CEFR整體冷鈉池及其輔助系統溫度場三維數值模擬

馮預恒，趙 勇，周志偉，劉一哲，楊紅義

(中國原子能科學研究院 中國實驗快堆工程部，北京 102413)

中國實驗快堆(CEFR)一回路所有設備和構件都安放在鈉池內，一回路主冷卻系統有兩條并聯的環路，在熱鈉池內共用1個通道，通過中間熱交換器流出熱鈉池進入冷鈉池后，一回路主冷卻系統兩條環路各自獨立運行。每個環路包括兩臺中間熱交換器、主循環泵吸入腔室、1臺主循環泵和兩根壓力管。一次鈉凈化系統回鈉管和取鈉管穿過的一側為第1、2條環路，與之對應的冷鈉池命名為1、2號冷鈉池。由于凈化系統在兩個冷鈉池的運行方式不同，導致兩個冷鈉池的中間熱交換器出口流量及主循環泵吸入腔進口流量存在差異。因此，本工作對兩個冷鈉池共同建模計算，以取得更精確的結果。

在以前的設計文件[1]中，曾對-9.445 m以上冷鈉池進行穩態三維數值計算，主要完成了CEFR在額定參數運行工況下冷鈉池內的熱工流體力學分析。本工作將對CEFR一回路整體冷鈉池及其相關輔助系統進行模擬計算和分析，計算范圍向下擴展到-11 m以上冷鈉池，并包括所有相關輔助系統，以得到整體冷鈉池完整的溫度場。

1 建模及邊界條件

對整體冷鈉池及其輔助系統建模。在上冷鈉池內、鈉泵吸入腔和中間熱交換器共建8個模塊，水平孔道腔和鈉充排腔各建1個模塊，下冷鈉池內共建16個模塊。每個模塊均可單獨計算。

1.1 冷鈉池結構

冷鈉池的范圍如下：主容器隔熱層內表面以內、標高為-6.4 m隔板以下和堆芯支承桶以外的所有空間，以及-6.4 m以上兩個泵吸入腔室。冷鈉池的具體結構和腔室分布示于圖1。

1.2 冷鈉池輔助系統

冷鈉池的幾個重要輔助系統如下：1) 主容器冷卻系統；2) 泵支承冷卻系統；3) 一回路鈉凈化系統。

冷鈉池內的流動情況較復雜，輔助系統的出口鈉溫均與冷鈉池的平均溫度不等，且兩者間的溫差均在40 ℃以上。由于輔助系統結構差異很大，給結構的網格生成帶來很多困難，需在網格構造上予以特別考慮。

1.3 計算模型的主要簡化

在建模過程中按1∶1真實模擬快堆冷鈉池及其部件的形狀和尺寸，但受計算硬件條件限制，對其中部分極小尺寸的部件或不可知流

道進行適當簡化，以確保計算的正確性和可行性，被簡化的部件如下。

1) 中間熱交換器和水平熱屏蔽間存在1 mm漏流，因流量和出口溫度不可確定，且將極大增加網格的數量，因此計算時將其忽略。

2) 水平孔道所在腔室內，鈉在其中的流動性非常差，且冷鈉池主流道不經過該腔室。同時，在運行過程中，水平孔道關閉，對整體冷鈉池的熱工流體參數影響較小。因此，計算時忽略水平孔道的影響。

3) 各類冷鈉池肋板、支承板和隔板的厚度不等，但皆尺寸較小且數量龐大，如果在模擬中增加厚度，網格數將可能達到上億，計算將無法進行。在正常運行時，因各類冷鈉池肋板、支承板和隔板皆浸泡在冷鈉池內，因此將鋼體與周邊液體視為一致。

4) 大柵板聯箱外屏蔽柱所處區域流動性較差，且屏蔽柱之間相互接觸，對溫度場影響很小，因此將其忽略。

5) 泵旁路流量計系統對冷鈉池及泵入口鈉溫無影響，因此將其忽略。

1.4 計算中材料及物性的輸入參數

流質為鈉，流體內壓力為常壓。為真實模擬額定工況下冷鈉池的流動及溫度的影響，各物性參數皆隨溫度而改變。

液態鈉的密度ρ、黏度μ、比熱容c、導熱系數λ具體計算公式如下。

ρ=16.018 5(59.356 6-7.750 4×

10-3(1.8t+32)-0.287 2×10-6(1.8t+

32)2+0.060 3×10-9(1.8t+32)3)

μ=0.123 5ρ1/3exp(697ρ/1.8t)t≤500 ℃

c=41.86(0.389 352-1.105 99×

10-4(1.8t)+3.411 78×10-8(1.8t)2)

λ=1.729 58(54.306-1.878×10-2(1.8t+

32)+2.091 4×10-6(1.8t+32)3)

圖1 冷鈉池結構(a)和腔室分布(b)

