異形導向管內乏燃料組件換熱特性試驗研究

吳增輝 程瑞琪

（中國核動力研究設計院，四川 成都610213）

0 引言

快堆換料過程中，轉運機是最關鍵、最復雜的機械機構，如圖1所示。它主要由抓取裝置和異形導向管組成，可到達乏燃料組件運輸容器區域以及乏燃料儲存等區域[1]，同時能運輸并旋轉燃料組件，使乏燃料組件在反應堆堆芯和轉運桶之間移動并到達指定位置[2]。由于在卸料過程中，乏燃料組件會多次暴露于傳熱性能較差的氬氣中，如果轉運機因故卡停，將出現傳熱惡化，嚴重時可能導致事故發生。為保證燃料包殼最高溫度低于設計限值，防止放射性泄漏以及嚴重事故發生[3]，開展帶異形導向管的縮放尺寸模擬組件換熱試驗，研究其溫度分布及換熱特性。

圖1 燃料抓取機

1 試驗系統

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖2所示。壓力容器內徑為500 mm，高度為2 000 mm，可模擬封閉氣體大空間；導熱油加熱設備通過盤管與壓力容器外壁連接，可通過內部溫度控制系統建立高溫穩定邊界條件；真空泵和氬氣瓶可建立氬氣環境；程控電源通過密封法蘭與試驗段連接，可提供穩定加熱；數據采集系統用于采集壓力、溫度等數據。

圖2 試驗裝置示意圖

1.2 試驗段

試驗段為37棒模擬組件，被豎直放置于壓力容器中心位置。模擬組件由棒束和組件盒組成，如圖3所示。棒束呈六角形排列，由30根加熱棒和7根測溫棒組成，測溫棒不加熱。加熱棒的內部結構如圖4所示，棒內使用導熱性能較好的MgO粉末填充壓實。根據導電率隨溫度的變化關系，將處于對稱位置的加熱棒組合，分為5組，即H1~H5，如圖3（b）所示。中心測溫棒（M1）內安裝有4只熱電偶，外圈測溫棒（M2~M7）分別安裝有2只熱電偶，熱電偶位置信息如圖5所示。組件盒為正六邊形結構，其外壁中線安裝有熱電偶，依次為z=400 mm，500 mm，600 mm，700 mm，800 mm，900 mm處。

圖3 試驗段

圖4 加熱棒的結構圖

圖5 測溫棒內熱電偶位置

1.3 導向管

異形導向管由全尺寸轉運機簡化而來，忽略乏燃料組件轉運機構上方抓取機構、過渡接頭等機械結構以及一側的鏈條機構，僅保留與模擬組件等長部分的導向管，如圖6所示，其中，一側的中空結構表征鏈條軌道區域。在a、b、c面的中線分別安裝有熱電偶，依次位于z=100 mm，400 mm，500 mm，600 mm，700 mm，800 mm，900 mm，1100 mm處。

圖6 異形導向管

2 試驗結果

2.1 試驗條件

試驗過程中，加熱功率為400~1000 W，邊界溫度為70℃~125℃。當任一測點溫度達到Ti，且長時間（試驗以三小時為基準）穩定在Ti±0.5℃時，判定試驗達到穩態。

2.2 試驗結果

改變模擬組件的加熱功率和環境溫度，開展密封氬氣環境下模擬組件的穩態試驗。穩態情況下，對比M2~M7中位于z=350 mm和z=500 mm處的兩對熱電偶讀數，其差值如圖7所示。其中，容器內壁6個溫度測點讀數相近，使用環境溫度均值作為最終邊界溫度參考值。由圖7可知，兩個高度的熱電偶讀數在各個工況下的差值絕對值均小于1.5℃，在熱電偶測量誤差范圍內，所以，確定兩個測溫點間的溫度始終相同。即，異形導向管結構下，模擬組件內溫度場仍呈對稱分布，溫度分布未發生明顯偏移。

圖7 M 4&M 7中z=350 mm和M 4&M 6中z=500 mm的溫差

由于模擬組件內溫度場仍為對稱分布，所以，M2~M7內的軸向溫度分布一致，從而得到M1、M2~M7組件盒壁面以及不規則導向管三個外壁面溫度分布如圖8~12所示。

圖8 M 1內溫度分布

由圖8~12可知：

（1）中心棒加熱段內溫度變化趨勢平緩，最高溫度位于M1的z=800 mm處，但與其他三個測點差值較小；

（2）非加熱段和加熱段之間存在溫度劇烈變化區域，由M2~M7中z=1000 mm和z=100 mm處溫度值可知，管內存在較強對流換熱，上半部分溫度明顯高于下半部分溫度；

