李玉光 胡 甜 邱 陽(yáng) 董元元 楊志海

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 引言

堆內(nèi)熔融物滯留（IVR）是國(guó)內(nèi)外三代核電廠的關(guān)鍵嚴(yán)重事故管理策略，廣泛運(yùn)用于美國(guó)AP1000和中國(guó)華龍一號(hào)（ACP1000）等堆型。雖然在具體方案上存在自然循環(huán)增強(qiáng)型非能動(dòng)堆腔淹沒設(shè)計(jì)[1]和能動(dòng)非能動(dòng)相結(jié)合的堆腔注水設(shè)計(jì)（CIS）[2，3]之分，但均需在反應(yīng)堆壓力容器（RPV）和反應(yīng)堆堆坑之間設(shè)置提供堆腔冷卻流道環(huán)腔的堆坑筒體保溫層；而堆坑筒體保溫層存在支腿承載結(jié)構(gòu)，在安裝完畢后存在大量貫穿縫隙和不可避免出現(xiàn)縫隙泄漏，直接影響堆坑內(nèi)壁溫度甚至危及堆坑運(yùn)行安全。因此，對(duì)堆坑筒體保溫層進(jìn)行縫隙泄漏研究具有重要意義。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）因成本低、耗時(shí)短和適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)已廣泛運(yùn)用于核能系統(tǒng)分析[6，7]，但基本集中在一回路系統(tǒng)內(nèi)熱工安全特性研究，對(duì)堆坑筒體保溫層的縫隙泄漏研究鮮于報(bào)道。張亞斌等[8]人雖通過(guò)合理假設(shè)和手動(dòng)添加縫隙泄漏源項(xiàng)實(shí)現(xiàn)筒體保溫層保溫效果分析，但尚未進(jìn)行縫隙泄漏源項(xiàng)的仿真分析研究，因此開展堆坑筒體保溫層進(jìn)行縫隙泄漏研究勢(shì)在必行。

本文基于華龍一號(hào)（ACP1000）堆坑筒體保溫層結(jié)構(gòu)模型，對(duì)堆坑筒體保溫層縫隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化研究和對(duì)簡(jiǎn)化后縫隙泄漏進(jìn)行數(shù)值仿真分析，以得到堆坑筒體保溫層物態(tài)分布和縫隙截面泄漏情況，從而為三代核電堆坑筒體保溫層的性能評(píng)價(jià)奠定技術(shù)基礎(chǔ)和提供方法借鑒。

1 物理模型與數(shù)值計(jì)算方法

本文使用UG和ICEM軟件進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，使用Fluent軟件進(jìn)行邊界加載和數(shù)值仿真分析。選擇中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院（NPIC）華龍一號(hào)（ACP1000）堆坑筒體保溫層結(jié)構(gòu)模型作為典型代表，對(duì)其進(jìn)行縫隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和縫隙泄漏數(shù)值仿真分析。

1.1 物理和幾何模型

圖1為堆坑筒體保溫層結(jié)構(gòu)模型示意圖，包括RPV、反應(yīng)堆堆坑、筒體保溫層及其支腿，堆坑通風(fēng)冷卻系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)見表1。從圖1可以看出，堆坑筒體保溫層從下往上依次設(shè)置有1至9層支腿，每層支腿又從0°方位開始圓周均布24個(gè)，低溫堆坑冷卻風(fēng)（298.15K）次要部分（簡(jiǎn)稱次流風(fēng)）從下部幾層支腿縫隙流入RPV與保溫層之間的環(huán)腔（簡(jiǎn)稱環(huán)腔），從上部幾層支腿縫隙流出環(huán)腔與堆坑冷卻風(fēng)主要部分（簡(jiǎn)稱主流風(fēng)）混合；低溫堆坑冷卻主流風(fēng)從保溫層與堆坑之間環(huán)腔底部（0 m標(biāo)高）流入，吸收保溫層散熱后從保溫層與堆坑之間環(huán)腔頂部（約8.3 m標(biāo)高）流出。

