CARR堆芯热组件自然循环条件下特性分析

周 媛，王玉林

（中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所，北京 102413）

CARR堆芯热组件自然循环条件下特性分析

周 媛，王玉林

（中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所，北京 102413）

本文建立了中国先进研究堆标准燃料组件单组件的流－固耦合共轭传热CFD分析模型。通过1组稳态流量工况的分析，拟合获得燃料组件的阻力特性曲线。在堆本体CFD分析模型强迫流动工况计算结果的基础上，开展了标准燃料组件自然循环数值模拟分析。计算结果表明，在设定工况下，不仅释热能安全载出，而且可保证热组件任何位置均不会发生冷却剂泡核沸腾和流动不稳定性。计算得到了自然循环建立过程组件内冷却剂温度、燃料包壳和芯体的温度分布、热点位置以及循环流量的变化规律，为研究热组件的瞬态热工水力特性提供了理论方法和参考数据。

中国先进研究堆；燃料组件；CFD；自然循环

中国先进研究堆（CARR）是高功率板状燃料研究堆。停堆后，在强迫循环转自然循环过程中流动发生了逆转，如果出现堵流事故，可能导致燃料板局部烧毁［1－2］。

现阶段，板状燃料元件开发了不少燃料组件专用的热工水力仿真程序［3－8］，这些程序多是建立在经验公式和实验模型基础上的一维或准二维的系统分析，无法模拟三维空间上的精细特征。采用计算流体力学（CFD）方法，可有效地克服一维模拟的缺陷，达到精确模拟三维空间上堆芯内流场和温度场的目的［9－10］。目前针对CARR燃料组件已开展了阻力特性和流量分配等的数值模拟研究［11－12］，但缺少基于CFD模型进行燃料组件自然循环模拟分析的研究。

本文建立CARR标准燃料组件单组件的流－固耦合共轭传热CFD分析模型。通过1组稳态流量工况的分析，拟合获得燃料组件的阻力特性曲线。在堆本体CFD分析模型计算结果的基础上，开展标准燃料组件自然循环数值模拟分析，得到自然循环建立过程组件内温度分布、热点位置以及循环流量的变化规律，为研究热组件的瞬态热工水力特性提供理论方法和参考数据。

1 计算模型

1．1 几何模型

本文研究的热组件为标准燃料组件，组件内有21片燃料板，燃料板间隙在2．2～2．59mm之间，燃料板长度为890mm，流动通道长宽比高达400∶1。在进行几何建模时，忽略组件上的提梁、定位梳、装配孔等结构，仅取规则的燃料板通道，同时在通道两侧取长度相同的300mm长矩形进出口段，几何结构示于图1。

图1 热组件几何结构Fig．1 Geometry structure of hot fuel assembly

1．2 网格划分

对图1所示的计算域采用ICEM CFD工具进行网格划分。根据燃料组件和流动通道的几何结构特点，对组件整体都采用六面体结构化网格划分，使生成的网格质量和效率最高。在对网格数量和分布进行敏感性分析的基础上，本文最后确定计算网格采用单流动通道内5个网格节点、燃料板发热芯体3个网格节点、组件侧板和燃料板包壳2个网格节点的网格设置方案。计算网格模型总网格节点数为6 128 132，六面体网格单元总数为4 781 260。图2为流动横截面上的网格分布示意图。

图2 热组件网格Fig．2 Mesh of hot fuel assembly

1．3 热源模型

利用CITATION物理计算程序计算得到了CARR稳态运行60MW工况下的堆内热组件的功率密度分布（本文计算的热组件功率为3MW），程序结果以三维空间区域分布离散点的形式给出，3个方向分别为9、10、85个区段。将这些数据利用ANSYS CFX－PRE建立一三维的Function函数，用于实际各网格节点的热源项插值。

