非能动安全壳空气冷却系统换热影响因素研究

孙超杰，刘长亮，朱京梅，刘嘉维

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

小型堆因其高度的安全性、良好的经济性、功率规模的灵活性和特殊厂址的适应性，受到了国际社会的广泛关注，我国也开展了小型堆的设计和研发，并取得了丰硕的成果［1］。

我国小型堆主要技术特点包括：一体化反应堆、高效直流蒸发器及专设安全系统能动+非能动设计等，采用双层安全壳结构，内设钢制安全壳，外置混凝土安全壳。安全壳作为放射性物质释放的最后一道屏障，保证其完整性尤为重要。小型堆安全壳冷却采用非能动设计理念，为了开展系统方案设计，进行了大量的调研［2］和分析。目前，安全壳非能动冷却的主要介质为水，辅助介质为空气，对于钢制安全壳，其冷却方案包括高位水箱的外部喷淋［3］、环绕水池冷却方案、地面水箱喷淋冷却［4］等；对于混凝土安全壳，其冷却方案包括干湿井-抑压池设计、外部冷凝式喷淋、闭式虹吸等。目前，工程应用中的安全壳非能动冷却手段使用的介质依然主要是水，而对于以空气冷却为主的方案，曾有学者对其进行了研究，提出了基于内置钢壳的空冷方案［5］，但只处于科研阶段，并未应用于实际工程。经过前期的设计和计算，小型堆由于反应堆额定功率小、钢壳自身换热特性好、钢壳内自由容积大等优势，其安全壳可以依靠非能动空气自然循环进行冷却以保证安全壳的完整性。

对于非能动安全壳冷却系统，国内学者大多针对水冷加空气辅助冷却的设计开展计算和研究［6-7］，专门针对空气冷却的设计研究偏少，因此开展小型堆安全壳非能动空气冷却的研究具有重要意义。本文针对小型堆安全壳采用非能动空气导流板的系统设计方案，通过三维建模，计算和分析入口倾角、入口面积、空气导流板距钢壳间距、扩散区域高度对系统换热特性的影响，以指导空冷系统设计优化。

1 系统及模型描述

小型堆非能动安全壳空气冷却系统利用钢制安全壳壳体作为一个传热表面，钢制安全壳内表面受蒸汽冷凝、蒸汽及壳内大气的对流及辐射等影响而被加热，然后通过导热将热量传递至钢壳体，受热的钢壳外表面通过辐射将热量传递给混凝土壳及空气导流板，而自然循环的冷空气流经两侧表面时以对流及热传导的方式将热量带走。来自环境的冷空气通过空气入口进入，沿空气导流板经过底部导流筒后，流经钢壳外表面，沿钢壳外壁上升，最终通过一个高位排气口返回环境。

空气入口设置在混凝土安全壳上方肩部位置，采用双层等间距环向均匀布置，为了防止飞机撞击后燃油等异物进入壳内，每个空气入口开孔都应采取倾斜向上的方式。钢壳与混凝土壳之间间距为1.3 m，其间设置空气导流板，以构建流经钢壳外表面的空气流道，导流板由一系列面板及底部导流筒组成，沿钢壳周向布置，通过钢壳表面的U型支撑进行固定。空气出口设置在混凝土壳顶部，其设计主要考虑防飞机撞击、雨雪等异物进入。系统设计方案如图1所示，图中箭头表示空气的流动路径。

图1 系统设计方案简图Fig.1 System design scheme sketch

本文采用Flow Simulation软件进行三维建模，物理模型主要由钢制安全壳和混凝土安全壳构成，包括空气入口、空气流道和空气出口三部分，如图2所示。为了便于计算和保守分析，对物理模型、边界条件和初始条件进行了合理假设。对于辐射换热，由于其定量计算存在较大的不确定性，因此从保守角度考虑可以忽略辐射换热。钢壳表面存在机械贯穿件，但为了便于计算且相对于钢壳外表面积很小，因此也可以忽略不计。钢壳外壁面依据保守的质能释放源项和堆芯衰变热源项设置为恒温壁面，除此之外其余壁面均采用绝热真实壁面，所有壁面粗糙度依据工程设计保守选取为30μm，外部环境温度保守选取45℃，计算采用k-ε湍流模型。以某一算例为对象研究了小堆钢壳尺度下的网格无关性，不同网格级别下的计算结果相对误差较小，表明该软件五级精度下的网格已具备无关性，并具有自适应性，如图2所示。

图2 三维模型（左）和网格示意图（右）Fig.2 3D model（left）and grid schematic（right）

2 计算与分析

为了对系统设计进行深入的研究和优化，需要从影响系统换热的主要因素入手，主要包括入口倾角、入口面积、空气导流板距钢壳间距和扩散区域高度，分析其影响系统换热的机理，以提供系统设计优化的理论支撑。本文从工程设计角度考虑各影响参数值的选取，对于入口倾角，为防止飞机撞击后燃油灌入等，应选择45°及以上，而考虑结构强度和现场施工，又不宜超过55°，故选取了45°和52°；对于入口面积，其受结构强度制约大，对于小型堆而言，一般不超过30 m2，因此选取了10 m2、20 m2和25 m2；对于导流板距钢壳间距，该因素对系统换热影响至关重要，因此依据两壳间距（1.3 m）从230 mm到530 mm选取了10组参数；对于扩散区域高度，主要受空气入口结构型式、结构强度及检修等制约，此处选取4 m、7 m和10 m。影响参数选取值如表1所示，利用Flow Simulation软件通过三维模型获得各种工况下的换热功率、温度分布及速度分布，采用单一变量原则对各种工况下的换热特性进行分析和研究。