表1 主要運(yùn)行參數(shù)

圖1 堆坑筒體保溫層設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)堆坑筒體保溫層結(jié)構(gòu)模型的對(duì)稱性，取其1/24作為研究對(duì)象；并假堆坑冷卻風(fēng)入口0 m以下的區(qū)域和堆坑冷卻風(fēng)出口7.5 m以上區(qū)域?qū)Χ芽油搀w保溫層的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)均無(wú)影響，由此可得如圖2 a所示的簡(jiǎn)化物理模型。簡(jiǎn)化物理模型的長(zhǎng)度（X方向）、寬度（Y方向）、高度（Z方向）分別為4 060 m、1 060 mm、8 280 mm。

1.2 縫隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

堆坑筒體保溫層包含數(shù)百保溫板塊接縫縫隙和數(shù)百支腿貫穿縫隙，即使是1/24模型，仍然包含數(shù)十個(gè)保溫板塊接縫縫隙和支腿貫穿縫隙，該縫隙寬度一般約為2 mm；而堆坑筒體保溫層和1/24模型的各向尺寸均為數(shù)米，兩者尺度上差距較大。若每個(gè)縫隙按真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模將會(huì)造成現(xiàn)有硬件水平難以接受的網(wǎng)格量和難以承受的計(jì)算量，因此需對(duì)縫隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

支腿之間的保溫板塊接縫縫隙按照中面分割原則將其等面積集中就近納入支腿貫穿縫隙，且考慮到支腿120 mm×60 mm的實(shí)際橫截面尺寸以及保溫板塊直接坐落在支腿上端面的實(shí)際安裝狀態(tài)，支腿左右兩側(cè)間隙和下側(cè)間隙構(gòu)成1∶2的比例關(guān)系，縫隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意如圖2b所示，并簡(jiǎn)單計(jì)算即可得到如表2所示的各層支腿集中縫隙。

圖2 物理模型

表2 各層支腿集中縫隙

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件

由UG和ICEM軟件生成的幾何結(jié)構(gòu)和控制容器數(shù)值模型如圖3a所示，含有約3 400萬(wàn)四面體網(wǎng)格。圖3b為通風(fēng)通道局部模型放大圖。數(shù)值模型邊界條件和主要物性參數(shù)見表3和表4。

表3 邊界條件

表4 主要物性參數(shù)[8-9]

圖3 數(shù)值模型

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性考核

基于0.17kg·s-1的質(zhì)量入口工況，分別采用3 400萬(wàn)、5 900萬(wàn)和9 200萬(wàn)三套網(wǎng)格進(jìn)行了獨(dú)立性考核，三套網(wǎng)格參數(shù)下出口平均溫度及平均速度如表5所示，可以看出三套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果非常接近，空氣出口平均溫度及平均速度的最大誤差分別為0.24%和0.44%，均能滿足數(shù)值仿真分析需求；但第二套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果與第三套網(wǎng)格更為接近，在硬件條件允許條件下選擇第三套9 200萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)數(shù)值仿真。

表5 網(wǎng)格獨(dú)立性考核

2 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

將ICEM軟件輸出的網(wǎng)格文件讀入FLUENT軟件進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，采用壓力-速度耦合求解器和具有標(biāo)準(zhǔn)壁面方程的k-ε湍流模型，并將操作壓力設(shè)置為1個(gè)大氣壓。當(dāng)連續(xù)性、速度（包括3個(gè)坐標(biāo)分量）、能量等輸運(yùn)方程變量均小于10-3時(shí)，認(rèn)為結(jié)果收斂終止計(jì)算。