反应堆停止后，衰变功率采用下式进行计算：

式中：P为反应堆运行功率，W；T为反应堆以功率P运行的时间，s；τ为停堆后的时间，s；Pd（τ，T）为停堆后τ时的衰变功率，W。

将堆内热组件功率密度分布按照衰变功率Pd（τ，T）与反应堆运行功率P的比例进行折算，得到停堆后时的堆内热组件功率密度分布，用于自然循环阶段的瞬态模拟计算。

1．4 计算工况设置

本文是基于堆本体CFD分析模型强迫流动工况计算结果，即基于系统计算结果，进一步开展的仅以堆芯热组件为研究对象的计算分析工作。本文计算内容分为两组，第1组目标是获得该热组件的流动阻力特性。这组计算的工况为：冷却剂自上而下流过热组件，其流速从2～12m／s之间选取7个不同的值进行组件压降计算。第2组目标是获得热组件在自然循环状态下的流动传热特性。这组计算的工况为以下4个阶段。第1阶段：3MW稳定运行，冷却剂自上而下冷却堆芯，强迫循环。第2阶段：反应堆停止，功率衰减，强迫循环继续维持1 800s。第3阶段：反应堆功率衰减，强迫循环衰减运行120s。第4阶段：反应堆功率衰减，强迫循环结束，随后自然循环逐步建立，该阶段计算180s。

计算中简化为两部分：首先进行热组件强迫流动工况稳态计算，其功率稳定为3MW，冷却剂自上而下流过热组件，入口流量为30kg／s，入口温度为18．28℃；之后以强迫流动计算结果为初始场，进行反应堆停止1 920s后的自然循环瞬态计算。考察自然循环的建立过程及组件内的流场特性，热组件处于重力场中，热组件衰变功率按式（1）折算后给出。

1．5 求解模型设置

计算区域包含3种材料：1种流体材料和2种固体材料。流体物性采用IAPSW材料库数据，2种固体材料物性参数列于表1。

流体区域模型设置：湍流模型采用标准k－ε，壁面函数模型为Scalable wall，传热模型为Thermal Energy，热浮力采用Boussinesq模型假设；固体区域模型设置：导热模型，共轭传热，保证与流体换热面上热通量相等。

表1 固体材料物性参数Table 1 Physical property parameter of solid material

求解器选用ANSYS CFX，12核并行计算。强迫流动为稳态模拟，求解设置选用自动物理时间步长，计算内存要求不高。自然循环为瞬态模拟，采用0．5s的计算时间步长，每个计算时间步设置10次内迭代或10－4的物理量均方根残差作为该时间步的计算收敛标准，计算内存要求100G以上，同时建立热组件冷却剂出口温度监测点、流量监测点和热组件芯体最高温度监测点。

2 计算结果分析

2．1 热组件阻力特性分析

首先，进行了热组件的流动阻力特性分析。冷却剂自上而下流过热组件，其流速从2～12m／s之间选取7个不同的值进行组件压降计算。流体进入热组件后将沿竖直方向向下流动，压力损失主要沿流线方向产生，不会发生燃料板与燃料板间的横向流动和损失。通过改变热组件入口速度，计算得到组件压力差，进而得到热组件沿竖直方向单位长度的压降随流速的变化曲线，得出了热组件的流动阻力特性。

同时采用单相流动压降计算的经验公式拟合阻力特性曲线［13］，与模拟计算的阻力特性曲线进行对比，经验公式如下：

其中：Δp为总压降；ΔpG为提升压降；ΔpF为摩擦压降；ΔpA为加速压降；ΔpC为形阻压降。

其中：A1为热组件入口和出口段的冷却剂流通面积；A2为热组件内的冷却剂流通面积，m2。

图3为强迫流动工况下的热组件阻力特性曲线。经与CARR堆外全堆芯流量分配试验中热组件的阻力特性曲线对比，考虑到仪表测量误差，认为公式拟合的结果偏于保守，模拟计算的结果比较合理可信。

图3 强迫流动工况热组件阻力特性曲线Fig．3 Drag characteristic curve of hot fuel assembly under forcing flow condition

2．2 强迫流动工况稳态模拟计算结果分析

1）流场特性

进行了热组件强迫流动工况稳态计算，其功率稳定为3MW，冷却剂自上而下流过热组件，入口流量为30kg／s，入口温度为18．28℃。通过计算，得到了组件内三维空间的温度场分布，热点的位置也清晰地呈现出来。

图4为强迫流动工况热组件温度场分布及热点位置。由图4可明显看出组件流体区域和固体区域内的温度分布梯度。流体温度即冷却剂温度沿流道自上而下逐渐升高，热组件下方出口处温度最高，达59．9℃。固体温度即燃料芯体温度和燃料包壳温度沿流道逐渐升高，最高温度出现在热组件中平面和出口之间，热点温度即燃料芯体最高温度达到162．3℃，包壳最高温度达到160．5℃，随后固体温度沿冷却剂流动方向均逐渐降低。图中也可清晰地看到，热组件的热点（如图4b、c中黑点标注位置）在中间的燃料板上组件中平面下部的位置，在径向平面上非常接近组件一侧的侧板。

