海洋工况下海洋小堆热工水力特性分析

杨爱民，宋厚德，刘晓晶

海洋工况下海洋小堆热工水力特性分析

杨爱民，宋厚德，刘晓晶

（上海交通大学核科学与工程学院，上海 200240）

海洋的开发，对核能有很大的需求空间。相较于陆基堆，海洋小堆在堆形的结构设计、设备及系统布置等，有着不同的特征。为适应船舶舱室与海洋环境，本文参照某型模块化小堆的主要设备结构和系统布置，得到一种改进后的海洋一体化小堆设计方案和设计参数。使用添加了海洋工况计算模块的RELAP5软件，对其中一个设计方案，引入海洋工况；通过和船舶设计单位的深度合作，得知其在产品生产设计中重点关注的摇摆及倾斜工况：一般设计角度：22.5°以及极限设计角度：45°等。在强迫循环及RELAP5稳态卡中暂未加入控制模块的情形下，根据模拟结果，观察和分析关键热工水力参数的运行特性。

海洋小堆；海洋工况；RELAP5；热工水力

针对海上航行或是锚地锚泊的船舶，考虑的海洋环境因素主要有风、浪、流以及潮汐等。受到上述海洋工况及船体机动等的影响，装载于船舶之上的反应堆及其系统会产生不同程度的起伏、摇摆和倾斜。进而改变：反应堆的几何姿态、容器水位和冷热源间有效高度差，同时也会引入附加的加速度等。给反应堆的运行安全带来不可忽视的影响，也使得船用反应堆必须满足一些不同于陆上核电厂的特殊要求，即：船用反应堆必须具备一定的摇摆、冲击和振动条件下稳定可靠运行的能力[1-3]。

本文参考某型一体化小堆的设备结构和系统布置，设计出全新的几何尺寸，得到更适于狭窄舱室环境的改进型海洋小堆概念设计。以此作为模型基础，对海洋小堆进行RELAP5建模，调节参量，得到稳态运行参数。随后，引入海洋工况，计算和分析在海洋工况下海洋小堆的热工水力特性变化。

1　海洋小堆初步设计

1.1　典型模块一体化小堆介绍

某型一体模块化设计的反应堆，如图1所示，其整体结构由反应堆压力容器、直流蒸汽发生器、屏蔽泵、反应堆堆内构件和一体化堆顶结构等组成。直流蒸汽发生器位于反应堆蒸汽发生器内部，屏蔽泵通过短管嘴直接连接到反应堆压力容器。表1为其主要的设计参数[4-6]。

图1　某型一体化小堆整体结构图

表1　某型一体化小堆的主要设计参数

1.2　初步设计方案

本文以某型一体化堆形的成熟设计为参考，按照其主要结构和系统布置原理，初步设计出了海洋一体模块化小堆概念图，如图2所示，在图中沿轴向标注的A、B和C区域，将反应堆压力容器分为主要的三个部分。区域A为上腔室，即压力调节腔室，顶部有汽空间存在；区域B为压力容器的中间部分，安装着各类的设备和堆内构件，有：直流式蒸汽发生器、二回路主给水入口及主蒸汽出口、主泵出入口、控制棒导向管/筒、支撑结构和其他堆内构件等。区域C为堆芯所在区域，布置有燃料组件及其他构件，下部支撑结构用以支撑堆芯和上部结构。沿径向压力容器主要被分为两部分，吊篮内的区域和吊篮与压力容器之间的区域。16个直流式蒸汽发生器和4个屏蔽主泵的接口就布置在B区域中内胆和压力容器之间的区域。表2为其主要的设计参数。

图2　海洋一体模块化小堆概念设计图

表2　海洋小堆主要设计参数

有关一回路冷却剂循环回路，首先，冷却剂由堆芯底部进入堆芯，经堆芯及内部构件，沿着吊篮内部，一直向上流动，冷却剂到达吊篮顶部，也就是区域B的上部之后；冷却剂分为两部分，其中一部分沿着吊篮和压力容器之间的区域向下流动；另一部分，则进入直流式蒸汽发生器的一次侧入口，流经蒸汽发生器传热管，到达蒸发器的一次侧出口，即区域B下部以及吊篮和压力容器之间的区域，在这里两部分冷却剂混合后，将由四台主泵通过中间隔板，输送到下方C区域。冷却剂通过吊篮和压力容器之间的下降通道，到达堆芯底部，再通过支撑板向上进入堆芯，完成冷却剂的一次循环。