（3）底端非加熱段溫度接近于環境溫度，說明試驗本體軸向導熱能力有限；

（4）環境溫度變化對組件內以及組件表面溫度變化影響較小，環境溫度為90℃，在±20℃范圍波動時，視作對組件溫度保持不變，加熱功率為影響其溫度分布的關鍵因素；

（5）a面溫度呈線性分布趨勢，說明由于側面中空結構的存在，組件向a面傳熱受阻；

圖9 M 2~M7內溫度分布

圖10 組件盒外壁溫度分布

圖11 導向管A面溫度分布

圖12 導向管b&c面溫度分布

（6）b和c對應的不銹鋼壁厚度雖然不同，但其導熱性良好，經組件向內壁面傳熱后由經導熱傳至外壁面，所以，b和c面的溫度分布相同。

對比不規則導向管的a面上同位置的溫度差值，結果如圖13所示。由圖13可知，b面非加熱段溫度與a面基本相同，但對應加熱段內溫度差值隨著功率的升高而逐步增大，在加熱段內，模擬組件向外輻射換熱對導向管溫度分布的影響明顯，且功率越高，輻射換熱占總熱量份額越大。

圖13 導向管b面與a面溫度差值

3 結果分析

由于模擬組件內溫度場仍為對稱分布，因此，研究其與周圍環境換熱機理時，可將異形導向管作為圓管狀導向管。由于模擬組件內溫度遠高于外部環境，因此，重點研究模擬組件內部換熱。

3.1 模擬組件棒束間自然對流

受加熱段影響，棒束軸向方向存在溫度差，導致內部的氬氣在軸向方向上存在密度差，進而推動氬氣在棒束間的流動，與外部形成自然循環。忽略進出口由于形狀突變產生的壓降，可知[4]：

公式（1）~（2）中，各個物理量的含義見表1。

表1 符號的意義

基于以上分析，可得到不同特征溫度條件下的氣體流速，進而求得棒束間自然對流帶走的熱量，QFA：

結合公式（1）~（3），可求得各個工況下的氣體流速、自然對流傳熱量及其占比。結果表明：功率升高導致溫差逐步加大，棒束間氣體流速及其自然對流散熱量均逐步增加，但自然對流占比較小，最大僅為1.5%。

3.2 模擬組件內部換熱

由于模擬組件內部棒束數量較多，且均有繞絲結構，整體結構比較復雜，所以，換熱模式雖然簡單，但進行定量的機理分析難度較大。為評估其內部的換熱機理，此處，借鑒Manteufel[5，6]的換熱模型，即對兩區域模型進行分析，開展相關分析。

最終，通過理論分析獲得兩區域內的等效輻射熱導率，得出利用組件盒壁面溫度快速推算中心棒最高溫度的經驗關系式如下：

式中，各個物理量的含義見表2。

經過處理，上述方程組可簡化為：

符號 物理意義 符號 物理意義Q 發熱功率 σ 斯忒藩-波爾茲曼常數F peak[7，8] 軸向功率峰因子 d 燃料棒直徑L a 加熱段長度 Lc 組件截面周長S 截面導熱因子 F cond，w 壁面導熱因子F cond[9] 導熱修正系數 f 燃料棒體積份額k gas 氣體導熱率 w 最外圈棒的中心到壁面的距離Tm 中心棒溫度 Tw 組件盒壁溫度T e 虛擬邊界溫度 p 棒間距C rad 內部輻射換熱系數

式中，ε為棒的表面發射率。

由計算可知：虛擬邊界溫度Te與組件盒壁溫度Tw溫差值基本為0，為方便計算可直接使用Tw替代Te求解模擬組件內最高溫度Tm。經過棒表面發射率的敏感性分析，ε在[0.3，0.35]范圍內時，模型理論值與實驗值較為一致，此時，模型適用性良好。

4 結論

針對快堆燃料抓取機卸料過程中卡停故障的典型工況，開展帶異形導向管的37棒模擬組件換熱試驗。得到如下結論：

（1）環境溫度的波動對組件內最高溫度無明顯影響，加熱功率是影響其變化的關鍵因素。

（2）異形導向管結構下，模擬組件內溫度場仍為對稱分布，導向管橫截面形狀對內部溫度分布無明顯影響，可將其視作管狀導向管進行換熱特性分析。

（3）基于Manteufel等建立的模型，分析得到利用組件盒壁面溫度推算中心棒溫度的經驗關系式。結果表明：當發射率時，實驗值與預測值吻合較好，此時模型較為準確。