周肖佳，王 豐，劉 剛，林紹萱，毛 飛，詹陽烈，張 升，顧漢洋

（1.上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233；2.上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)傳熱機(jī)理與隔熱套性能研究

周肖佳1，王 豐1，劉 剛1，林紹萱1，毛 飛1，詹陽烈1，張 升2，顧漢洋2

（1.上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233；2.上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）依靠強(qiáng)制冷卻措施維持工作溫度。本文針對CRDM復(fù)雜的軸向傳熱機(jī)理，基于冷熱側(cè)流動的假設(shè)建立熱虹吸自然對流分析模型，計算得到軸向溫度分布及隔熱套內(nèi)徑與熱虹吸傳熱量之間的關(guān)系曲線；同時進(jìn)行驗證試驗，測量不同情況下CRDM內(nèi)外軸向溫度分布和總散熱量。通過分析和試驗對比證明：基于假設(shè)的分析模型能模擬實際情況，熱虹吸傳質(zhì)傳熱是CRDM軸向傳熱的主要途徑，設(shè)置隔熱套能有效抑制熱虹吸、減少散熱量。

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)；隔熱套；軸向傳熱；溫度分布；散熱量

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）是反應(yīng)堆十分關(guān)鍵的安全設(shè)備，擔(dān)負(fù)著反應(yīng)堆的啟動、功率調(diào)節(jié)及安全停堆等重要功能，是反應(yīng)堆功率控制及安全控制的核心裝置［1］。壓水堆核電機(jī)組一般采用技術(shù)成熟可靠的磁力提升式CRDM。

磁力提升式CRDM由承壓殼體部件、鉤爪部件、磁軛線圈部件、驅(qū)動桿部件和棒位探測部件組成。為減少反應(yīng)堆熱損失，反應(yīng)堆壓力容器及主管道周圍均設(shè)有保溫層結(jié)構(gòu)。但磁力提升式CRDM因線圈部件耐溫性能所限，不僅不能被保溫而且需長期維持在耐熱溫度限值以下，為此需要為CRDM設(shè)備專門設(shè)置冷卻通風(fēng)系統(tǒng)。計算及試驗結(jié)果顯示，穩(wěn)態(tài)運行時單臺CRDM總散熱量超過10 kW，如此一座百萬千瓦級核反應(yīng)堆頂蓋保溫層以上熱損失達(dá)到近1 MW，不利于電廠的經(jīng)濟(jì)性。

國內(nèi)外反應(yīng)堆設(shè)計機(jī)構(gòu)對CRDM散熱問題已有一定研究：彭航等［2］通過試驗確定了CRDM冷卻風(fēng)道壓力損失、最小風(fēng)速及散熱量和風(fēng)速的關(guān)系；馬倉等［3］通過試驗探索了CRDM線圈溫升時間和熱平衡溫度；丁宗華等［4］采用有限元方法建立CRDM線圈部件溫度場計算模型，推算了不同導(dǎo)熱系數(shù)的線圈材料在一定條件下的熱平衡溫度；金挺等［5］認(rèn)為CRDM內(nèi)部冷卻劑處于準(zhǔn)靜態(tài)，忽略其對流換熱，進(jìn)而建立了CRDM傳熱簡化計算方法。

CRDM內(nèi)部的冷卻劑流道為環(huán)形通道，由于驅(qū)動桿的存在，內(nèi)部的對流換熱特性更為復(fù)雜，已有文獻(xiàn)對環(huán)形通道內(nèi)的流動和傳熱特性進(jìn)行了理論和試驗研究［6－9］。本研究針對CRDM軸向傳熱機(jī)理，假想CRDM內(nèi)部流體存在冷熱側(cè)對流，進(jìn)而建立熱虹吸對流換熱量的分析計算方法，基于對流換熱機(jī)理介紹抑制CRDM傳質(zhì)流動的隔熱套設(shè)計結(jié)構(gòu)；同時開展分析計算和試驗驗證，得出CRDM軸向溫度分布以及通過安裝隔熱套來降低散熱量的效果。

