周振華 潘 登 陳玉爽 黃建平 余笑寒 王納秀

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一種液態(tài)燃料熔鹽堆堆芯流量分配設(shè)計(jì)

周振華1,2潘 登1,2陳玉爽1黃建平1余笑寒1王納秀1

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

在液態(tài)燃料熔鹽堆(Molten salt reactor, MSR)熱工水力設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)堆芯徑向功率展平需對(duì)堆芯流量分配進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得堆芯進(jìn)口流量分布正比于釋熱量分布，而下腔室結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)分布對(duì)堆芯流量分配起決定性作用。利用FLUENT軟件對(duì)堆芯三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過(guò)調(diào)節(jié)下腔室結(jié)構(gòu)和流量分配裝置，對(duì)下腔室流場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)堆芯流量合理分配。數(shù)值模擬結(jié)果表明，喇叭狀下腔室比橢球形下腔室熔鹽通道流量標(biāo)準(zhǔn)差降低4.2%，設(shè)置流量分配板熔鹽通道流量標(biāo)準(zhǔn)差降低29.2%；改變下腔室結(jié)構(gòu)和設(shè)置流量分配裝置能夠較好調(diào)節(jié)流量分配和功率分布匹配性，該結(jié)果可為液態(tài)熔鹽堆堆芯優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

熔鹽堆，流量分配，下腔室結(jié)構(gòu)，流量分配裝置，計(jì)算流體力學(xué)

熔鹽堆(Molten salt reactor, MSR)作為第四代核能系統(tǒng)先進(jìn)高溫堆的候選堆型之一，其特殊之處在于核燃料溶解在高溫熔鹽流體中，高溫熔鹽既作為燃料又作為冷卻劑[1?4]。液態(tài)燃料熔鹽堆的冷卻劑通道是閉式循環(huán)通道，相鄰?fù)ǖ乐g的流體沒(méi)有攪混，在熔鹽堆設(shè)計(jì)中為展平堆芯功率，要求堆芯熔鹽通道內(nèi)流量分配正比于釋熱量，而下腔室結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)分布對(duì)堆芯流量分配起決定性作用。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究表明[5?6]，反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，下腔室內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)多個(gè)漩渦流動(dòng)，且會(huì)產(chǎn)生小部分流動(dòng)死區(qū)。對(duì)于液態(tài)熔鹽堆[7]來(lái)說(shuō)，冷卻劑同時(shí)作為燃料且?guī)в袩嵩?，下腔室的渦流及流動(dòng)死區(qū)會(huì)導(dǎo)致局部溫度偏高，影響堆芯材料性能和反應(yīng)堆的安全性能，因而有必要對(duì)堆芯流量合理分配進(jìn)行研究。

美國(guó)西屋公司研發(fā)的AP1000反應(yīng)堆采用在堆芯下腔室內(nèi)部加裝導(dǎo)流圍板的辦法，使流量分配均勻化。中國(guó)原子能科學(xué)研究院張曙明等[8]以秦山二期反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檠芯繉?duì)象，利用ANSYS CFX12.0軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)的-湍流模型對(duì)下腔室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)、冷管段入口流量等影響因素進(jìn)行了分析。中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜代全等[9]建立了反應(yīng)堆從進(jìn)口到出口模型，采用剪切應(yīng)力運(yùn)輸(Shear-Stress Transport, SST)模型對(duì)VVER-1000反應(yīng)堆堆芯流量分配進(jìn)行了分析。韓國(guó)原子能研究院Youngmin Bae等[10]建立了反應(yīng)堆整體模型，采用SST模型和Realizable-模型對(duì)SMART (System-integrated modular advanced reactor)反應(yīng)堆堆芯進(jìn)口流量分配進(jìn)行了分析。西安交通大學(xué)周建軍等[11]建立了熔鹽堆簡(jiǎn)化模型，采用標(biāo)準(zhǔn)-模型研究了流量分配板和下腔室對(duì)熔鹽堆堆芯流量分配的影響。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics, CFD)方法[12]，通過(guò)優(yōu)化下腔室結(jié)構(gòu)和增加流量分配裝置來(lái)調(diào)節(jié)堆芯冷卻劑流量分配，調(diào)節(jié)熔鹽通道流量分配和功率分配的匹配性；并選用不同湍流模型進(jìn)行了敏感性分析，研究結(jié)果將為液態(tài)熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模型簡(jiǎn)介

1.1 堆芯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆設(shè)計(jì)的幾何模型如圖1所示，反應(yīng)堆容器主要包含石墨慢化堆芯（含熔鹽通道）及其支撐結(jié)構(gòu)柵板、石墨反射層（徑向石墨反射層和軸向石墨反射層）、上下熔鹽腔室、旁流和進(jìn)出口管道等部件[13]。使用三維建模軟件SolidWorks2014建立幾何模型。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀文Ｐ?Fig.1 Geometric modeling for the test model.

