CEFR冷阱结构设计改进及热工水力分析

陈祖国，许义军

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

冷阱是钠冷快堆中净化钠中杂质的关键设备，在反应堆的运行过程中起着重要作用。对于冷阱的研究，从冷阱设计、调试、杂质的捕集能力分析等方面都有相关的研究。如清华大学赵兆颐等[1]从氢计钠回路冷阱净化系统设计和调试中得到了冷阱净化过程中最低冷端温度110 ℃时的冷阱特性；中国原子能科学研究院洪顺章等[2]通过建立钠化学回路，试验得到了冷阱温度与阻塞温度的关系曲线；中国原子能科学研究院吕明宇等[3]通过对钠冷快堆冷阱净化能力进行分析，得到了冷阱金属填充物采用间断性的、填充密度递增的排列方式，可使金属填充物利用率达到最大化的结论；中国原子能科学研究院冯波等[4]对钠钾合金介质的冷阱进行了试验与数值模拟，得到了其结构形式下的冷阱工作特性曲线；中国原子能科学研究院黄文杰等[5]采用试验的方法测定了核级钠中的金属杂质，并应用于中国实验快堆(CEFR)钠中的杂质分析等相关研究。国内对于冷阱的研究较多，但针对本文结构形式的冷阱的数值分析研究较少，作为CEFR一回路钠净化系统的关键设备，研究其冷阱的温度分布和流动分布，并结合运行的经验进行冷阱结构的改进对反应堆的长期运行是非常迫切且必要的。

CEFR是我国首座池式钠冷快堆，主要用于进行相关的实验研究，包括运行实验(如启动和停堆实验、某些假设始发事件的模拟试验等)，燃料、中子吸收材料和结构材料的辐照考验以及有关的钠工艺试验(如钠净化试验、钠中杂质测量分析试验等)等，此外，其还可用于某些同位素的生产[6]。

CEFR冷阱是钠净化系统中的关键设备，主要用于捕集钠中的杂质，使系统中钠的杂质含量满足质量控制参数要求，在CEFR的运行过程中起着重要作用。由于CEFR冷阱的原设计存在一定问题，使得现有冷阱丝网区易堵塞，造成冷阱使用寿命较低，更换频繁，严重影响反应堆的长期稳定运行，与国外同类冷阱的使用寿命相比，远未达到冷阱的设计要求，因此对CEFR冷阱进行结构改进是非常必要的。

通过对冷阱进行分析，冷阱丝网区易堵塞且寿命较低的原因可能为：1) 钠在冷阱中的流动路径不合理，易造成区域的堵塞；2) 在丝网密度和布置方面，未采用分区布置也容易使杂质沉积在外层而堵塞流道。

本文从结构设计和水力学两方面对CEFR冷阱进行改进，并采用ANSYS FLUENT对改进的方案进行数值分析，并与CEFR现有冷阱的结果进行分析比较。

1 数学模型和数值方法

本文采用ANSYS FLUENT软件进行数值计算，湍流的计算采用雷诺时均方程法中的湍流黏性系数法，通过将非稳态的N-S方程作时间平均，并建立相关的湍流模型，使控制方程组封闭，N-S方程的通用形式[7]如下：

(1)

式中：ρ为密度；t为时间；U为速度向量；φ为通用变量，代表u、v、w、T等变量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项。

湍流模型的选用：在湍流核心区的流动采用标准的k-ε两方程模型，而在固体壁面附近的黏性支层区采用壁面函数法，且计算时考虑重力及浮升力的影响。

针对求解，ANSYS FLUENT提供了很多离散格式及数值算法，本文计算时离散格式选用二阶迎风格式，数值算法采用SIMPLE算法。

2 三维建模与边界条件

2.1 几何建模

图1 冷阱剖面图(a)和内部结构图(b)Fig.1 Sectional drawing (a) and inner structural drawing (b) of cold trap

CEFR冷阱[8]是一直立式圆柱型容器，容器内部具有孔管、内置省热器、金属丝网等设备，未净化的钠从冷阱上部入口管进入1个与其同轴的其上有孔的管子，该孔管使钠均匀分布，并使钠穿过冷阱内省热器盘管的外侧，再通过冷阱上部支撑板导流至金属丝网外侧，然后横向通过丝网中心区，钠中杂质便在丝网上析出并沉积于冷阱的底部。净化后的钠在中心区经中心管向上返回到内省热器盘管内，并与盘管外侧未净化的钠进行换热升温后由冷阱上部出口流出。冷阱剖面图、内部结构图如图1所示。

2.2 网格生成

冷阱的计算网格采用非结构化四面体网格，本计算共采用了4种不同数量的网格，分别为220万、610万、810万和1 200万，通过网格敏感性分析及计算的经济性考虑，最终计算采用了810万网格，网格如图2所示。

