨界水堆主系統(tǒng)的強(qiáng)制循環(huán)水動(dòng)力特性遠(yuǎn)沒有次臨界的壓水堆平坦。在（0，0）—（Q1，W1）區(qū)間，循環(huán)流量隨堆芯功率增加先變化較平緩，但到（Q1，W1）點(diǎn)后，流量隨堆芯功率下降開始變得顯著，而美國(guó)SCWR額定功率運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)（Qn，Wn）正處于這一區(qū)域，在水動(dòng)力特性上略顯不利，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮安全裕量有相應(yīng)儲(chǔ)備；（Q2，W2）為計(jì)算域功率最大值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。

（Q1，W1）、（Qn，Wn）、（Q2，W2）3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的堆芯內(nèi)物性分布如圖6所示。

圖6 工作點(diǎn)溫度及比熱容的分布

可以看到，在主系統(tǒng)水動(dòng)力曲線中功率—流量的轉(zhuǎn)折拐點(diǎn)（Q1，W1）工況下，超臨界水大比熱區(qū)峰值點(diǎn)（擬臨界點(diǎn)）正好位于堆芯出口附近，此時(shí)功率—流量曲線由平緩變化向顯著下降轉(zhuǎn)變。

圖7給出了W1、Wn、W2三個(gè)流量下系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力（泵揚(yáng)程＋浮力）、阻力隨堆芯功率的變化趨勢(shì)，可以看到：驅(qū)動(dòng)力與阻力均隨堆芯功率單調(diào)增加；驅(qū)動(dòng)力隨流量增加而降低，阻力則增加。

圖7 采用強(qiáng)制循環(huán)回路阻力隨加熱功率的變化

從圖中還可以看到：驅(qū)動(dòng)力與阻力隨堆芯功率變化均會(huì)有一個(gè)“轉(zhuǎn)變區(qū)”，經(jīng)過該轉(zhuǎn)變區(qū)后，驅(qū)動(dòng)力隨堆芯功率變化不顯著，而阻力則急劇增加。由于相應(yīng)工況下的穩(wěn)定工作點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)力和阻力曲線之交點(diǎn)，因此經(jīng)過該轉(zhuǎn)變區(qū)后主系統(tǒng)流量隨堆芯功率增加反而下降。

2.2 堆芯進(jìn)口溫度對(duì)循環(huán)流量的影響

汽機(jī)負(fù)載變化或其他原因都有可能導(dǎo)致堆芯進(jìn)口溫度變化，圖8示出了堆芯進(jìn)口溫度對(duì)主系統(tǒng)的水動(dòng)力特性的影響。

圖8 堆芯進(jìn)口溫度對(duì)循環(huán)流量的影響

隨著堆芯進(jìn)口溫度升高，系統(tǒng)循環(huán)流量降低，流量隨堆芯功率增加而顯著下降的拐點(diǎn)也提前，對(duì)流量下降區(qū)段的影響也較流量平坦區(qū)段大。因此，在實(shí)際運(yùn)行情況下進(jìn)口溫度過高可能使反應(yīng)堆在較高功率卻對(duì)應(yīng)較小循環(huán)流量，甚至導(dǎo)致堆芯傳熱工況惡化。為此，需在堆芯穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)中充分考慮這一影響，儲(chǔ)備較大的熱工裕量。

2.3 功率分布對(duì)循環(huán)流量的影響

實(shí)際運(yùn)行時(shí)燃料組件會(huì)出現(xiàn)不同軸向功率分布，本文分別計(jì)算了均勻與截?cái)嘤嘞遥ㄔO(shè)功率峰值／平均功率＝1.55）功率分布時(shí)系統(tǒng)水動(dòng)力曲線，如圖9。可以看到，余弦分布較均勻分布下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流量稍低，并且在過“轉(zhuǎn)變區(qū)”流量下降更顯著一些。于是，堆芯軸向功率分布對(duì)冷卻劑系統(tǒng)水動(dòng)力特性有一定影響，但總體上不明顯。

圖9 功率分布對(duì)循環(huán)流量的影響

2.4 主泵特性對(duì)主系統(tǒng)水動(dòng)力特性的影響

為理解主泵特性對(duì)主系統(tǒng)水動(dòng)力特性影響，本文選用圖10所示的5種流量揚(yáng)程特性泵進(jìn)行比較計(jì)算。計(jì)算中分兩個(gè)泵組：泵組A由泵1、2、3組成，其中泵1為美國(guó)SCWR基準(zhǔn)泵，該組泵流量揚(yáng)程特性陡度相同，但同流量下對(duì)應(yīng)揚(yáng)程不同，比較泵有效功率對(duì)主系統(tǒng)水動(dòng)力特性的影響；泵組B包括泵1、4、5，該組泵流量揚(yáng)程特性陡度不同，泵揚(yáng)程對(duì)流量變化自調(diào)整能力不同，且同流量下對(duì)應(yīng)揚(yáng)程差別較小，可近似比較不同自調(diào)整能力泵對(duì)主系統(tǒng)水動(dòng)力特性的影響。