由于實(shí)驗(yàn)堆幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且考慮到堆芯流量分配與下腔室結(jié)構(gòu)有重要關(guān)系，在數(shù)值模擬計(jì)算分析時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)堆幾何模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，并選取了1/4實(shí)驗(yàn)堆模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型包含：

1) 高溫熔鹽進(jìn)出口管道。

2) 堆芯上下熔鹽腔室：優(yōu)化前模型下腔室為標(biāo)準(zhǔn)橢球形結(jié)構(gòu)，不添加流量分配裝置；優(yōu)化后模型下腔室為喇叭狀結(jié)構(gòu)，添加有流量分配裝置。

3) 堆芯石墨反射層組件：1/4液態(tài)燃料熔鹽堆實(shí)驗(yàn)堆模型由堆芯石墨反射層組件圍成熔鹽通道，石墨組件結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。

4) 堆芯熔鹽通道：1/4實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓤D2(a)所示的堆芯石墨組件構(gòu)成192個(gè)熔鹽通道，熔鹽通道的分布如圖2(b)所示。

圖2 石墨組件(a)和熔鹽通道分布(b)示意圖 Fig.2 Schematic view of graphite assembly (a) and salt channels distribution (b).

1.2 流量分配裝置

反應(yīng)堆壓力容器下腔室的結(jié)構(gòu)對(duì)堆芯熔鹽通道流量分配具有重要的影響。燃料熔鹽經(jīng)下降環(huán)腔由熔鹽入口管進(jìn)入堆芯下腔室，經(jīng)流量分配裝置流入堆芯活性區(qū)域。流量分配結(jié)構(gòu)固定在堆芯下部支撐板上，主要功能是確保熔鹽通道流量分配和功率分布的匹配性滿足設(shè)計(jì)要求。本文設(shè)計(jì)了兩種流量分配裝置(圖3)來(lái)研究流量分配裝置對(duì)下腔室壓降、熔鹽通道流量分配及下腔室流場(chǎng)分布等的影響。流量分配裝置固定在堆芯下部支撐板上，位置處于下腔室正中心，為了便于數(shù)值模擬分析，在建模計(jì)算時(shí)省略了下支撐板和流量分配裝置之間的連接結(jié)構(gòu)。

2 網(wǎng)格簡(jiǎn)介

2.1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)該液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆幾何模型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使用ANSYS ICEM 14.5軟件對(duì)計(jì)算模型采用分塊網(wǎng)格劃分策略進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)幾何結(jié)構(gòu)較為規(guī)則的計(jì)算區(qū)域，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，此類(lèi)區(qū)域包括堆芯活性區(qū)（堆芯石墨組件結(jié)構(gòu)和192個(gè)如圖2(a)所示的堆芯熔鹽通道）和熔鹽進(jìn)出口管道；對(duì)于堆芯上下熔鹽腔室為橢球形結(jié)構(gòu)，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格質(zhì)量如表1所示，其中網(wǎng)格質(zhì)量最差為0.45，絕大部分網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.8以上，滿足CFD精確計(jì)算要求。

圖3 流量分配裝置結(jié)構(gòu) Fig.3 Structures of the flow distribution device.

表1 網(wǎng)格質(zhì)量 Table 1 Mesh quality.

