反應堆壓力容器安注接管嘴熱工水力瞬態分析

王保平 于德勇 韓 冰

（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，四川 成都610213）

0 引言

當安注系統向壓力容器注入冷流體，將導致壓力容器內壁金屬受到冷沖擊設計瞬態發生時，安注系統向壓力容器注入冷流體，將導致反應堆壓力容器接管嘴受到較強的冷沖擊。為詳細評價該工況下壓力容器管嘴的結構完整性，本文利用計算流體力學方法，詳細計算了該工況下反應堆壓力容器安注接管嘴及壓力容器內壁面的溫度分布。本文考慮的設計瞬態有安注系統誤動作和反應堆冷卻劑系統誤失壓兩類工況。

安注系統誤動作：假定冷水注入要維持10 min。兩臺高壓安注泵向反應堆冷卻劑系統注水。安注管線中冷水和硼注入箱的水注入反應堆冷卻劑系統，在瞬態開始600 s后，安注水為來自換料水箱中的水。

反應堆冷卻劑系統誤失壓：假定冷水注入要維持10 min。這個瞬態不同于“安注系統誤動作”瞬態，在這個瞬態中，安注流量更大，管線中的水和硼注入箱中的水排放時間要短。

基于以上兩種工況，對力容器安注接管嘴及壓力容器內壁面的溫度分布開展仿真研究。

1 計算模型

建模時重點考慮了反應堆壓力容器內、吊籃外的冷卻劑流動區域，而對其他不影響流體流動的區域進行了適當地簡化。

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的部分。為了簡化模型并便于計算，建模過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，吊籃外壁和筒體內壁在整個筒體高度范圍內直徑保持均一，且不考慮堆焊層的厚度。計算過程中流動區域上部邊界定義為壁面邊界，計算中不考慮旁流；下部邊界定義為出口邊界，不考慮冷卻劑向堆芯的流動。本文利用商業計算流體力學軟件ANSYS CFX 10.0計算。網格為結構化六面體網格，網格數約為100萬。湍流計算模型采用工程中常用的k-ε模型。瞬態模擬時間為600 s。

圖1 壓力容器物理模型

2 材料物性

反應堆冷卻劑為含硼水，其密度、定壓比熱、動力粘度等物性參數隨溫度有較明顯的變化。設計瞬態過程流體溫度區間較大（40～291.6℃），因此，為反映瞬態過程流體溫度信息和導熱性能，計算時必須考慮流體物性隨溫度的變化。

另外，金屬的導熱性能也會嚴重影響流體與金屬之間的熱量傳遞。由于壓力容器筒體內壁有金屬材料堆焊層，本報告在建模時沒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。因此在計算時，根據堆焊層金屬材料傳熱性能選定計算模型中金屬材料的熱傳導系數和定壓比熱參數。

3 瞬態過程假設

本文選擇可以包絡性較強的安注系統誤動作和反應堆冷卻劑系統誤失壓兩個瞬態進行分析，瞬態開始后從安注接管注入的流體溫度在2 s內從291.6℃下降到40℃，該時間過于保守且不能反應真實的瞬態過程。安注接管嘴與上游的第二道止回閥之間的管線長度為5.67～6.28 m，假設在瞬態開始前這一段管線內的流體沿著管道的走向溫度由高到低呈線性分布，瞬態剛開始的一段時間，注入壓力容器的流體為這一段管道內的流體，之后才是止回閥后來自換料水箱內的冷流體。根據這一段的管道長度和瞬態下的安注流速，可以計算得到瞬態開始后從安注接管注入流體的降溫時間（從291.6℃下降到40℃）。因此，對于安注系統誤動作瞬態，安注接管嘴注入的流體降溫時間為30 s，對于反應堆冷卻劑系統誤失壓瞬態，安注接管嘴注入的流體降溫時間為20 s。

4 計算結果及分析

本文計算得到了瞬態發生時安注接管嘴和壓力容器內壁面的溫度分布，在壓力容器內壁面上選擇有代表性的16個點（見圖2和圖3）。這些點的溫度隨時間變化的關系見圖4和圖5。

圖2 安注系統誤動作瞬態取點位置

圖3 反應堆冷卻劑系統誤失壓瞬態取點位置

圖4 安注系統誤動作瞬態計算結果

圖5 反應堆冷卻劑系統誤失壓瞬態計算結果

同時，計算得到了瞬態發生時RPV內部流動空間的流場及壓力分布。兩種瞬態下，由安注接管注入的流體在穩態時的流線見圖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入壓力容器后先向上流動，然后向下，在冷段接管嘴附近出現了一個漩渦后沿出口方向流出。本文以安注系統誤動作瞬態為例，針對上述流動現象，做簡要分析。

圖6 安注接管處流體流線（600 s時）

從主管道冷段入口進入的流體速度為16.9 m/s，進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，沿著吊蘭外壁呈發散狀向四周流動，如圖7所示。在水平橫截面上會形成吊蘭附近流體流速較高，而壓力容器內壁附近流體流速較低的流場速度分布，如圖8（a）所示（所取截面標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，兩側的高速流體在這里進行對沖，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主管道冷段入口附近的靜壓要高，使流體在壓力容器側出現回流。同理，在安注接管入口下部附近由于流體對沖產生的局部高壓會在壓力容器內壁側出現一個向四周發散的流動，其發散中心的位置大致位于其接入口下部500 mm處，但這一位置會受到安注管接入點以及主管道熱段的影響。

圖7 安注接管處流體流線（600 s時）

圖8 主管道中心標高位置水平橫截面速度及壓力分布

5 結語

本文利用計算流體力學（CFD）方法，得到了瞬態過程的反應堆壓力容器及其安注接管嘴金屬內壁的溫度分布，可作為詳細評價該工況下壓力容器管嘴的結構完整性的支撐。