乏燃料運輸容器傳熱支撐板對卸料過程的影響分析

殷 勇, 李其朋, 馬慶俊

(中廣核研究院有限公司， 廣東深圳 518124)

核電技術

乏燃料運輸容器傳熱支撐板對卸料過程的影響分析

殷 勇, 李其朋, 馬慶俊

(中廣核研究院有限公司， 廣東深圳 518124)

針對自主設計的乏燃料運輸容器卸料冷卻過程，開展卸料冷卻過程熱工分析，研究傳熱支撐板對卸料冷卻過程的影響。分別建立不包含傳熱支撐板和包含傳熱支撐板的幾何模型，通過對兩種幾何模型進行簡化并取1/4為研究對象，采用k-ε方程湍流模型，利用Fluent完成熱工計算。分析結果表明：傳熱支撐板對卸料冷卻總時間的影響達到20%，傳熱支撐板對乏燃料運輸容器卸料熱工分析的影響不能忽略。

乏燃料； 運輸容器； 傳熱支撐板； 卸料冷卻； 熱工分析

Abstract： Thermal analysis was conducted on the unloading and cooling process of a self-developed spent fuel transport container with supporting slab, so as to analyze the effects of the slab on heat transfer behavior of the container during unloading and cooling process. Based on models set up respectively for the container with and without supporting slab, taking one-fourth of both the simplified models as an object of study, thermal calculation was carried out usingk-εturbulent model with Fluent software. Results show that the cooling time affected by the supporting slab accounts for 20% of the total during unloading and cooling process, which can not be neglected during thermal analysis of spent fuel transport containers.

Keywords： spent fuel; transport container; heat transfer supporting slab; unloading and cooling; thermal analysis

乏燃料運輸容器輔助設備是用于對乏燃料運輸容器進行充水排氣、充氣排水、充氣風干的設備，并通過對已裝載乏燃料組件的容器進行充水冷卻，實現乏燃料組件的安全裝卸。其中的卸料冷卻模塊用于排除容器內乏燃料的余熱，冷卻過程包括充水排氣階段和熱水置換階段。充水排氣階段向容器緩慢充入冷卻水，降低乏燃料組件表面溫度。如果此時的出口水溫仍大于允許水溫，則進入熱水置換階段，繼續向容器內連續注入冷卻水進行置換，直至出口水溫低于允許水溫。由于裝載有乏燃料組件的運輸容器具有放射性，需要保證卸料冷卻模塊能夠盡可能快速地完成冷卻功能。

筆者采用大型流體計算軟件Fluent，通過對自主設計的乏燃料運輸容器卸料冷卻過程進行熱工分析，分析容器傳熱支撐板對卸料冷卻過程的影響，確定卸料冷卻時間以及流程關鍵時間點的容器內部溫度場分布情況，從而及時、快速和經濟地得到運輸容器的卸料冷卻時間參數以及容器內部的溫度場分布情況，為后續的結構改進、制定運行程序和試驗策略提供重要的參考依據。

1 乏燃料運輸容器本體結構

乏燃料運輸容器為鋼制圓柱形密閉金屬筒，主要由外殼組件、外蓋組件、內蓋組件和吊籃組件組成，結構見圖1。吊籃組件主要包括頂板組件、底板組件、貯存套管、傳熱板、支撐板以及螺桿組成。內蓋組件分布在筒體上部，進(排)氣、進(排)水孔分布在內蓋組件上，其中進(排)水孔會有管道直通到容器底部。

圖1 乏燃料運輸容器結構示意圖

在卸料冷卻工藝過程中，外蓋組件不安裝，冷卻水(25 ℃)通過進(排)水孔以及容器內的管道進入容器底部，氣體(或者置換水)從進(排)氣孔排出。

2 計算程序及方法

筆者采用專業前處理軟件ICEM程序創建網格模型，國際通用的計算流體計算軟件Fluent求解結果和后處理。首先，通過ICEM對容器、傳熱支撐板以及流體區域建立了規則的六面體網格，再將網格導入Fluent程序進行瞬態計算。