1 分析方法

1.1 分析模型

CRDM熱虹吸熱對流示意圖如圖1所示。CRDM承壓殼體和驅(qū)動桿之間存在一環(huán)形通道。當(dāng)CRDM處于穩(wěn)定狀態(tài)（非步躍和落棒）時，承壓殼體外表面（覆蓋有線圈部件和棒位探測器部件）被冷卻空氣冷卻，其內(nèi)部近壁面冷卻劑溫度降低、密度增大形成驅(qū)動力，使部分冷卻劑沿CRDM壓力邊界內(nèi)表面，即流道外側(cè)向下流動，而內(nèi)側(cè)較熱的流體則沿控制棒驅(qū)動桿向上運動，形成相對穩(wěn)定的自然對流換熱。稱該流動過程為熱虹吸對流。

圖1 CRDM熱虹吸熱對流示意圖Fig.1 Sketch of CRDM thermo－siphoning heat convection model

1）假想CRDM內(nèi)側(cè)環(huán)形流體存在一個換熱界面，分別對冷、熱側(cè)流體建立如下?lián)Q熱平衡方程：

式中：Wc、Wh分別為冷、熱側(cè)流體質(zhì)量流量；cp為冷卻劑比定壓熱容；Hc為殼體外表面熱交換系數(shù)；Tc、Th、Tair分別為冷側(cè)、熱側(cè)、空氣溫度；Pc、Ph分別為冷、熱側(cè)流道濕周；z為CRDM軸向高度。

由邊界條件，即z＝0處Th等于壓力容器頂蓋內(nèi)流體溫度、行程殼體頂端處Th＝Tc，可得Th、Tc表達(dá)式。

2）根據(jù)密度差引起的浮力驅(qū)動壓頭等于對流回路中的不可逆壓降損失，建立沿程壓力平衡方程，有：

式中：Δpf為對流回路中壁面摩擦壓降之和；Δpe為對流回路中局部形狀壓降之和；fj為各流段壁面摩擦系數(shù)；Lj為各流段長度；Dj為各流段當(dāng)量直徑；Ke，j為各流段的局部形狀阻力系數(shù)。

通過式（1）～（5）得到熱虹吸模型中流體流量w的迭代式：

式中：Rf、Re分別為對流回路中的壁面摩擦系數(shù)、局部形狀阻力系數(shù)之和，由結(jié)構(gòu)決定；F（w）為含其他參數(shù)的綜合關(guān)系式。

熱虹吸自然對流吸換熱量Q計算式為：

式中：w＝Wc＝Wh；Thin－Tcin為CRDM底部入口處冷卻劑冷熱側(cè)溫度差。

1.2 隔熱結(jié)構(gòu)

CRDM承壓殼體部件屬于一回路壓力邊界，由棒行程套管、鉤爪殼體以及頂蓋貫穿件組成。貫穿件通過J型焊固定在壓力容器頂蓋上，內(nèi)部軸向通孔為驅(qū)動桿提供運行通道。

若1.1節(jié)建立的分析模型正確，可通過增大對流回路中的局部形狀阻力系數(shù)Re來抑制熱虹吸流動以達(dá)到降低CRDM溫度、減少換熱量Q的效果。如圖2所示，在鉤爪部件下方杯座狀空間內(nèi)置入一個筒狀的隔熱套。在Re表達(dá)式中增加一項來反映此零件的作用；隔熱套內(nèi)徑越小，Re增量越大。

圖2 隔熱套結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure drawing of thermal sleeve

2 試驗方法

2.1 試驗裝置

CRDM軸向熱傳導(dǎo)試驗系統(tǒng)（圖3）包括1臺CRDM、穩(wěn)壓恒溫、通風(fēng)和數(shù)據(jù)采集裝置。穩(wěn)壓恒溫裝置主要由功率調(diào)節(jié)器、加熱環(huán)、穩(wěn)壓器、試驗本體組成，為CRDM樣機(jī)提供穩(wěn)定可控的底部高溫高壓水入口條件；通風(fēng)裝置主要由變頻控制器、鼓風(fēng)機(jī)、試驗本體風(fēng)道組成；數(shù)據(jù)采集裝置實現(xiàn)對所需物理量的實時采集與存儲。

2.2 數(shù)據(jù)采集

試驗所采集的數(shù)據(jù)包括加熱環(huán)輸出功率（總散熱量）、鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速、風(fēng)道進(jìn)出口風(fēng)溫、系統(tǒng)內(nèi)部壓力、CRDM內(nèi)部驅(qū)動桿壁面溫度和CRDM外表面溫度。

1）總散熱量

為模擬真實反應(yīng)堆，在CRDM以下的筒體安裝保溫層。調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)器來控制加熱環(huán)的輸出功率，使系統(tǒng)各處溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，讀取系統(tǒng)的輸入功率，近似地記為CRDM的總散熱量。