2.2 計(jì)算模型網(wǎng)格敏感性分析

根據(jù)計(jì)算模型的幾何特點(diǎn)和計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，上下腔室對(duì)堆芯流量分配產(chǎn)生主要影響，因此對(duì)上下腔室及堆芯石墨組件結(jié)構(gòu)網(wǎng)格加密進(jìn)行敏感性分析，網(wǎng)格劃分方案為6種，詳情見(jiàn)表2。

部分熔鹽通道質(zhì)量流量和網(wǎng)格數(shù)量關(guān)系如圖4所示，可以看出當(dāng)計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到3×107及以上時(shí)，選取的5個(gè)不同位置堆芯熔鹽通道的質(zhì)量流量基本保持不變，相對(duì)誤差在0.1%內(nèi)，模擬結(jié)果更趨近于真實(shí)值，最終選取計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量為3×107進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。

表2 網(wǎng)格劃分方案 Table 2 Schemes of mesh division.

圖4 部分熔鹽通道質(zhì)量流量和網(wǎng)格數(shù)量關(guān)系 Fig.4 Relationship between some channels mass flow rate and mesh elements number.

3 邊界條件和物性

該液態(tài)熔鹽實(shí)驗(yàn)堆[13]設(shè)計(jì)熱功率為2 MW，采用石墨作為慢化劑，熱工水力設(shè)計(jì)堆本體熔鹽進(jìn)口溫度為600 oC，出口溫度為620 oC。一回路采用含有高富集度7Li的LiF-BeF2-ThF4-UF4熔鹽作為燃料鹽，二回路采用FLiNaK[14]作為載熱劑。一回路堆芯熔鹽體積0.538 m3，熔鹽質(zhì)量(600 oC)為1.38 t，主管道流速1.75 m?s?1，一回路質(zhì)量流量55.4 kg?s?1。

通過(guò)MCNP (Monte Carlo N-Particle)程序計(jì)算獲得每個(gè)熔鹽通道徑向功率分布，圖5是使用MATLAB軟件編寫(xiě)腳本處理程序得到的二維彩圖，它是每個(gè)熔鹽通道功率占堆芯總功率百分比圖。

ANSYS FLUENT 14.5數(shù)值模擬計(jì)算相關(guān)邊界條件和熔鹽、石墨及哈氏合金物性參數(shù)如表3、4所示。

圖5 熔鹽通道功率百分比 Fig.5 Schematic diagram of salt channels power percentage.

表3 邊界條件 Table 3 Boundary condition.

4 計(jì)算結(jié)果和討論

4.1 湍流敏感性分析

本文研究過(guò)程中分別采用標(biāo)準(zhǔn)-模型、RNG-模型、Realizable-、SST剪切應(yīng)力運(yùn)輸模型和SST-模型對(duì)計(jì)算敏感性進(jìn)行分析，研究不同湍流模型對(duì)堆芯熔鹽通道進(jìn)出口壓降D1、熔鹽進(jìn)口和流量分配板A之間的壓降D2以及流量分配等結(jié)果的影響。圖6為不同湍流模型獲得的不同區(qū)域壓降（熔鹽通道進(jìn)出口、熔鹽進(jìn)口與流量分配板A）。

圖6 不同湍流模型各區(qū)域壓降情況 Fig.6 Comparison of pressure drops in different zones in the turbulent model.

湍流模型敏感性分析結(jié)果表明，采用上述幾種不同湍流模型得到的堆芯熔鹽通道進(jìn)出口壓降最大相對(duì)偏差為10%，熔鹽進(jìn)口和流量分配板A之間的壓降最大偏差為15%，湍流模型的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。綜合考慮計(jì)算過(guò)程的穩(wěn)定性、數(shù)值計(jì)算收斂速度的快慢、上述湍流模型對(duì)計(jì)算網(wǎng)格的要求以及計(jì)算機(jī)硬件資源配置的限制，最終采用較穩(wěn)健的標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

4.2 堆芯流量分配設(shè)計(jì)方案

下腔室的結(jié)構(gòu)對(duì)熔鹽通道流量分配和下腔室流場(chǎng)分布具有重要影響，根據(jù)上述設(shè)計(jì)的流量分配裝置和兩種不同的下腔室結(jié)構(gòu)（標(biāo)準(zhǔn)橢球形和喇叭狀），設(shè)計(jì)4種不同的流量分配方案如表5所示，并與原標(biāo)準(zhǔn)橢球形下腔室結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比較。4種流量分配設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

表5 流量分配方案 Table 5 Schemes of flow distribution.