图4 强迫流动工况热组件温度场分布及热点位置Fig．4 Temperature distribution and hot spot’s location of hot fuel assembly under forcing flow condition

2）热工参数计算结果

通过热组件强迫流动工况的稳态计算，还得到了其他热工参数的计算结果（表2）。

表2 强迫流动工况计算结果Table 2 Calculated results under forcing flow condition

按照CARR安全限值的要求，任何情况下，燃料芯体最高温度应低于400℃，燃料包壳最高温度应低于200℃。从表2可看出，在强迫流动工况下，热组件热点温度即燃料芯体最高温度为162．3℃，包壳最高温度为160．5℃，均在安全限值内。根据Bergles－Rohsenow公式可知，此时泡核沸腾起始点的壁面温度即发生泡核沸腾时的包壳温度为176．1℃，显然远高于包壳最高温度160．5℃，因此，可保证强迫流动工况下释热能安全载出，而且热组件任何位置均不发生冷却剂泡核沸腾，热组件热点处具有足够的防止烧毁裕度，保证燃料组件不发生损坏。

2．3 自然循环瞬态模拟计算结果分析

以热组件强迫流动工况的稳态计算结果为初始场，进行强迫流动丧失后180s内的瞬态计算，考察自然循环的建立过程及组件内流场特性，获得组件在自然循环状态下的流动传热特性。热组件衰变功率按式（1）折算，由3MW减小到0．013MW。

1）流场特性

通过计算，模拟得到了自然循环建立后的热组件温度分布及热点位置。

图5为自然循环180s时刻热组件温度场分布及热点位置。由图5可明显看出组件流体区域和固体区域内的温度分布梯度。此时，热组件内冷却剂的流动已发生了反转，自下而上冷却热组件，自然循环建立。流体温度即冷却剂温度沿流道自下而上逐渐升高，热组件上方出口处温度最高，达到49．5℃。固体温度即燃料芯体温度和燃料包壳温度沿流道逐渐升高，最高温度出现在热组件下方入口和中平面之间，热点温度即燃料芯体最高温度达到120．3℃，包壳最高温度达到118．8℃，随后固体温度沿冷却剂流动方向均逐渐降低。图中也可清晰地看到，自然循环180s时刻，热组件的热点（如图5a、b中黑点标注位置）在中间的燃料板上组件中平面下部的位置。相比强迫流动工况下的热点位置，自然循环时的热点位置更接近组件中平面，且在径向平面上的位置是靠近平面中心，不像强迫流动工况下的热点非常接近组件一侧的侧板。

图5 自然循环180s时刻热组件温度场分布及热点位置Fig．5 Temperature distribution and hot spot’s location of hot fuel assembly in process of natural circulation at 180s

图6 自然循环过程中热组件冷却剂流量随时间的变化Fig．6 Flow rate of hot fuel assembly vs．time in process of natural circulation

2）自然循环流量

从强迫流动转自然循环，冷却剂流动方向发生了反转。通过设置热组件冷却剂流量监测点，可便捷地得到自然循环开始后每个时刻热组件冷却剂流量的瞬态变化值，经统计和整理，可得到0～180s时段热组件冷却剂流量的变化曲线，如图6所示。

从图6a不难看出，强迫流动在0s时刻完全丧失，随后流动很快发生了逆转，1s时刻已经达到－0．009kg／s。从图6b可清晰地看到自然循环流量0～180s的瞬态变化。此时，热组件的流量最初迅速上涨，直到25s左右达到最大值0．325kg／s，但不能稳定，43s左右又减小到0．26kg／s，至此，自然循环开始稳定建立，流量维持在0．265kg／s左右。

3）自然循环过程中热组件冷却剂最高温度和热点温度

同样，通过设置热组件冷却剂出口温度监测点和芯体最高温度监测点，可便捷地得到自然循环开始后每个时刻这些监测点参数的瞬态变化值，经统计和整理，可得到0～180s时段热组件冷却剂最高温度和热点温度的变化曲线，如图7所示。