2）軸向溫度分布

在CRDM管座、磁軛線圈、行程套管外表面及內(nèi)部的驅(qū)動桿壁面等高焊接布置熱電偶（圖4），進(jìn)行試驗采集的驅(qū)動桿壁面溫度與分析模型中的熱側(cè)溫度以及棒行程套管外壁面溫度與冷側(cè)溫度對比。

3）數(shù)據(jù)誤差分析

試驗讀取裝置的輸入功率記為CRDM的總散熱量，未考慮下部試驗筒體及穩(wěn)壓器的散熱量；由于未考慮的部分體積較小且覆有保溫層，此項誤差可忽略，且不會影響對不同情況下散熱量差異的對比。另外，試驗讀取CRDM承壓殼體外壁、驅(qū)動桿內(nèi)壁熱電偶溫度分別作為冷、熱側(cè)流體溫度，未考慮金屬殼體內(nèi)的溫度差；由于金屬殼體較薄且導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于水，可將金屬殼視為徑向等溫體。

3 結(jié)果分析

3.1 計算結(jié)果

將試驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)代入分析模型，且將狀態(tài)參數(shù)設(shè)定為典型工況，即CRDM底部入口溫度為315℃、壓力為15.5 MPa，驅(qū)動桿處于最高位置，外壁面平均冷卻風(fēng)速（磁軛線圈處）為15 m／s，進(jìn)行案例計算。

圖3 CRDM軸向傳熱試驗裝置系統(tǒng)Fig.3 CRDM axial heat conduction experimental system

圖4 CRDM熱電偶布置Fig.4 Arrangement of thermocouples on CRDM

1）軸向溫度分布

當(dāng)隔熱套內(nèi)徑設(shè)為與試驗相同時，采用1.1節(jié)所述分析方法進(jìn)行計算，得到的CRDM冷熱側(cè)溫度分布如圖5所示。

圖5 CRDM冷熱側(cè)溫度軸向分布案例計算結(jié)果Fig.5 Calculating result of CRDM cool and hot sides axial temperature

2）隔熱套內(nèi)徑與散熱量關(guān)系

其他參數(shù)不變，隔熱套內(nèi)徑改變時，計算所得熱虹吸對流換熱量與隔熱套內(nèi)徑的關(guān)系示于圖6。

圖6 CRDM熱虹吸對流換熱量與隔熱套內(nèi)徑關(guān)系Fig.6 Relationship between CRDM thermo－siphoning transfer power and inner diameter of thermal sleeve

3.2 試驗結(jié)果

與分析計算相同，在典型工況下完成試驗，并拓展進(jìn)行了0、5、10、15 m／s 4檔風(fēng)速對比測試。因試驗條件所限，未換裝不同內(nèi)徑的隔熱套，僅對比有／無隔熱套兩種情況。

1）軸向溫度分布

圖7、8分別為典型工況下有／無隔熱套CRDM軸向溫度分布及棒行程套管壁面與內(nèi)部驅(qū)動桿壁面溫度差在軸向高度的分布試驗曲線。由圖7可見，CRDM內(nèi)部與外壁之間存在明顯的溫差，且溫差隨高度遞減、于頂端歸零；安裝隔熱套后CRDM軸向溫度整體下降，在磁軛線圈區(qū)域內(nèi)部溫度下降30～50℃。由圖8可見，安裝隔熱套后內(nèi)外側(cè)溫度差顯著降低。

圖7 有／無隔熱套CRDM軸向溫度分布試驗曲線Fig.7 CRDM axial temperature curve with／without thermal sleeve

圖8 有／無隔熱套情況下CRDM棒行程套管內(nèi)外溫差試驗曲線Fig.8 Temperature difference between inside and outside with／without thermal sleeve

內(nèi)外側(cè)溫差產(chǎn)生的密度差是熱虹吸流動的動力產(chǎn)因，隔熱套的存在有效增加了流道的形狀阻力，使冷熱側(cè)溫度差明顯降低，從而有效抑制了熱虹吸流動。