2　主冷却剂系统节点图建模与稳态运行

2.1　主冷却剂系统节点图的建立

采用程序RELAP5对主冷却剂系统进行节点化建模[7]。主要的设备结构和系统包括：堆芯，吊篮内部，下降段，上腔室、下腔室，直流式蒸汽发生器，给水管，蒸汽管，主泵，稳压器等。系统节点的划分，如图3所示。其中图3为RELAP5程序展示的三维节点图，图4为主冷却剂系统节点图。由于本论文侧重研究海洋工况对热工水力运行参数的影响，不考虑参数的空间分布情况，只需关注堆芯的平均特性，因此堆芯采用平均通道（100）建模方法，暂不考虑堆芯旁流，沿轴向划分为10个控制体，堆芯热构件也划分了10个网格，和水力控制体相对应。直流式蒸汽发生器传热管沿轴向划分了10个节点，其中传热管内侧为蒸汽发生器的一次侧（601）；并认为蒸汽发生器壳内侧二回路（501）和壳外侧一回路（301、112）存在换热。

图3　RELAP5 3D-GUI节点图

图4　海洋小堆主冷却剂系统计算RELAP5节点图

2.2　满功率稳态运行

查阅国际标准水蒸气表可知，在压力为15.0 MPa，堆芯进出口温度分别是286.5 ℃和319.5 ℃下，对应的水的焓值分别为：1 266.4 kg/s和1 450.9 kg/s。根据此前设计的反应堆热功率为300 MW，由下式可推出堆芯的流量为：

如表3所示，为堆芯主要设计参数和RELAP5软件模拟结果比较；图5为RELAP5堆芯流量和堆芯进、出口温度模拟结果。

表3　堆芯主要参数设计值和模拟值对比

图5　RELAP 5稳态运行结果图

3　海洋工况的引入及热工水力关键参数选取

3.1　摇摆、倾斜角度和周期的选取

衡量船舶承受海洋工况限度的指标主要有加速度、纵倾与横倾角度、纵摇和横摇角度等。这些安全指标在各国造船规范中均有明确要求，对于核动力装置而言，不同设备的要求也各不相同[2]。通过和船舶设计建造单位研究人员的合作，得知其在工程实际生产设计中主要考虑的角度有两个，即通用角度22.5°和极限角度45°，有关核动力装置在海洋工况下的规定和标准总结如表4，表5和表6所示。

表4　俄罗斯船级社[8]

表5　国家相关标准[9]

表6　船舶建造和设计单位

综合考量，本文选取的角度和摇摆周期为：摇摆角度22.5°/30°/45°；摇摆周期：3 s/8 s/14 s。静倾角度：22.5°和45°。

3.2　摇摆轴和倾斜轴的选取

海洋环境下船舶受到的作用力通常来自6个自由度方向，这些作用力如图6所示。这些运动主要有：沿轴的摇摆和倾斜，沿轴的摇摆和倾斜以及沿轴方向的平动/起伏。

图6　船舶在海洋工况下的6自由度运动示意图

与船舶不同的是，海洋小堆采用一体模块化设计，反应堆压力容器和堆内构件具有对称结构。因而，本文选取轴，作为摇摆和倾斜轴，进行摇摆和倾斜相关的研究。小堆主要设备及系统的俯视图与坐标轴的位置关系如图7所示。

图7　主系统设备与坐标轴关系俯视图

3.3　海洋工况的分类

综上所述，将海洋工况分为12组进行研究。选择的热工水力参数包括堆芯流量、包壳表面温度；直流式蒸汽发生器换热管表面温度、流量等。详细的工况分类如表7所示。

表7　海洋工况分类和热工水力参数选取

3.4　RELAP5程序中海洋工况计算模块的引入

如图5所示，将复杂的海洋运动划分为六自由度运动，运动形式有摇摆、倾斜和起伏等。关于RELAP5程序中引入海洋工况的二次改造研究，在文献［3，10，11］中有详细表述，本文只做简单描述。