式中，t為材料的溫度。

2 計算結果

2.1 冷鈉池的溫度場

圖2示出冷鈉池的溫度場。從圖2可見，在冷鈉池內，中間熱交換器泵腔溫度相對較低，流動相對較差的鈉充排腔(另一環路的水平孔道腔)的溫度相對較高，低溫區出現在-9.445 m以下區域。

圖2 冷鈉池的溫度場

2.2 主泵吸入腔內的溫度分布

圖3示出主泵吸入腔內的溫度分布。由圖3可見，影響泵入口溫度的因素如下。

圖3 主泵吸入腔的溫度分布

1) 溫度為400 ℃、流量為12.15 kg/s的泵支承冷卻系統出口流量，未在冷鈉池內充分冷卻即被主泵吸入到泵內套筒間的環形主流道內，直接到達泵入口，對泵吸入腔的入口溫度影響較大，這直接導致了泵入口溫度的上升，并決定了泵入口的溫度分布。

2) 與主泵同處一室的8個主容器冷卻系統出口管，其流量為8×0.8 kg/s，溫度為400 ℃。尤其是較靠近主泵的5個出口管，此部分流量大部分直接被主泵吸入到泵腔，對泵入口溫度影響也較大。

3) 一次鈉泵在熱屏蔽的偏心設計，導致面向堆芯方向的流道面積遠大于其反方向的流道，飄浮在熱屏蔽內的高溫鈉，大部分通過兩個背對堆芯方向的鈉泵入口流出。因此，主泵的兩對鈉泵入口的鈉溫存在差異，其溫度分布示于圖4。由圖4a可知，泵入口溫度上高、下低，變化范圍約在360.75～364.856 ℃之間，溫差約為3 ℃，泵入口平均溫度為363.449 ℃，且1、2號冷鈉池的泵入口溫度基本相同。

a——面向堆芯方向；b——背對堆芯方向

2.3 泵支承冷卻系統支承梁的溫度分布

鈉泵工作環境的設計要求為低于400 ℃，但一回路鈉泵貫穿的外熱鈉池(生物屏蔽柱將熱鈉池分為內、外熱鈉池)平均鈉溫為515 ℃，遠高出鈉泵的工作環境溫度。為保障一回路鈉泵的正常運行，在其貫穿熱鈉池部分，設計泵支承冷卻系統，其冷卻劑從一回路主冷卻系統中引出。即在一回路鈉循環泵止回閥前方設計5個支承梁，將泵支承冷卻系統和一回路主管道相連。泵支承冷卻系統支承梁和支承板布置示于圖5，圖中中心圓環外的5個肋片為支承梁，外圍的水平板為支承板。

圖5 泵支承冷卻系統支承梁和支承板布置

泵支承冷卻系統為一回路主冷卻系統的支流，為保證流量既能滿足泵支承冷卻系統，又不影響堆芯的流量分配，在5個支承梁的流道內，分別設計了3種流道及多種節流裝置。

圖6示出泵支承冷卻系統支承梁的溫度分布。由圖6可見：每根支承梁溫度分布均為下高、上低；5根支承梁中，靠近主容器冷卻系統的兩根支承梁溫度較高，這再次證實主容器冷卻系統出口對泵腔入口區域影響較大；每根支承梁上、下溫差達4 ℃，內、外梁間相差3.6 ℃，平均溫度在361～365 ℃之間。

圖6 泵支承冷卻系統支承梁的溫度分布

2.4 支承板的溫度分布

每個主泵吸入腔各有7塊支承板，每塊支承板高600 mm，寬度各不相同，支承板與泵圍桶的最下部相連，分布在泵的四周。

圖7示出主泵吸入腔的支承板溫度分布。由圖7可見：7塊支承板對主泵吸入腔的流場及溫度分布影響不大，7塊支承板的溫度分布各不相同，但其溫度分布規律為上高、下低，這緣于熱鈉池向冷鈉池的熱擴散。影響支承板溫度分布的主要因素如下。

圖7 主泵吸入腔的支承板溫度分布

1) 支承板軸向靠近主泵入口處，其溫度分布主要取決于流過四周的流體，支承板溫度與流體溫度相同。

2) 支承板軸向遠離主泵入口處的溫度分布為：(1) 如果與φ4.780 m的下生物屏蔽支承筒相連，支承板最高溫度出現在此處；(2) 如果與主容器的外壁相連，支承板出現最低溫度，這是因為冷鈉池向四周散熱導致局部溫度下降，間接影響到支承板；(3) 在7塊支承板中，其最高溫度出現在靠近主容器冷卻系統出口處，溫度為361～373 ℃，平均溫度為364 ℃。

總之，主泵吸入腔的支承板對冷鈉池內高溫鈉的滯留作用有限，對冷鈉池內溫度的分布及流場影響有限。由于與泵殼體和泵熱屏蔽未直接接觸，且支承板的主要部分均處于冷鈉池主流道內，所以，支承板的溫度較低。