2）總散熱量

表1為試驗所得有／無隔熱套情況下CRDM的總散熱量?？梢姡诘湫凸r下隔熱套的存在使得總散熱量明顯下降。另外按圖6所示，若選用內(nèi)徑更小的隔熱套，可進(jìn)一步降低熱虹吸換熱量，在極限情況下可完全阻斷熱虹吸，使總散熱量下降至約4.2 kW（33%）。不可如此設(shè)計反應(yīng)堆的原因是：隔熱套內(nèi)徑過小將導(dǎo)致控制棒下落時受到的流體阻力增大［10］，不利于安全停堆。因此，設(shè)計隔熱套的內(nèi)徑大小須權(quán)衡落棒的安全性和散熱的經(jīng)濟(jì)性。

表1 有／無隔熱套情況下CRDM總散熱量對比Table 1 Comparison of total CRDM heat dissipating capacity with／without thermal sleeve

3.3 計算與試驗結(jié)果對比

1）軸向溫度分布

圖9 計算與試驗所得CRDM軸向溫度分布對比Fig.9 Comparison of calculated and experimental results on CRDM axial temperature

圖9為相同工況下計算和試驗所得CRDM軸向溫度對比（因磁軛部件較厚，且外形復(fù)雜造成局部風(fēng)速畸變，圖中剔除了不能代表冷側(cè)溫度的磁軛線圈部件外表面試驗溫度點）?？梢姡嬎闼肅RDM冷熱側(cè)軸向溫度分布與試驗所得內(nèi)外壁溫度分布數(shù)據(jù)總體分布規(guī)律一致，誤差小于15℃，證明1.1節(jié)中通過假設(shè)建立的CRDM冷熱側(cè)自然對流換熱分析模型能模擬實際情況。

2）總散熱量

除了通過冷卻劑的傳質(zhì)傳熱，CRDM的傳熱方式還有金屬殼體的熱傳導(dǎo)以及向周圍環(huán)境熱輻射等。計算所得典型工況下熱虹吸對流換熱量為8.54 kW（無隔熱套），同工況下試驗測得CRDM總散熱量為12.73 kW，推斷熱虹吸占總散熱量的份額約為60%～70%。因此，熱虹吸自然對流是CRDM軸向傳熱的主要途徑。

安裝隔熱套后，在典型工況下CRDM總散熱量減少0.97 kW，占總量的7.6%，進(jìn)一步證明安裝隔熱套能有效抑制熱虹吸流動、減少散熱量。

4 結(jié)論

本文同時展開計算分析和試驗驗證，研究了CRDM在不同工況下的軸向溫度分布曲線和散熱量，得到以下結(jié)論：

1）在冷熱側(cè)流動假設(shè)下建立的熱虹吸分析模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果相符，能模擬實際情況；

2）熱虹吸自然對流傳質(zhì)傳熱是穩(wěn)態(tài)工況（非步躍、落棒）時CRDM軸向傳熱的主要途徑；

3）隔熱套零件能有效抑制熱虹吸流動、降低CRDM上部溫度、減少總散熱量。

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Heat Transfer Mechanism and Thermal Sleeve Performance of Control Rod Drive Mechanism

ZHOU Xiao－jia1，WANG Feng1，LIU Gang1，LIN Shao－xuan1，MAO Fei1，ZHAN Yang－lie1，ZHANG Sheng2，GU Han－yang2
（1.Shanghai Nuclear Engineering Research ＆Design Institute，Shanghai 200233，China；2.School of Nuclear Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The control rod drive mechanism（CRDM）relies on forced cooling measure to maintain its operating temperature.For the complex issue of CRDM heat transfer mechanism，the thermo－siphoning natural heat convection analysis model was established based on the hypothesis which divides coolant inside CRDM into hot side and cold side，meanwhile，the experiment to measure CRDM inside／outside temperature distribution and total heat dissipating capacity under different conditions was conducted.Through comparison of analysis results and experimental data，the analysis model based on hypothesis can correctly simulate CRDM heat transfer in real situation，the thermosiphoning heat and mass transfer is the major way of CRDM axial heat transfer，and the use of thermal sleeve can weaken thermo－siphoning and reduce heat dissipating capacity effectively.

control rod drive mechanism；thermal sleeve；axial heat transfer；temperature distribution；heat dissipating capacity

TL364

：A

：1000－6931（2015）12－2245－06

10.7538／yzk.2015.49.12.2245

2014－09－19；

：2015－01－05

國家科技重大專項資助項目（2011ZX06002－002）

周肖佳（1986—），男，江蘇南通人，工程師，碩士，從事反應(yīng)堆設(shè)備設(shè)計研究