在RELAP5中引入海洋工况计算模块主要为以下三种工况。首先，起伏工况，没有改变系统的几何姿态，是在轴方向做平动，对重力加速度产生影响，只引入了重力方向的附加力。其次，倾斜工况，改变了系统几何姿态，引起高度变化，系统改造的重点是在倾斜后系统水力学控制体竖直方向的高度变化，引入坐标变换，计算新的坐标，同时，通过系统外部接口，旋转轴和倾斜角由用户给定。最后，摇摆工况，对高度、切向力、法向力和科氏力都产生了影响，不仅改变了几何坐标还引入了附加作用力；为模拟实际运行情况，需建立起围绕摇摆轴的惯性加速度模型，旋转轴、摇摆的振幅和周期需要用户给定。

海洋工况下RELAP5程序的二次改造非本文研究重点，本文是直接使用引入海洋工况计算模块的RELAP5程序。

4　模拟结果

目前，针对海洋工况下反应堆热工水力的研究大都集中在自然循环方向。对于强迫循环的研究，一般认为，海洋工况（倾斜、起伏和摇摆等）对反应堆冷却剂流量影响很小，基本不影响堆芯输出功率[11-13]。本文在强迫循环和稳态卡中不加入控制模块这两个条件下，对上述表7中的内容进行研究，具体如下。

4.1　燃料元件中心/包壳表面温度变化

在RELAP5热构件建模中，将燃料元件沿轴向自下而上平均分为10份。图8中给出了摇摆工况、倾斜工况和正常工况下燃料元件中节点1温度随时间变化的分布图。可以看出，海洋工况对燃料元件中心温度的影响是十分有限的，随着时间的变化，并没有出现温度波动或者大范围阶跃变化。摇摆工况下，燃料元件中心温度要比倾斜和正常工况的温度稍高一些，倾斜工况和正常工况近乎重合。

图8　不同工况下燃料元件中心温度分布（节点1）

燃料元件中心温度沿轴向节点的分布，如图9所示。可以看出：各个工况下的燃料元件中心温度都有着相似的分布曲线，并没有出现某一工况下某一节点温度变化过于剧烈的情况；不论是摇摆或倾斜工况，其温度值与正常工况相比，差值很小，温度值都在正常涉及范围内，且燃料元件下部的温度变化是高于顶部的。可以认为强迫循环下，海洋工况并没有过多的影响到燃料元件中心温度的值。

图9　燃料元件中心温度沿轴向节点分布

和上述燃料元件中心温度的研究类似，图10给出了，摇摆工况、倾斜工况和正常工况下包壳表面节点1温度随时间变化的分布图。包壳表面温度的变化呈现和燃料元件中心温度变化类似的情况。

图10　不同工况下包壳表面温度分布（节点1）

不同工况下，包壳表面温度沿轴向分布如图11所示。可知，摇摆或静倾工况下，包壳表面温度并未发生大的变化，与正常工况下的包壳表面温度相比，有着同样的变化趋势。在强迫循环条件下，包壳表面温度受海洋工况的影响极小。

图11　包壳表面温度沿轴向节点分布图

4.2　堆芯流量变化

图1.2（a），摇摆工况（幅值30°，周期8 s）对堆芯流量的影响要小于对蒸汽发生器支路流量的影响，且对于两个对称支路的流量波动和附加加速度之间存在相位差。如图12（d）所示，在长期静倾工况（幅值22.5°与45°）下，对堆芯流量的影响极小，可认为几乎没有影响。

摇摆角度（30°）相同，不同周期（3 s、8 s、14 s）时堆芯流量的变化，如图1.2（b）所示。随着摇摆周期的增大，摇摆对堆芯流量波动的影响逐渐减小，摇摆周期越小，流量整体值越小。

摇摆周期（8 s）相同，摇摆幅值（22.5°、30°、45°）不同时堆芯流量的变化，如图1.2（c）所示。随着摇摆角度的增大，摇摆对堆芯流量波动的影响逐渐增大，摇摆角度越大，流量整体值越小。