圖7 流量分配方案 (a) 方案0，(b) 方案1，(c) 方案2，(d) 方案3，(e) 方案4 Fig.7 Schemes of flow distribution. (a) Scheme 0 (before optimization), (b) Scheme 1, (c) Scheme 2, (d) Scheme 3, (e) Scheme 4

4.3 不同流量分配方案計(jì)算結(jié)果

通過(guò)ANSYS FLUENT 14.5軟件數(shù)值模擬計(jì)算得到每個(gè)熔鹽通道的質(zhì)量流量。為了描述堆芯熔鹽通道流量分配特性，定義為熔鹽通道流量分配系數(shù)，流量分配系數(shù)由式(1)計(jì)算：

式中：為熔鹽通道序號(hào)；為熔鹽通道流量分配系數(shù)；q為熔鹽通道的質(zhì)量流量。

4種不同流量分配方案通過(guò)FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到堆芯每個(gè)熔鹽通道質(zhì)量流量、熔鹽通道進(jìn)出口壓降、流量分配裝置和堆芯熔鹽進(jìn)口之間壓降、熔鹽通道出口截面溫度分布以及下腔室流線分布等結(jié)果，結(jié)果如圖8?11所示。

圖8 不同流量分配方案流量標(biāo)準(zhǔn)差(a)和各區(qū)域壓降(b)情況 Fig.8 Comparison of flow standard deviation (a) and pressure drops in different zones (b) in the program of mass flow distribution.

圖9 不同流量分配方案熔鹽通道流量分配 (a) 方案0，(b) 方案1，(c) 方案2，(d) 方案3，(e) 方案4 Fig.9 Comparison of salt channels mass flow distribution in the program. (a) Scheme 0 (before optimization), (b) Scheme 1, (c) Scheme 2, (d) Scheme 3, (e) Scheme 4

如圖8(a)所示，不同流量分配方案熔鹽通道流量分布標(biāo)準(zhǔn)差和流量分配系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，從圖8(a)中可以看出，下腔室結(jié)構(gòu)由橢球形改為喇叭狀熔鹽通道流量標(biāo)準(zhǔn)差降低4.2%，流量分配系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差降低7.1%；在下腔室設(shè)置流量分配裝置，熔鹽通道流量標(biāo)準(zhǔn)差降低29.2%，流量分配系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差降低30.2%；下腔室結(jié)構(gòu)改為喇叭狀同時(shí)設(shè)置流量分配板，熔鹽通道流量標(biāo)準(zhǔn)差降低4.2%，流量分配系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差降低8.3%。

喇叭狀下腔室結(jié)構(gòu)跟與熔鹽流通界面由窄變寬流動(dòng)時(shí)流線相一致，避免了流體在下腔室的渦流現(xiàn)象，使流量分配均勻化。下腔室設(shè)置流量分配板，使得熔鹽流體不是直接由進(jìn)口沖擊中心位置熔鹽通道，而是熔鹽流體經(jīng)過(guò)分配板和其孔道向四周擴(kuò)散流動(dòng)，因而下腔室內(nèi)由渦流產(chǎn)生的流動(dòng)死區(qū)得到消除，渦流強(qiáng)度降低，在堆芯徑向流量分配更加均勻。

如圖8(b)所示，方案1和3與優(yōu)化前（方案0）相比，通過(guò)設(shè)置流量分配板使堆芯熔鹽通道進(jìn)出口壓降減小3.6%；這是因?yàn)槿埯}由進(jìn)口直接沖擊分配板后，沿分配板孔道和周?chē)鷶U(kuò)散流動(dòng)，熔鹽通道進(jìn)口流速減小，在熔鹽通道材料物性、摩擦系數(shù)等不變的情況下，由沿程阻力產(chǎn)生的摩擦壓降減小，從而熔鹽通道進(jìn)出口壓降降低。方案2與優(yōu)化前（方案0）相比，下腔室結(jié)構(gòu)由標(biāo)準(zhǔn)橢球形改為喇叭狀，熔鹽通道進(jìn)出口壓降減小3.2%；方案2與方案4相比，喇叭狀結(jié)構(gòu)下腔室基礎(chǔ)上設(shè)置流量分配板A，堆芯熔鹽通道進(jìn)出口壓降及流量分配板與熔鹽進(jìn)口壓降均增加，設(shè)置了流量分配板，熔鹽流動(dòng)受到分配板的阻礙，使得下腔室壓降增加。

圖5與圖9相比較，方案4設(shè)置流量分配板A和改變下腔室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)為喇叭狀所獲得的流量分配與功率分配匹配性較好。