圖10 循環(huán)泵的流量揚(yáng)程特性曲線

采用泵組A各泵時(shí)的主系統(tǒng)的水動(dòng)力特性見圖11。可以看到：在保持泵特性不變，冷卻劑系統(tǒng)循環(huán)流量隨泵有效功率與揚(yáng)程增加而依次增加，流量下降點(diǎn)依次后移，增加泵有效功率及揚(yáng)程對(duì)堆芯傳熱及主系統(tǒng)輸熱工況有利。采用泵組B各泵時(shí)主系統(tǒng)的水動(dòng)力特性見圖12。可以看到：在泵有效功率變化不大時(shí)，隨著泵4、1、5特性陡度依次降低（流量揚(yáng)程自調(diào)整能力增強(qiáng)），流量依次增加，泵陡度越小，對(duì)系統(tǒng)輸熱越有利。

圖11 泵有效功率對(duì)循環(huán)流量的影響

圖12 泵特性曲線陡度對(duì)循環(huán)流量的影響

3 余熱排出系統(tǒng)水動(dòng)力特性及余熱排出

利用數(shù)學(xué)模型可以計(jì)算余熱排出系統(tǒng)水動(dòng)力特性及余熱排出，還可以分析回路高度、堆芯進(jìn)口溫度以及進(jìn)出口阻力對(duì)流量的影響。

3.1 水動(dòng)力特性

以美國(guó)SCWR的一個(gè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（PRHRS）設(shè)計(jì)為例，該系統(tǒng)進(jìn)水管路進(jìn)口壓力為25MPa，進(jìn)口溫度為553.15K（280℃）。在上述邊界條件下，以余熱軸向功率均勻分布的情況為基準(zhǔn)工況，堆芯余熱功率為0～2 000MW下的系統(tǒng)水動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果見圖13。

圖13 基準(zhǔn)工況下的功率流量曲線

可以看到，主泵強(qiáng)制循環(huán)的主系統(tǒng)相比，工作于自然循環(huán)的PRHRS水動(dòng)力特性更加“不平坦”，PRHRS的流量W先隨不同的余熱功率Q為單調(diào)增，至某最值Wm后又單調(diào)降低。Wm為PRHRS最大可能的流量，Qm為系統(tǒng)最大輸熱能力，它們反映PRHRS的最大自然循環(huán)能力，顯然，（Qm，Wm）以后的區(qū)域?qū)?shí)際PRHRS熱交換器設(shè)備傳熱以及余熱排出應(yīng)用是不利的。

進(jìn)一步計(jì)算表明，當(dāng)余熱功率Q上升到堆芯出口處正好處于擬臨界點(diǎn)附近區(qū)域時(shí)，PRHRS流量達(dá)到最大值Wm。圖14給出了圖13上（Q1，W1），（Qm，Wm）和（Q2，W2），三個(gè)工作點(diǎn)下堆芯內(nèi)各處主流溫度及比熱分布。在最大自然循環(huán)能力（Qm，Wm）工作點(diǎn)下，堆芯流道內(nèi)超臨界水比熱峰值（擬臨界點(diǎn)）正好位于出口附近處；而且該點(diǎn)也正是PRHR自然循環(huán)系統(tǒng)水動(dòng)力特性的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；這與主冷卻劑強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)結(jié)論一致。

圖14 不同工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度及比熱容沿堆芯流動(dòng)方向上的分布

在反應(yīng)堆余熱排出工況（余熱排出功率在幾十至數(shù)百兆瓦左右；壓力由超臨界高壓降至亞臨界低壓），其中PRHRS運(yùn)行工作點(diǎn)起始于圖13中的點(diǎn)（Q3，W3）附近，在整個(gè)余熱排出階段遠(yuǎn)離功率流量曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（Qm，Wm），運(yùn)行中不會(huì)進(jìn)入（Qm，Wm）以后區(qū)域，表明系統(tǒng)安全且對(duì)余熱排出有利。隨后，隨著系統(tǒng)壓力和排熱功率降低，工作點(diǎn)會(huì)向自然循環(huán)流量減小方向移動(dòng)。圖15給出PRHRS工作區(qū)域（下同）不同壓力下功率流量曲線，可以看到在超臨界壓力以上，壓力對(duì)PRHRS水動(dòng)力特性影響甚微。

