何震，田俊科，陳富財，陳樹，謝永奇

（1.中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610213；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

0 引言

模塊化反應(yīng)堆壓力容器（RPV）支座為反應(yīng)堆壓力容器新型支承結(jié)構(gòu)，整個支座采取模塊化制造，安裝在支承預(yù)埋件上，采取四位一體支承方式[1]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。一回路冷卻劑流經(jīng)反應(yīng)堆壓力容器，溫度相對較高，部分熱量經(jīng)容器接管支座直接傳入支承支座結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)堆冷卻劑載荷作用下，熱量經(jīng)由反應(yīng)堆壓力容器傳遞給支座并最終傳遞給支座外圍混凝土基臺，使混凝土基臺溫度升高，降低基臺支承強度。

圖1 反應(yīng)堆支承結(jié)構(gòu)

板殼型支承結(jié)構(gòu)在M310反應(yīng)堆壓力容器支承中得到較早應(yīng)用，AP1000反應(yīng)堆支承技術(shù)同樣采取類似結(jié)構(gòu)，根據(jù)反應(yīng)堆本體質(zhì)量及設(shè)計工況載荷確定接口，M310支座設(shè)有專門的通風(fēng)通道，循環(huán)送風(fēng)冷卻從壓力容器傳過來的熱量，AP1000技術(shù)采取自下而上的堆腔通風(fēng)冷卻技術(shù)。兩種RPV支承結(jié)構(gòu)均從國外引進，目前沒有相關(guān)熱特性理論分析。模塊化支座直接和壓力容器上的輔助支座接觸，且外圍包覆保溫層，使得RPV支座溫度較高，為避免支座周圍混凝土基臺工作溫度超過限值80 ℃，因此，有必要對支座內(nèi)腔進行風(fēng)量流場分析，全面認識結(jié)構(gòu)在熱載荷下的熱特性規(guī)律，并確定必要的流場參數(shù)，從而指導(dǎo)模塊化RPV支座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1 模塊化支座冷卻結(jié)構(gòu)

圖2給出了支座固體域部分。支座底面與壓力容器的高溫部分接觸，熱量通過支座傳遞給側(cè)部墊板和加強筋板。位于支座中部矩形口為通風(fēng)進口端，冷卻風(fēng)經(jīng)支座內(nèi)腔然后從兩側(cè)出風(fēng)口進入堆腔，其支座流體域模塊如圖3所示。建模中不考慮支座內(nèi)的墊板、螺栓等，而將墊板、支座等材料的導(dǎo)熱系數(shù)進行當(dāng)量化處理。對于支座內(nèi)側(cè)面，由于實際安裝時與壓力容器高溫部分存在0.4 mm的間隙，因此在計算中可以通過施加溫度邊界考慮該側(cè)面對支承傳熱的影響。由于支座不涉及流體流動，可以忽略內(nèi)部墊板對流場分析的影響。

圖2 模塊式RPV支承固體域模型

圖3 模塊式RPV支承流體域模型

2 板冷卻流場分析

2.1 模塊化支座結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

模塊化支座固體域結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，所劃分的六面體網(wǎng)格單元如圖4所示。為檢查網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響，固體域網(wǎng)格劃分了Scase1、Scase2、Scase3三種方案，

圖4 固體域網(wǎng)格單元圖

冷卻空氣經(jīng)送風(fēng)管道進入支承結(jié)構(gòu)后，經(jīng)導(dǎo)流板（散熱板）與側(cè)板之間的空隙流向出口，而該處的氣流流動情況又需要重點關(guān)注，為準(zhǔn)確捕捉該狹長區(qū)域的流動信息，間隙處的網(wǎng)格數(shù)量不少于10個。圖5為整個流體域的網(wǎng)格單元圖，出風(fēng)口區(qū)域氣流存在回流，而且氣流速度梯度可能較大，對出口處網(wǎng)格進行了加密處理。另外，為了獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果，在流固交界面流體域側(cè)，對網(wǎng)格單元的尺寸進行了控制，以便能準(zhǔn)確計算靠近壁面處附面層內(nèi)的氣體流動。

圖5 流體域網(wǎng)格單元圖

2.2 流場溫度場仿真

2.2.1 邊界條件

1）進口邊界條件。設(shè)定進口流速為13.8 m/s（即體積流量為1000 m3/h），進口空氣溫度設(shè)定為15 ℃。

2）出口邊界條件。設(shè)定為Opening邊界，給定出口靜壓為0 Pa，考慮到有回流，根據(jù)計算得到的出口溫度設(shè)定回流的溫度；設(shè)定的函數(shù)關(guān)系如下：

其中，areaAve(T)表示針對出口截面out1或out2上的溫度取面積平均。

3）壁面邊界條件。所有壁面均設(shè)置為無滑移邊界；每個壓力容器支承表面的溫度計算結(jié)果設(shè)定為200 ℃，其他壁面（除了與熱源相鄰或相接部分）均不考慮傳熱，即設(shè)置為絕熱邊界。

