一体化自然循环压水堆摇摆条件下堆芯通道流动特性∗

（海军潜艇学院 青岛 266199）

1 引言

核反应堆用于发电和军事几乎是同步的。现在全世界共有150多艘核潜艇，船舶核动力技术取得了重大突破［1～2］。目前，具有非能动安全特性的一体化全功率自然循环压水堆正在兴起。一体化自然循环压水堆具有结构紧凑、体积小、重量轻和非能动安全等特性，最为重要的是反应堆采用全功率自然循环运行方式，无需主泵，有效地降低了舰船噪音，这一特点对于舰船核动力具有很大的吸引力［3～4］。

安装于船体内的反应堆其自然循环特性会因受到摇摆、倾斜、震荡等环境因素的影响而发生改变。海洋条件下，自然循环系统中除具备流体温度差异造成的密度差而产生的驱动力外，船体运动还赋予其额外的惯性力，因此针对海洋条件下自然循环反应堆热工水力学特性的研究成为热点［5～8］。本文以典型一体化自然循环压水堆为研究对象，对摇摆条件下自然循环运行方式的堆芯闭式子通道流动特性为研究内容，重点考察无核反馈条件下的堆芯加热子通道内冷却剂流体的流动特性。

2 摇摆周期（频率）对加热子通道冷却剂流量的影响

本文研究对象——典型一体化自然循环压水堆堆芯控制体截面划分示意及具体编号如图1所示。以44组、闭式组件堆芯燃料组件，总加热功率10MW。

在给定一回路系统压力、堆芯入口温度和摆角振幅条件下，图2给出了不同周期下典型堆芯通道加热段出口处冷却剂流动及质量流量波动情况。图3给出了典型堆芯通道内，在相同摇摆振幅（或幅角）下摇摆周期（或频率）对加热段出口处质量流量的影响。

图1 堆芯流道划分横截面划分示意

图2 给出了不同周期下典型冷却剂通道的流动及流量波动情况

由图2、图3可以得到如下结论：

1）冷却剂通道加热段出口处质量流量的波动幅度随着摇摆周期（频率）的增加逐步减小（增加），这与文献［9～12］等的关于单通道、三通道研究结论完全一致。考虑到附加切向力、法向力的发生频率与摇摆频率的关系［8］，可知摇摆周期较大时附加法向力占主导，较小时附加切向力则占优势。显然，摇摆周期较小（摇摆频率较大）时，系统剧烈程度增加，加热段出口处质量流量等更易受到附加切向力的影响，由于切向力频率与摇摆频率相等，故加热段出口处冷却剂流体质量流量波动周期与摇摆周期几乎相等。

图3 不同摇摆周期下的各冷却剂通道内质量流量波动情况由上至下，分别是子通道1、44、35、16

2）从典型通道（浅灰色区内，见图1）1#、16#、35#、44#的流动情况看，流量波动幅度的大小排序为

根据冷却剂所受附加切向力和法向力公式（式（2）、式（3））可知，相同摇摆角速度条件下，附加切向力和法向力随着位置矢量半径增加而增大。堆芯冷却剂通道离摇摆平面距离愈远，位置矢量半径愈大，冷却剂流体受到的附加切向力和法向力就愈大，流量波动就愈剧烈，摇摆平面附近冷却剂通道中质量流量波动幅度相对较小。

3）低于堆芯热心位置的冷却剂通道出口出现回流。一方面，由式（2）知各冷却剂通道内受到附加切向力和法向力作用（忽略科氏力）不同，离摇摆平面较远的周向冷却剂通道流体受到的附加力较大，故流量波动幅度较大，在低于（高于）堆芯热心位置时的冷却剂通道处流量出现极小（大）值，故而附加力对各通道流体质量流量的差异产生贡献；另一方面，由于密度驱动高度（位势差）的不同，使得低位势差冷却剂通道的自然循环能力趋弱，也造成了低于（高于）堆芯热心位置、离摇摆平面较远的周向冷却剂通道流体流量降低（增加）最快。因此，在二者叠加效应下，低于（高于）堆芯热心位置、离摇摆平面较远的周向冷却剂通道流体流量降低（增加）最快，从而造成各冷却剂通道出口处的流量出现差异，且摇摆周期愈小，流量差异愈明显，从而在低于堆芯热心位置的冷却剂通道出口处可能出现回流。