4.3　直流式蒸汽发生器传热管表面温度变化

本文海洋小堆的设计方案，是将16个直流式蒸汽发生器对称均匀地布置在压力容器和吊兰之间的区域，摇摆和倾斜轴选取的是轴。

1号和9号直流式蒸汽发生器是布置在距离摇摆轴最远的位置上，5号直流式蒸汽发生器，则是摇摆轴刚好位于其中心线上。基于此，选择了1号、5号和9号直流式蒸汽发生器作为研究对象。分析在工况7、11和12条件下，直流式蒸汽发生器传热管在出、入口节点的表面温度及流量分布情况，模拟结果如图13所示。倾斜工况（工况11）下，传热管表面进出口处的温度和流量都与正常工况（工况12）的数值基本一致，变化极小。

图12　海洋工况下堆芯流量计算结果

图13　直流式蒸汽发生器传热管表面温度和流量分布图

图13　直流式蒸汽发生器传热管表面温度和流量分布图（续）

摇摆工况（工况7）下，传热管壁面温度，以及蒸汽发生器一回路流量都产生了波动，且与蒸发器的布置位置存在着联系。1号和9号蒸汽发生器关于摇摆轴对称布置，且距离最远。使得两者在温度和流量等的变化上呈现出了相似性。对比传热管出、入口的温度，出口的温度波动变化超过入口的温度波动变化。

比较1号和5号蒸汽发生器传热管出口温度，1号蒸汽发生器远离摇摆轴，温度整体值较小，但波动幅值更大。对于蒸汽发生器一回路流量，5号蒸汽发生器靠近摇摆轴，波动幅值较小。

5　结论

本文使用三维建模软件UG和热工水力分析程序RELAP5，概念设计出了一种海洋一体化小堆设计方案，对其建立了全尺寸三维模型。调研和总结了海洋工况，并用添加海洋工况计算模块的RELAP5程序，模拟和分析了在海洋工况下关键热工水力参数的变化情况，得出结论：

（1）在强迫循环，稳态卡未添加控制模块条件下，海洋工况下对堆芯流量和燃料元件中心温度，包壳表面温度，传热管表面温度等关键热工水力参数的影响较小，波动影响并未超出限值。

（2）摇摆角度相同，随着摇摆周期的增大，摇摆对堆芯流量波动的影响逐渐减小，摇摆周期越小，流量整体值越小。

（3）摇摆周期相同，随着摇摆角度的增大，摇摆对堆芯流量波动的影响逐渐增大，摇摆角度越大，流量整体值越小。

（4）摇摆工况下，对蒸汽发生器一次侧流量产生影响较小，且与蒸汽发生器的布置位置相关。

［1］ 吴家鸣．船舶与海洋工程导论［M］．广州：华南理工大学出版社，2013.

［2］ 彭敏俊．船舶核动力装置［M］．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.

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Analysis of Thermal and Hydraulic Characteristics of a Small Marine Reactor under Ocean Conditions

YANG Aimin，SONG Houde，LIU Xiaojing

（School of Nuclear Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The development of the ocean has a great demand for the application of nuclear energy. The structure design，equipment and system layout of the small marine reactor are different from those of the land-based reactor. In order to adapt to the ship cabin and marine environment，this paper takes the main equipment structure and system of a modular small reactor as a reference，to obtain an improved design scheme and design parameters of the marine integrated small reactor.Using the software RELAP5，which is modified by adding the calculation module of the ocean condition，to introduce the ocean condition into one of the design schemes.And through deep cooperation with the ship designer，we can get the swing and incline conditions that the ship designer focuses on in the production design，the general design angle：22.5° and the ultimate design angle：45°. Under the condition that the control module is not added to the forced circulation and the steady state，the operation characteristics of the key thermal and hydraulic parameters are observed and analyzed according to the simulation results.

Marine small reactor；Ocean conditions；RELAP5；Thermal hydraulics

TL333

A

0258-0918（2022）01-0034-11

2020-04-09

杨爱民（1992—），男，甘肃天水人，硕士研究生，现主要从事核能与核技术工程方面研究