图2 冷阱内部网格图Fig.2 Inner mesh picture of cold trap

2.3 边界条件

在计算中，为准确模拟，对钠采用变物性参数。对于冷阱的入口设置为质量流量入口条件，质量流量为1.2 kg/s，入口温度为185 ℃；冷阱的出口设置为压力出口条件，取相对压力为0；对于冷阱的壁面设置为热流密度条件；冷阱的金属丝网区域，采用了多孔介质模型，不同位置设置为不同的孔隙率及阻力系数。

3 计算结果分析

3.1 网格敏感性结果分析

图3 不同网格数下的计算结果对比Fig.3 Comparison of results in different mesh numbers

为获得真实的物理结果，需进行网格无关性验证，得到了网格独立解，不同网格数下的计算结果对比如图3所示。

从图3可看出，当网格数达到600万以上时，丝网区上部及下部温度、冷阱出口温度均随网格数的增加而不再变化，因此认为网格数为810万时已达到网格独立解，计算结果采用网格数为810万的结果是满足要求的。

3.2 改进后的冷阱与现有冷阱计算结果对比分析

根据CEFR冷阱的运行寿命及现有冷阱的结构可判断出CEFR现有冷阱使用寿命较低，更换较频繁的原因主要有两方面：结构设计上未考虑分区域布置不同密度的金属丝网；水力学设计上未考虑最佳的流动净化路径。本文以上述两方面的原因为出发点，将冷阱的结构进行了一定的改进，改进方案为将丝网区分成上、中、下3层，并分别填充不同密度的金属丝网，且将上层丝网区内筒体封闭部分孔，同时将丝网区顶部支撑板进行开孔，使改进后的冷阱符合结构设计要求与水力学设计要求。改进后的冷阱与现有冷阱的计算结果对比如图4、5所示。

图4 对称面的温度分布对比Fig.4 Comparison of temperature distributions for symmetry plane

图5 丝网区的温度分布对比Fig.5 Comparison of temperature distributions for wire mesh area

由图4、5可知，改进后冷阱丝网区顶部温度与底部温度分别为416.90 K和384.60 K，较现有冷阱丝网区顶部温度和底部温度低约20 ℃，且改进后冷阱入口到冷阱底部的温度梯度较现有冷阱的略有提高，温度梯度提高约19 ℃，说明改进后冷阱的驱动力更大；同时改进后的冷阱丝网区的温度分层更明显，整个温度分层的趋势代表杂质沉积的模式，为从底部丝网区向上逐渐捕集的过程，此沉积模式在水力学设计上更利于金属丝网的充分利用和杂质的充分捕集。

图6为丝网区的速度分布对比。由图6可知，现有冷阱中钠在丝网区的流动为横向流动，且横向流速较高，不利于杂质的捕集，且易阻塞丝网内外筒孔；改进后的冷阱中钠在丝网区的流动大部分为轴向流动，不易造成丝网内外筒孔堵塞，且流动的趋势与温度分布云图的趋势一致，符合杂质由底部丝网区向上逐渐捕集的沉积模式，轴向流动份额的增加有利于丝网对杂质的充分捕集，满足水力学设计的要求，达到了结构设计的目的。

沿丝网高度方向上的轴向流速与横向流速比值的对比示于图7。由图7可看出，在丝网高度方向上，改进后的冷阱较CEFR现有冷阱轴向流动的份额提高了约50.06%，可预测该改进方案下，冷阱丝网区更不易堵塞，丝网的捕集能力增加，且在冷阱寿期末，轴向流动可使冷阱的寿命得到提高。

图7 沿丝网高度方向上的轴向流速与横向流速比值的对比Fig.7 Comparison of ratios of axial velocity and transverse velocity along wire mesh height direction

4 结论

本文对CEFR的冷阱进行了结构改进，并采用ANSYS FLUENT对现有冷阱和改进后的冷阱进行了热工水力对比分析，得到以下结论。

1) 轴向流动份额的增加有利于防止丝网区因横向流动造成的丝网外侧流道堵塞，使得含有杂质的钠流体经过丝网的路径变长，更利于钠的净化和杂质的捕集。

2) 改进后冷阱入口到冷阱底部的温度梯度较现有冷阱提高了约19 ℃，且丝网区温度较现有冷阱降低约20 ℃，说明此改进方案下冷阱的驱动力更大，且丝网区温度降低有利于杂质的析出和充分捕集，提高了丝网的使用效率。

3) 改进后的冷阱轴向流动的份额较现有冷阱提高约50.06%，说明此改进方案下，冷阱丝网区更不易堵塞，杂质的沉积模式更符合水力学设计的要求，丝网的捕集能力增加，冷阱的寿命将得到提高。

目前，结构改进了的冷阱已加工完成并已到达快堆，后续会将改进后的冷阱放置于CEFR中运行，从而进一步对比分析结构改进后冷阱的使用寿命及杂质的捕集效果。