3 摇摆振幅（幅角）对加热子通道冷却剂流量的影响

在一回路系统压力5MPa、堆芯入口温度和摆角振幅周期下，考察摇摆振幅对各冷却剂流体通道加热段质量流量的影响。图4给出了相同周期不同振幅条件下各加热子通道的冷却剂流体流动及质量流量波动情况。图5给出了典型冷却剂通道内，在相同摇摆周期条件下摇摆振幅对堆芯通道冷却剂流体流动的影响的结果。

图4 相同周期下各子通道质量流量分配

由图4、图5可以看出，各子通道质量流量波动遵守式（2）、式（3）。总结如下：

1）各冷却剂通道加热段出口处质量流量的波动幅度随着摇摆振幅的增加而逐渐增加，冷却剂流动不稳定性加剧。根据式（2）、式（3）所表述的附加切向力和法向力公式，相同周期下，摇摆振幅愈大，角速度矢量的模愈大，故而冷却剂流体所受的附加切向力和法向力愈大，造成的流量扰动（即波动振幅）愈大。

图5 不同摇摆振幅下的各冷却剂通道内质量流量波动情况由上至下，分别是加热子通道1、16、35、44

2）外侧通道冷却剂质量流量波动较中心通道剧烈得多，在振幅角度超过40°时，甚至出现流量为负的现象，说明外侧周向冷却剂通道在剧烈波动下可能流量为零或为反向，加热流体反向流动会加剧局部两相沸腾，造成局部热点传热恶化，减弱堆芯热量输运进程，并损伤加热棒，因此，必须控制摇摆周期和振幅角度，使得通道内、尤其是外侧通道内冷却剂质量流量必须满足不超过CHF条件，当摇摆角度超过一定程度，要迅速降低功率或停堆。

3）从典型通道（浅灰色区内，见图1）1#、16#、35#、44#的流动情况看，流量波动幅度的大小排序为

同样地，堆芯冷却剂通道离摇摆平面愈远，位置矢量半径愈大，冷却剂流体受到的附加切向力和法向力就愈大，流量波动就愈剧烈，摇摆平面附近冷却剂通道中质量流量波动幅度相对较小。

4）在低于堆芯热心位置的冷却剂通道出口出现回流。同样，由于冷却剂流体受到的附加力和密度驱动高度（位势差）对各通道流体质量流量的差异产生双重贡献使得低位势差冷却剂通道的自然循环能力趋弱，也造成了低于（高于）堆芯热心位置、离摇摆平面较远的周向冷却剂通道流体流量降低（增加）最快，从而在低于堆芯热心位置的冷却剂通道出口处也将出现回流。

4 结语

通过对摇摆周期和振幅对自然循环回路的影响开展数值计算，数值结果表明：

1）冷却剂通道加热段出口处质量流量的波动幅度随着摇摆周期（频率）的增加逐步减小（增加），这与文献［1～2］等的关于单通道、三通道研究结论完全一致。

2）相同摇摆角速度条件下，附加切向力和法向力随着位置矢量半径增加而增大。

3）各冷却剂通道加热段出口处质量流量的波动幅度随着摇摆振幅的增加而逐渐增加，冷却剂流动不稳定性加剧。

4）堆芯冷却剂通道离摇摆平面愈远，位置矢量半径愈大，冷却剂流体受到的附加切向力和法向力就愈大，流量波动就愈剧烈。

5）受力和力矩差异导致在低于堆芯热心位置的冷却剂通道出口出现回流。