圖15 不同壓力壓力下的功率流量曲線

3.2 回路高度對(duì)流量的影響

在自然循環(huán)回路中，系統(tǒng)回路高度是一重要影響因素，故增加PRHRS中換熱器高度能增加余熱排出回路驅(qū)動(dòng)壓頭，但細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的PRHRS其他風(fēng)險(xiǎn)也有所增加，需優(yōu)化考慮。圖16給出換熱器頂端距直接安注（DVI）口高度分別為16m、20m、24m時(shí)PRHRS 排熱功率流量曲線，即水動(dòng)力特性。

圖16 回路高度對(duì)流量的影響

可以看到，排熱能力相同時(shí)，PRHRS流量隨高度增加而增加；流量相等時(shí)，余熱排出功率隨高度增加而增加。但PRHRS換熱器高度對(duì)余熱排出能力提高的作用相當(dāng)有限。

3.3 堆芯進(jìn)口溫度對(duì)流量的影響

當(dāng)PRHRS排熱發(fā)生變化造成堆芯進(jìn)口溫度變化時(shí)，堆芯進(jìn)口溫度對(duì)不同堆芯余熱功率下流量的影響見圖17。可以看到，堆芯進(jìn)口溫度越高，需更多排出余熱，而此時(shí)PRHRS流量更大，排熱能力更強(qiáng)，故系統(tǒng)具有一定自適應(yīng)自調(diào)整能力，但相對(duì)比較有限。

圖17 堆芯進(jìn)口溫度對(duì)流量的影響

3.4 進(jìn)出口阻力對(duì)流量的影響

圖18 和圖19給出了堆芯不同的進(jìn)、出口阻力對(duì)PRHRS運(yùn)行流量的影響。

圖18 進(jìn)口阻力對(duì)流量的影響

圖19 出口阻力對(duì)流量的影響

可以看到，不論堆芯進(jìn)口或出口，阻力增加致PRHRS流量降低。其中，堆芯出口局部阻力影響隨余熱功率的增加越來越明顯，不過進(jìn)口阻力對(duì)不同余熱排出功率下的流量影響則相對(duì)較小。顯然PRHRS設(shè)計(jì)中要特別注意降低系統(tǒng)局部阻力，以提高系統(tǒng)的排熱能力。

4 結(jié)論

本文針對(duì)一種超臨界水堆（美國(guó)SCWR）概念設(shè)計(jì)，通過建立簡(jiǎn)化的主系統(tǒng)和非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)水動(dòng)力模型，計(jì)算分析其水動(dòng)力特性、輸熱能力及影響因素，主要結(jié)論有：

1）在該SCWR設(shè)計(jì)中，主系統(tǒng)循環(huán)流量隨堆芯功率提升先平緩變化，之后開始下降。SCWR運(yùn)行工作點(diǎn)在水動(dòng)力特性上處于稍不利的區(qū)域，設(shè)計(jì)中需考慮運(yùn)行裕量；主系統(tǒng)中，堆芯進(jìn)口溫度升高可能會(huì)在較高堆功率工況下，出現(xiàn)循環(huán)流量降低過多的現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)通過控制保護(hù)系統(tǒng)防止進(jìn)口溫度過高；一定范圍內(nèi)提高主泵有效功率、降低流量揚(yáng)程曲線陡度均可有利于系統(tǒng)輸熱。

2）針對(duì)PRHRS的設(shè)計(jì)，其水動(dòng)力曲線更“不平坦”，但其實(shí)際工作點(diǎn)遠(yuǎn)離輸熱不利區(qū)域，運(yùn)行區(qū)域相對(duì)有利；系統(tǒng)對(duì)對(duì)堆芯進(jìn)口溫度變化有一定的自調(diào)節(jié)與自適應(yīng)能力；但顯著提高RHR換熱器位置（即增加回路高度）對(duì)提高PRHRS余熱排出流量的作用有限。

［1］Philip MacDonald，Jacopo Buongiorno，James Sterbentz，Cliff Davis，Robert Witt.Feasibility Study of Supercritical Light Water Cooled Reactors for Electric Power Production［R］／／INEEL／EXT－04－02530，Idaho National Engineering and Environment Laboratory.

［2］W S Yang.Initial Implementation of Multi－Channel Thermal－Hydraulics Capability in Frequency Domain SCWR Stability Analysis Code SCWRSA［R］／／Argonne National Laboratory，September 15，2005.

［3］于平安.核反應(yīng)堆熱工分析［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社.2002.

［4］Mc Adams W H.Heat transmission［M］.New York：McGraw－Hill，NY，USA，1942.2nd edition.

［5］M.Kubicek，M.Marek，Computational Methods in Bifurcation Theory and Dissipative structures［M］，Spring－Verlag，New York Inc.，1983.