一環路和二環路7塊支承板的溫度分布基本相同。

2.5 水平孔道腔和鈉充排腔內流場及溫度分布

水平孔道腔和鈉充排腔內流體溫度分布示于圖8。由圖8可見，中間熱交換器部分出口流量的溫度較低，從支承肋板開孔底部進入水平孔道腔和鈉充排腔后，與腔室內滯留的流體相互攪混，部分通過支承肋板開孔上部回流到中間熱交換器出口腔。因此，水平孔道腔和鈉充排腔內的流體流動雜亂無序，且流速較低。

圖8 水平孔道腔(a)和鈉充排腔(b)內的流體溫度分布

但水平孔道腔和鈉充排腔對冷鈉池的影響不能忽略。因腔內儲存了大量從中間熱交換器出口來的低溫鈉，且回流到中間熱交換器出口腔，直接降低了中間熱交換器出口腔的溫度；在加入到主流道后，更是影響了泵入口的鈉溫。此次模擬證明，水平孔道腔和鈉充排腔，尤其是水平孔道腔，其體積是冷鈉池各腔室中最大的一個，它們對冷鈉池的影響不能忽略。

從圖8可發現，鈉充排腔內的平均溫度較水平孔道腔的高。計算結果為：水平孔道腔內的平均溫度為359 ℃，鈉充排腔內的平均溫度為368 ℃。

2.6 -9.445～-6.4 m之間的支承肋板溫度分布

CEFR冷鈉池內設計并安裝了大量支承肋板，其主要功能為承擔冷、熱鈉池內液態鈉及池內設備導致的重力載荷。CEFR冷鈉池內的支承肋板共有3類，每類支承肋板又有兩種型號，即支承肋板和支承肋隔板，其空間分布規律為：第1類支承肋板分布在-9.445～-6.4 m，第2、3類支承肋板共同分布在軸向-9.445～-11 m，縱向上，在φ4.780 m以外為第2類支承肋板，以內為第3類支承肋板。

CEFR在-9.445～-6.4 m之間共設計8塊第1類支承肋板，支承肋板的開孔為高2.115 m、寬0.65 m，四邊倒腳。

將第1類8塊支承肋板根據其所處腔室分3種情況進行研究：1) 主泵吸入腔與旁邊的兩個中間熱交換器出口腔室間的支承肋板；2) 中間熱交換器與水平孔道腔之間的支承肋板；3) 中間熱交換器與鈉充排腔之間的支承肋板。

一環路、二環路主泵與中間熱交換器之間的支承肋板溫度分布示于圖9。由圖9可見，兩者溫度相差較大，說明兩個環路不對稱，這對運行是不利的。

2.7 主容器內壁溫度分布

本次計算只模擬了冷鈉池內-6.445～-11 m間的主容器內壁溫度分布(-6.445～-3.75 m間的主容器內壁溫度分布由主容器冷卻系統的三維數值模擬完成)。-9.445 m之上一環路、二環路方向主容器內壁溫度分布示于圖10。-9.445 m之下一環路、二環路方向主容器內壁溫度分布示于圖11。由圖10、11可見，溫度分布的總體趨勢是上高、下低，大體可分為高溫區、平均溫度區和低溫區。除主泵吸入腔以外，-7.095 m之上為高溫區，在-7.095～-9.445 m之間為低溫區，-9.445 m之下為平均溫度區。導致其分布的主要原因如下。

圖9 一環路(a)、二環路(b)主泵與中間熱交換器之間的支承肋板溫度分布

1) 上部的高溫區出現在-7.095 m附近，這是因為主容器冷卻系統出口鈉溫較高，熱鈉池向冷鈉池熱擴散，以及高溫鈉因密度較小而漂浮在冷鈉池上方。

2) 低溫區出現在中間，其最高點與中間熱交換器出口最上沿基本一致，是中間熱交換器出口區低溫鈉經過并部分滯留所致。低溫區下邊界之所以在-9.445 m，是因為該處為堆內水平中板，將上、下冷鈉池隔離，同時也阻止了冷鈉下沉，并將冷鈉滯留至此區域。

3) 平均溫度區即為360 ℃鈉溫區，除鈉凈化出口區域和水平中板漏流區域，基本分布在下冷鈉池。由此處溫度分布可看出，下冷鈉池內流體流動性較差，基本保持在靜止狀態。

圖10 -9.445 m之上一環路(a)、二環路(b)方向主容器內壁溫度分布

圖11 -9.445 m之下一環路(a)、二環路(b)方向主容器內壁溫度分布

3 結論

應用大型三維商業軟件CFX進行冷鈉池計算，獲得了整體冷鈉池各腔室內溫度的分布，冷鈉池計算結果表明：冷鈉池內存在熱分層和熱分區現象，將冷鈉池視為一同溫區或簡單按照標高等劃分溫區的方法是不正確的；流入冷鈉池的冷鈉并不是與整個冷鈉池的鈉攪混，冷鈉池上板的高溫區確實存在；泵腔室上部的溫度較其他區域的高，這一點已被堆上的運行數據證實。以上計算結果對反應堆調試和運行具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 張建濤，孫琦. 堆內支承結構熱工計算[R]. 北京：中國原子能科學研究院，2002.