圖10與圖5相比較，方案1和3設(shè)計(jì)可以使流量分配均勻化但沒(méi)有較好的匹配性；方案2和4的設(shè)計(jì)能使流量分配與功率分布相匹配，且方案4的效果較佳，但未能做到精確的匹配。

由圖11可知，下腔室結(jié)構(gòu)由標(biāo)準(zhǔn)橢球形改為喇叭狀結(jié)構(gòu)后，下腔室渦流情況減弱和熔鹽流體流動(dòng)死區(qū)減少；在下腔室僅添加流量分配板，下腔室渦流狀況并沒(méi)得到明顯改善；將下腔室結(jié)構(gòu)改為喇叭狀結(jié)構(gòu)同時(shí)添加流量分配板，下腔室渦流現(xiàn)象明顯減弱。

圖10 不同方案下熔鹽通道出口截面溫度分布圖 (a) 方案0，(b) 方案1，(c) 方案2，(d) 方案3，(e) 方案4 Fig.10 Comparison of salt channels outlet section temperature distribution in different programs. (a) Scheme 0 (before optimization), (b) Scheme 1, (c) Scheme 2, (d) Scheme 3, (e) Scheme 4

5 結(jié)語(yǔ)

本文以一種液態(tài)熔鹽實(shí)驗(yàn)堆模型作為研究對(duì)象，通過(guò)采用改變堆芯下腔室結(jié)構(gòu)和設(shè)置流量分配板等方法對(duì)堆芯流量分配進(jìn)行研究。該數(shù)值模擬結(jié)果分析表明，改變下腔室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)和設(shè)置流量分配板，能夠消除下腔室渦流和流動(dòng)死區(qū)，優(yōu)化堆芯入口流量分配，使功率分配和流量分配相匹配，其中方案4將下腔室改為喇叭狀結(jié)構(gòu)同時(shí)設(shè)置流量分配板得到的熔鹽通道流量分配標(biāo)準(zhǔn)差和流量分配系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差較小，流量分配效果最佳，但本文所設(shè)計(jì)的流量分配板并未做到功率分布和流量分配的精確匹配，分配板的厚度、孔徑大小、孔的排列方式以及分配板在下腔室所處的位置等有影響，后續(xù)工作將做深入研究。該結(jié)論將為液態(tài)燃料熔鹽堆堆芯優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(No.XDA0201002)資助

Supported by Strategic Priority Program of Chinese Academy of Sciences (No.XDA0201002)

thermal hydraulic of the MSR with liquid fuel

Core flow distribution design of molten salt reactor with liquid fuel

ZHOU Zhenhua1,2PAN Deng1,2CHEN Yushuang1HUANG Jianping1YU Xiaohan1WANG Naxiu1

1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: In the thermal-hydraulic design of molten salt reactor (MSR) with liquid fuel, the structure and the flow field distribution of lower plenum play a decisive role for the core flow distribution. Purpose: The mass flow distribution of core inlet is designed to match with the release heat distribution, so that the core power distribution will be flattened in radical. Methods: To realize the reasonable distribution of core flow, the flow field of lower plenum is optimized through adjusting the geometry of core lower plenum and flow distribution device using FLUENT software to simulate three-dimensional flow field of core. Results: The simulation results showed that the mass flow rate standard deviation of salt channels of trumpet-shape lower plenum is reduced by 4.2% compared with that of the ellipsoid-shape. The mass flow rate standard deviation of salt channel is reduced by 29.2% by setting the flow distribution plate. Conclusion: Changing the structure of lower plenum and setting the flow distribution plate are useful measures to adjust the mass flow distribution and power matching. The results can provide the basis for the optimization design of MSR with liquid fuel.

MSR, Flow distribution, Lower plenum structure, Flow distribution device, Computational fluid dynamics (CFD)

ZHOU Zhenhua, male, born in 1988, graduated from East China University of Science and Technology in 2013, master student, focusing on

WANG Naxiu, E-mail: wangnaxiu@sinap.ac.cn

TL334

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050601

周振華，男，1988年出生，2013年畢業(yè)于華東理工大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)橐簯B(tài)熔鹽堆熱工水力學(xué)

王納秀，E-mail: wangnaxiu@sinap.ac.cn

2016-02-22，

2016-03-23