整個卸料冷卻過程中的衰變熱主要通過強制對流和輻射效應來進行散熱，筆者忽略輻射效應的影響，將乏燃料組件等效為具有均勻等效導熱系數的體熱源[1-2]。在數值計算中，選擇標準k-ε方程湍流模型，增強壁面函數，采用Eulerian多相流的沸騰模型，并考慮了重力的影響，采用coupled算法進行三維模擬瞬態分析，以確定卸料冷卻所需時間以及關鍵時間點的溫度場分布。

由于容器內部包括大量的傳熱板和支撐板，使得容器的幾何模型和內部流域非常復雜，分析起來較為困難。報告中采用兩種幾何模型來進行分析：一是忽略傳熱板和支撐板；二是建立包括傳熱板和支撐板的模型。通過比較兩種模型的結果，分析有無傳熱支撐板對卸料冷卻計算時間造成的差異，以確定傳熱支撐板對卸料冷卻過程的影響。

3 數值模型

3.1 計算模型

乏燃料運輸容器的實際結構比較復雜，建立有限元模型時，需要對實際的幾何結構進行一定的簡化和保守設定，具體簡化內容如下：

(1) 因螺栓緊固件等不影響整體傳熱，忽略所有的緊固件以及細小零部件。

(2) 為保守計算，忽略吊籃組件中螺紋桿的影響。

(3) 因進、排氣(水)口位置對傳熱影響極低，為簡化模型，假設進、排氣(水)口位于容器軸線上。

(4) 容器堆焊層占比容器壁厚較低，且不銹鋼堆焊層與低碳鋼相比傳熱系數更低，忽略容器內層的不銹鋼堆焊層。

(5) 筒體、內蓋組件以及乏燃料單元組件(包括貯存套管)用均勻固體區域來等效。

(6) 為保守計算，忽略輻射效應對散熱的貢獻。

(7)采用等效體熱源來處理乏燃料組件區域，忽略乏燃料組件區域的對流傳熱。

(8) 充水排氣階段冷卻水緩慢流入容器過程，簡化成容器內部一直充滿水靜置3 500 s。

(9)熱水置換階段將以充滿水的容器靜置3 500 s后的溫度場作為初始條件。

3.2 網格劃分

冷卻水從下向上流過乏燃料組件和容器內壁之間的間隙，帶走衰變熱。衰變熱傳遞過程涉及多層結構材料的共軛傳熱(固體壁面的對流換熱和結構材料內部導熱)。不考慮容器外部空氣域，對整個運輸容器的固體區域和流體區域建模。

由于容器幾何結構對稱，取1/4區域為研究對象，采用ICEM程序創建六面體網格模型(見圖2)。

圖2 乏燃料運輸容器計算域網格

3.3 求解設置

利用Fluent對網格模型進行計算。

流體區域雷諾數：

(1)

式中：ρ為冷卻劑密度，1 000 kg/m3；v為冷卻劑流速，3.73 m/s；μ為運動黏度，0.001 m2/s；d為流道直徑，25 mm。

其中，流體區域是不可壓縮的湍流流動，采用k-ε方程湍流模型。固體區域內部主要是熱傳導，流體內部傳熱通過建立沸騰模型來實現，流體和固體之間設置交界面。

邊界條件：環境溫度為30 ℃，入口水溫為25 ℃，出口允許水溫為36 ℃。

具體條件設置如下：

(1) 對稱邊界。

(2) 速度入口。

(3) 壓力出口。

(4) 容器外壁面設備環境溫度30 ℃。

(5) 乏燃料組件區域設置體熱源，q=6 235.8 W/m3。

(6) 乏燃料組件、筒體及內蓋區域設置等效導熱系數，不同區域的等效導熱系數見表1。

表1 不同區域的等效導熱系數W/(m·K)

4 計算結果及分析

通過建立包含與不包含傳熱支撐板的兩種模型，并分別進行充水和熱水置換兩個階段的瞬態計算。按照簡化假設，充水階段簡化成初始條件為容器滿水，之后靜置3 500 s；而熱水置換的初始條件則為容器充滿水后3 500 s的溫度場，直到出口溫度降到36 ℃停止計算。

