反应堆下腔室结构设计.docx

反应堆下腔室结构设计《核动力工程杂志》2014年第三期1结构分析为了提高反应堆的固有安全性AP1000和EPR在设计考虑时都将堆芯中子通量测量系统由原来的反应堆压力容器下封头引出改为从反应堆压力容器顶盖处引出。AP1000在此基础上对下腔室结构进行了简化（图2）但是仍然保留了二次支承结构同时为了改善下腔室流场增设了涡流抑制板组件对进入下腔室的冷却剂进行初次的流量分配。EPR对下腔室的改进更为彻底（图3）：取消了二次支承结构增设了流量分配装置对进入堆芯的冷却剂流量进行初次分配；在压力容器上设计了8处径向支承键使其具备二次支承功能。显然AP1000的下腔室结构并不是一个最优化的结构仍带着大量的第二代反应堆下腔室结构的痕迹二次支承结构的现场安装还是比较困难。EPR的设计理念比较先进取消二次支承结构由径向支承键兼有二次支承作用尽量减少了下腔室结构的零部件数量在一定程度上提高了反应堆结构的稳定性和可靠性但是还有进一步提高的空间。2结构模型2.1结构优化方向对比M310、AP1000和EPR分析可以发现下腔室结构优化的方向至少可以从以下几个方面考虑：①在现有的基础上提高下腔室的固有安全性；②尽量减少下腔室零部件的种类和数量；③提高下腔室结构的可靠性和稳定性；④下腔室结构应满足热工水力的要求；⑤设计的结构简单具有良好的可加工性。基于上述考虑构建最基础的原型反应堆下腔室结构（图4）在不显著降低其结构固有安全性、可靠性和稳定性情况下根据下腔室流场分析结果适当地增加或改变一些辅助性的机械结构改善其综合性能使优化后的下腔室结构达到一个比较理想状况满足热工水力的要求。2.2模型的原型结构基于结构优化方向吸取第三代反应堆的优点提出的反应堆原型下腔室结构设计方案采用椭球形封头取消反应堆下腔室内的二次支承结构和流量分配结构只是保留径向支承键作为对堆内构件下部径向限位和二次支承用堆芯下板作为进入堆芯的冷却剂流量分配结构（图4）。该结构最简单没有二次支承或初次流量分配结构固有安全性、可靠性和稳定性很高下腔室零部件的种类和数量最少制造和加工上不存在任何技术难度。缺点是堆芯入口的流量分配严重不均最小流量流水孔的流量份额与平均流量份额相差数倍不能满足热工水力的要求。2.3结构优化思路2.3.1模型1：板状流量分配装置在原型的基础上在堆芯支承板下面设置一个流量分配板作为初次流量分配结构通过支撑柱连接固定在堆芯支承板上径向支承键作为对堆内构件下部径向限位和二次支承用堆芯支承板作为二次流量分配(图5)。2.3.2模型2：筒状流量分配装置在原型的基础上在堆芯支承板下面设置一个圆筒状流量分配装置作为初次流量分配结构通过紧固件连接固定在堆芯支承板上径向支承键作为对堆内构件下部径向限位和二次支承用堆芯下板作为二次流量分配（图6）。2.3.3模型3：半球状流量分配装置在原型的基础上在堆芯支承板下面设置一个与椭球形下封头同圆心的椭球状流量分配装置作为初次流量分配结构通过紧固件连接固定在堆芯支承板上径向支承键作为对堆内构件下部径向限位和二次支承用堆芯下板作为二次流量分配（图7）。3计算分析对于给出的几种结构模型通过建立三维模型、确定输入条件和边界条件然后采用CFD方法进行流场分析得到不同结构模型下的反应堆下腔室流场特点。3.1边界条件（1）入口：4个入口管均采用相同的稳定的质量流速边界并假定速度垂直入口面均匀分布。（2）出口：平均静压为0Pa。（3）壁面：均采用无滑移边界。（4）湍流模型：SST模型。（5）离散方式：Upwind。3.2模型和网格划分采用UGNX6.0建立三维模型。采用网格划分工具ICEMCFD10.0进行网格划分。考虑到计算时间以及硬件条件的限制进行分析时网格数量尽量控制在300万到1500万之间。3.3网格敏感性分析对不同网格数量方案下的网格敏感性进行分析。当网格数量较小时随着网格数量的增加各截面压力变化较大；当网格数量大于300万时随着网格数量的增加各截面压力变化不大趋于稳定。综合考虑计算精度、计算资源以及时间成本的前提下计算分析最终采用网格数量为575万的网格方案。3.4计算结果3.4.1原型方案结构从图8中可以发现该结构堆芯下板处冷却剂流量分配不均匀最小流量流水孔其流量份额（归一化处理）只有平均流量份额的41%。3.4.2板状流量分配装置从图9中可以发现由于添加了流量分配板冷却剂在由下封头流向堆芯下板区域时受到流量分配板的流量分配作用在进入堆芯下板时中心区域的流量明显被抑制从而造成堆芯下板处流速较为均匀最小流量流水孔其流量份额（归一化处理）增加到85%流量分配特性