图7 自然循环过程中热组件温度随时间的变化Fig．7 Temperature of hot fuel assembly vs．time in process of natural circulation

从图7可看出，在自然循环瞬态工况下，自然循环建立的初期，热组件冷却剂的最高温度迅速升高，直到27s左右达到322．5K（49．5℃），随着自然循环逐渐稳定建立，热组件冷却剂的最高温度在50s左右回落到311K（38℃），之后变化趋于平稳，70s左右稳定在312K（39℃），此时开始持续、稳定地导出组件的衰变热。热组件热点温度的变化趋势与冷却剂最高温度的变化趋势相同，但仅用16s即达到了最高温度393．3K（120．3℃），35s时达到330K（57℃），45s左右稳定在333K（60℃），此时开始持续、稳定地导出组件的衰变热。

4）热工参数计算结果

通过模拟计算，还得到了其他热工参数的计算结果（表3）。

表3 自然循环瞬态计算结果Table 3 Transient calculated results of natural circulation

从表3可看出，在瞬态下，热组件热点最高温度即燃料芯体最高温度为120．3℃，包壳最高温度为118．8℃，均在安全限值内。根据Bergles－Rohsenow公式可知，此时泡核沸腾起始点的壁面温度为123．9℃，显然高于包壳最高温度118．8℃，因此，自然循环工况下释热能安全载出，而且热组件任何位置均不发生冷却剂泡核沸腾，热组件热点处具有足够的防止烧毁裕度，保证燃料组件不发生损坏。

3 结论

1）通过改变热组件流速，计算得到组件压力差，进而得到热组件阻力特性。经与经验公式拟合阻力特性曲线以及CARR堆外全堆芯流量分配试验中热组件的阻力特性曲线对比，考虑到仪表测量误差，发现公式拟合的结果相对偏于保守，模拟计算的结果比较合理可信。

2）通过强迫流动工况和自然循环工况的模拟计算，进一步得到了设定工况下热组件的三维空间温度场分布，并找到了热点的精确位置坐标，给出了热点的热工参数，确定了热点的安全裕度。从强迫流动工况稳态模拟计算结果和自然循环工况瞬态模拟计算结果可看出，该设定工况下，不仅释热能安全载出，而且可保证热组件任何位置均不会发生冷却剂泡核沸腾和流动不稳定性，热组件热点具有足够的防止烧毁裕度，确保了核安全。

程序计算结果为研究热组件的瞬态热工水力特性，尤其是自然循环状态下的安全分析提供了理论方法和参考数据，对CARR自然循环特性分析具有重要的指导意义。今后，可利用该计算模型，模拟热组件不同发热功率的运行工况或事故工况，从而得到热点位置和相应的热工参数，分析热组件的自然循环特性，进而分析反应堆燃耗、控制棒棒栅位置、池水温度等因素对热点参数的影响，为安全分析和制定应对改善措施提供重要的理论计算依据。

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Characteristic Analysis of Core Hot Fuel Assembly for CARR under Natural Circulation Condition

ZHOU Yuan，WANG Yu－lin
（China Institute of Atomic Energy，P．O．Box275－43，Beijing102413，China）

The liquid－solid coupling conjugate heat transfer CFD analysis model of China Advanced Research Reactor（CARR）standard fuel assembly was set up in the paper．Through the analysis of a set of steady state flow condition，the drag characteristic curve of the fuel assembly was achieved．Based on the calculated results of the full CFD model of CARR main body under the condition of forcing flow，the natural circulation numerical simulation analysis of the standard fuel assembly was carried out．The simulation results indicate that the heat generation in the hot fuel assembly can be removed safely and the coolant nucleate boiling or flow instability will not happen under the set conditions．The temperature distributions of the coolant，the fuel cladding and the fuel meat，the hotspot’s 3Dlocation and the natural circulation flow rate in the process of natural circulation were also obtained．The present results are valuable to provide a theoretical method and reference data for the study of transient thermal－hydraulic characteristics of the hot fuel assembly．

China Advanced Research Reactor；fuel assembly；CFD；natural circulation

TL33

A

：1000－6931（2015）03－0433－07

10．7538／yzk．2015．49．03．0433

2014－09－23；

2014－10－20

周 媛（1979—），女，四川广元人，高级工程师，博士，核能科学与工程专业