4.1 溫度隨時間的變化曲線

圖3為兩種模型在3 500～10 000 s的出口溫度隨時間的變化曲線，圖4為兩種模型在0 ～10 000 s的流域溫度隨時間的變化曲線。分析溫度變化曲線發現：模型一(不包含傳熱支撐板)在經過3 500 s的充水階段后，出口最高水溫達到57 ℃左右，進入熱水置換階段后5 850 s后出口水溫小于允許水溫(36 ℃)；模型二(包含傳熱支撐板)在經過3 500 s的充水排氣階段后，出口最高水溫能達到100 ℃左右，進入熱水置換階段后7 300 s后出口水溫小于允許水溫(36 ℃)。其中，模型二出口最高水溫比較高的原因是受出口回流的影響，實際出口最高水溫小于373 K(100 ℃)。為了減小出口回流的影響，監測溫度的出口面選在距離實際出口往容器內部300 mm的位置，相對于模型一，模型二的計算模型更接近真實。

圖3 出口水溫隨時間的變化情況(3 500 s～10 000 s)

圖4 流域水溫隨時間的變化情況(0～10 000 s)

4.2 關鍵時間點的溫度場分布

圖5、圖6為兩種模型在關鍵時間點計算域內部溫度分布云圖，左邊為充水排氣階段末的溫度分布云圖，右邊為熱水置換階段末的溫度分布云圖。

圖5 模型一 關鍵時間點計算域內部溫度分布云圖

圖6 模型二 關鍵時間點計算域內部溫度分布云圖

圖5顯示模型一在充水排氣階段末乏燃料熱源區域溫度較高、壁面溫度滿足303.15 K(30 ℃)的恒溫條件，入口溫度是303.15 K(30 ℃)，出口溫度達到330 K(57 ℃)左右溫度隨著乏燃料區域往外遞減，基本滿足實際情況，分析結果基本合理。熱水置換階段末，計算域的整體溫度和最高溫度下降，最高溫度位于乏燃料熱源區域中心，最高溫度約為353.4 K(80 ℃)，出口溫度由3 500 s時的330 K(57 ℃)左右下降到306.6 K(34 ℃)左右，滿足出口允許水溫要求。

圖6顯示模型二在充水排氣階段末，流域最高溫度位于乏燃料熱源附近區域(不考慮出口回流高溫的影響)，最高溫度約為342.3 K(69 ℃)，支撐板的導熱系數相對較低，兩端水域溫度較低，基本滿足實際情況，分析結果基本合理。熱水置換階段末，計算域的整體溫度和最高溫度下降，最高溫度還是位于乏燃料熱源附近區域中心，最高溫度約為338.8 K(66 ℃)，出口溫度下降到307.9 K(35 ℃)左右，滿足出口允許水溫要求。

5 結語

筆者嘗試利用Fluent計算軟件，通過合理的模型假設，基于自主設計的乏燃料運輸容器，進而對容器的卸料冷卻過程進行熱工仿真分析，獲得卸料冷卻過程中容器內部溫度場分布情況以及出口溫度變化曲線，從而確定此設備的卸料冷卻過程總時長、充水排氣時間以及熱水置換時間。

計算結果表明：模型一的卸料冷卻過程的總時長為2.5 h，模型二的卸料冷卻過程的總時長為3 h。傳熱支撐板對乏燃料運輸容器的卸料冷卻時間計算影響較大，在相關的熱工分析過程中不能忽略。

通過本次熱工仿真分析結果，可以為后續結構改進，制定運行程序和試驗策略提供重要的參考依據。盡可能減少運行人員暴露在放射性環境下的時長，降低人員操作過程以及試驗過程中的劑量率，并且通過識別關鍵時間節點及時有效地監控整個卸料冷卻過程。

[1] 周有新, 宋磊, 陳軍. 乏燃料干式貯存容器衰變熱導出分析[C]//第十四屆全國反應堆熱工流體學術會議暨中核核反應堆熱工水力技術重點實驗室2015年度學術年會論文集. 北京: 清華大學先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室, 2015.

[2] 葉水祥. 乏燃料水池內流動與傳熱數值分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012.

InfluenceofSupportingSlabonHeatTransferBehaviorofaSpentFuelTransportContainerduringUnloadingProcess

Yin Yong, Li Qipeng, Ma Qingjun

(China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 518124, Guangdong Province, China)

2016-08-23；

2016-12-27

殷 勇(1970—)，男，研究員級高級工程師，主要從事核電設備研發及國產化工作。

E-mail: yin_yong@cgnpc.com.cn

TL248

A

1671-086X(2017)05-0336-04