2.1 空氣域物態(tài)分布

圖4為0.17 kg·s-1的質(zhì)量入口工況、支腿軸向剖面上物態(tài)參數(shù)云圖。堆坑冷卻風(fēng)從下往上逐漸吸收保溫層散熱，風(fēng)溫逐漸升高；堆坑冷卻次流風(fēng)從下部幾層支腿縫隙流入RPV與保溫層之間的環(huán)腔（簡(jiǎn)稱環(huán)腔），加熱后從上部幾層支腿縫隙流出并與堆坑冷卻主流風(fēng)合流，并使得堆坑冷卻主流風(fēng)溫出現(xiàn)躍升，形成了“煙囪效應(yīng)”。

圖4 空氣域物態(tài)分布

2.2 縫隙截面泄漏情況

表6為0.17 kg·s-1的質(zhì)量入口工況、支腿縫隙橫截面平均溫度、流速及質(zhì)量流量，圖5為0.17 kg·s-1的質(zhì)量入口工況、保溫層內(nèi)壁熱流密度沿高度分布情況，堆坑冷卻通風(fēng)部分從下部5層（1~5層）支腿縫隙流入環(huán)腔，從上部4層（6~9層）支腿縫隙流出環(huán)腔，總泄漏量約為0.051 71 kg·s-1，占總堆坑冷卻風(fēng)量的30.42%；換熱熱流主要包括輻射熱流和對(duì)流熱流兩部分，輻射熱流在整個(gè)高度范圍后基本均勻，總熱流和對(duì)流熱流在下部5層支腿縫隙漏流位置出現(xiàn)峰值，然后在上部幾層逐漸降低，這與各層支腿縫隙漏流情況相匹配。

表6 0.17 kg/s工況縫隙截面平均溫度、流速及質(zhì)量流量

圖5 0.17 kg/s工況保溫層內(nèi)壁熱流沿高度分布情況

表7和表8分別為0.19 kg·s-1、0.21 kg·s-1的質(zhì)量入口工況支腿縫隙橫截面平均溫度、流速及質(zhì)量流量，總泄漏量分別約為0.053 92 kg·s-1和0.055 89 kg·s-1。對(duì)比三個(gè)工況，總泄漏量隨堆坑冷卻風(fēng)量的增加而增大。圖6為0.17 kg·s-1、0.19 kg·s-1、0.21 kg·s-1質(zhì)量入口工況的保溫層內(nèi)壁溫度沿高度分布，在下部5層支腿縫隙處由于縫隙漏流冷卻存在明顯降低，不同質(zhì)量入口工況內(nèi)壁溫度分布趨勢(shì)相似。

圖6 保溫層內(nèi)壁溫度沿高度分布

從表6、表7和表8還可看出，堆坑冷卻次流在環(huán)腔中被充分加熱后分別以最高471.57 K、466.15 K和462.57 K迎面直沖向反應(yīng)堆堆坑，極易造成混凝土溫度超限，因此需增加縫隙流阻來(lái)降低“煙囪效應(yīng)”帶來(lái)的縫隙泄漏。

表7 0.19 kg/s工況縫隙截面平均溫度、流速及質(zhì)量流量

表8 0.21 kg/s工況縫隙截面平均溫度、流速及質(zhì)量流量

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種可行的三代核電堆坑筒體保溫層縫隙結(jié)構(gòu)的面積等效簡(jiǎn)化建模方法，并采用CFD對(duì)ACP1000堆坑筒體保溫層縫隙泄漏進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了支腿縫隙軸向剖面上的溫度分布、速度矢量，得到了各層支腿縫隙橫截面平均溫度、速度、質(zhì)量流量，支腿縫隙存在26.61%~30.42%不等的總泄漏量，頂部存在462.57~471.57 K不等的高溫射流沖擊反應(yīng)堆堆坑，支腿縫隙需采取有效措施增加縫隙流阻，從而降低“煙囪效應(yīng)”帶來(lái)的縫隙泄漏。本文為三代核電堆坑筒體保溫層的性能評(píng)價(jià)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和提供了方法借鑒。