4）流固交界面。流體域和固體域的交界面上，考慮傳熱，設(shè)定為Conservative Interface Flux[2]。

5）固體材料。RPV支承結(jié)構(gòu)所采用的材料主要有Q235、20鋼、Q345、42CrMo、15MnNi等，不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)有所不同，主要物性參數(shù)如表1所示[3]。

表1 RPV支承結(jié)構(gòu)材料物性參數(shù)

2.2.2 溫度場仿真

為驗證網(wǎng)格無關(guān)性，分別按case1、case2、cese3等3種分網(wǎng)方案進行溫度場仿真，圖6為支座側(cè)板外表面溫度場云圖，在3種方案仿真結(jié)果中，最大溫度為74.2 ℃，最低溫度為27.4 ℃，3種網(wǎng)格方案仿真結(jié)果變化較小，由此可見，以上網(wǎng)格劃分對仿真結(jié)果影響較小，網(wǎng)格劃分滿足計算要求。

圖6 3種網(wǎng)格方案下的支座側(cè)板溫度場仿真云圖

圖7為3種網(wǎng)格方案下的支座底板溫度場仿真結(jié)果，支座底板支承在混凝土上，最高溫度為31.5 ℃，最低溫度為23.3 ℃，整個底板溫度相對較低，對混凝土基臺的影響較小。

圖7 3種網(wǎng)格方案下的支座底板溫度場云圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

RPV支座采取單獨的冷卻系統(tǒng)，通過分析，支座側(cè)板和混凝土接觸區(qū)域最高溫度達到74.2℃，不超過混凝土溫度設(shè)計限值要求，但結(jié)構(gòu)中應(yīng)單獨為RPV支座提供通風(fēng)通道，使通風(fēng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜。另外，為滿足整個反應(yīng)堆溫度設(shè)計要求，在堆腔中設(shè)計有由堆底到堆頂?shù)耐L(fēng)系統(tǒng)，可帶走RPV保溫層表面及堆頂結(jié)構(gòu)的溫度，因此RPV支座冷卻通風(fēng)系統(tǒng)可取自這部分通風(fēng)量進行支座冷卻，并將支座通風(fēng)口改向內(nèi)側(cè)，上部加裝導(dǎo)流板，可將部分堆坑通風(fēng)引向支座內(nèi)腔進行冷卻，相應(yīng)結(jié)構(gòu)變化如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的支座通風(fēng)結(jié)構(gòu)

3.2 溫度場仿真

圖9給出了冷卻空氣進風(fēng)口流速為5 m/s、空氣溫度為30 ℃時RPV支承結(jié)構(gòu)流場分布矢量圖。由圖9可以看出，來自反應(yīng)堆底部的冷卻空氣在上擋板的阻擋下，一部分氣流經(jīng)過附加區(qū)域的兩個側(cè)面流向反應(yīng)堆上方，這部分氣流流速較高，大部分在5 m/s以上；另一部分氣流進入RPV支承結(jié)構(gòu)內(nèi)容，腔內(nèi)氣流流速相對較低，大部分不超過4 m/s。在中間導(dǎo)流板作用下，分為兩股氣流分別流向支承結(jié)構(gòu)的2個出風(fēng)口，在出風(fēng)口處氣流流速增大，而且氣流主要集中在出風(fēng)口上部流出。支承結(jié)構(gòu)腔內(nèi)氣流流動較為復(fù)雜，存在漩渦。

圖9 空氣溫度為30 ℃時流場分布矢量圖

圖10給出了模塊式RPV支承結(jié)構(gòu)整體溫度分布云圖?？梢钥闯?，在熱源面設(shè)定為125 ℃時（計算中將基準(zhǔn)溫度設(shè)置為273 K，因此實際施加攝氏溫標(biāo)時的溫度值為124.85 ℃），結(jié)構(gòu)整體上上部溫度高，下部溫度低，中間溫度較高，兩側(cè)溫度較低。支座大部分區(qū)域的溫度不低于94 ℃，而下蓋板大部分區(qū)域溫度不超過56 ℃，支座兩側(cè)與混凝土接觸區(qū)域溫度將近77 ℃，已逼近混凝土設(shè)計許可溫度限值。

圖10 RPV支座結(jié)構(gòu)溫度場分布云圖

4 結(jié)論

1）如單獨給RPV支座設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)，由于進口溫度較低，對支座的冷卻效果較好，很容易滿足支座的冷卻要求，但設(shè)計單獨的通風(fēng)系統(tǒng)會增加反應(yīng)堆輔助冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2）優(yōu)化后的RPV支座結(jié)構(gòu)，采取進風(fēng)口流速為5 m/s、空氣溫度為30 ℃時RPV支座流場能較好地滿足冷卻要求，因此在設(shè)計中應(yīng)在堆腔側(cè)部設(shè)計較大的引流槽，相應(yīng)改變支座內(nèi)側(cè)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)，使更多的冷卻空氣進入支座，最大限度地降低支承支座兩側(cè)溫度，確保不超過混凝土設(shè)計溫度限值。

3）在優(yōu)化方案中，由于采取堆坑通風(fēng)系統(tǒng)，不需要設(shè)計獨立的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，使得模塊化壓力容器支座結(jié)構(gòu)緊湊，反應(yīng)堆制造及運行成本降低。