表1 数值计算案例Table 1 Numerical calculation case

2.1 入口倾角

空气入口的设计与布置应充分考虑使周边环境对空气自然循环的影响降到最低，并应考虑外部的极端天气条件。为了最大程度降低环境风对空气自然循环的影响，空气入口采用双层等间隔均匀多个开孔的方式。

为了保证结构强度和防止飞机撞击后燃油灌入等因素，入口倾角宜取45°及以上。计算结果表明倾角为45°时的系统换热功率比52°时大3%，45°和52°倾角下的流量分别为41.6 kg·s-1和40.4 kg·s-1。入口流速矢量图如图3所示，从图中可以发现倾角偏大时，入口处流动损失较大，流速偏小，从而使得冷却空气的流量偏小，最终导致系统换热量减小，因此入口倾角宜选取45°。

图3 45°（左）和52°（右）倾角下入口处的流速矢量图Fig.3 Flow velocity vector diagram at the entrance for 45°（left）and 52°（right）

2.2 入口面积

计算结果如表2所示，得出20 m2时换热功率比10 m2时大35%，而25 m2时换热功率与20 m2时相差不到2%，这说明换热功率随入口面积增大而增大，当达到一定值后，换热功率受其影响很小。这是由于入口面积偏小时，冷却空气质量流量偏小，带热量偏小；随着入口面积增大，质量流量增大，总体带热量增大，但是当其达到一定值后，质量流量受对流换热、流动损失等综合耦合因素影响而趋于稳定，使得系统整体换热量趋于稳定，因此换热功率也趋于稳定。

表2 不同入口面积下的换热功率Table 2 Heat transfer power under different inlet area

2.3 导流板距钢壳间距

导流板布置在钢壳与混凝土壳之间（间距1.3 m），与钢壳的距离应合适，过小既严重增大流动阻力又因钢壳或导流板变形而可能导致流道堵塞；过大导致对流换热效果差且增加支撑难度，因此适宜选取的间距范围为230-530 mm。由图4可知，系统换热功率随导流板距钢壳间距增大先增大而后又减小，导流板与钢壳间距存在一个最佳距离，此时系统换热功率达到最大。本文计算结果显示，该值在405 mm附近。

图4 不同间距下的换热功率曲线Fig.4 Heat transfer power curve under different spacing

为分析不同间距下的换热特性，对比和分析了不同工况下的质量流量和出口温度变化，如图5所示。可知，当间距过小时，质量流量受到严重影响，尽管此时出口温度较高，但是系统整体换热功率较低；随着间距的增大，质量流量先增大后减小，而出口温度增加趋势并不明显。这是由于系统换热受到各种因素的影响，这些因素之间存在复杂的耦合和相互作用。随着间距增大，流道流动阻力减小，质量流量增大；但当间距增大到一定值后，虽然流动阻力小，但此时对流换热效果差，使得自然循环驱动力减小，从而导致质量流量减小。同时说明不同间距工况下，质量流量的作用对系统整体换热的影响占主导地位，使得换热功率先增大而后又减小，因此存在着一个最佳间距使得此时换热功率达到最大。

图5 不同间距下的质量流量和出口温度曲线Fig.5 Mass flow and outlet temperature curves under different spacing

2.4 扩散区域高度

扩散区域高度是指钢壳顶部与混凝土壳顶部出口下端之间的距离，本文计算分析了4 m、7 m和10 m对系统换热的影响。计算结果如图6所示，从中发现随着扩散区域高度逐渐减小，系统换热功率逐渐增大，这是由于扩散区域高度增大时，冷却空气流经钢壳顶部空间区域时，对流换热作用减弱，尽管此时空气循环驱动力增强，但该增强作用比对流换热的减弱作用小，从而导致对流换热量减小，因此减小扩散区域高度有助于系统换热。

图6 不同扩散区域高度下的换热功率曲线Fig.6 Heat transfer power curve under different height of the diffusion area

3 结论

对于采用钢制安全壳和混凝土安全壳双层设计的小型堆，其非能动安全壳空气冷却系统可以使用空气导流板构建自然循环冷却通道。空气入口倾角宜选取45°；空气入口面积受结构强度影响，不宜选取过大的入口面积，选取换热功率恰好趋于稳定时的入口面积即可；导流板距钢壳的间距存在一个最佳值，此时系统换热功率达到最大；系统换热功率随扩散区域高度减小而增大，在满足结构强度及检修等要求的前提下，应尽量减小扩散区域高度。