CFR600乏组件转换桶内氩气空间三维传热数值模拟

徐晓晨，胡文军，师 泰，叶尚尚，刘一哲

(中国原子能科学研究院 核工程设计研究所，北京 102413)

中国示范快堆(CFR600)燃料操作系统中，乏组件转换桶是转运过程中的重要中间枢纽，为乏组件在堆外转运过程中提供临时的储存和冷却，是实现换料操作分步、并行的关键设备。正常运行工况下，钠液冷却系统在主容器中通过强迫循环带走大部分的乏组件衰变热，液面以上填充氩气保证惰性环境。高温的钠液面以及各结构部件通过辐射的方式向顶部预埋件传递热量，同时氩气空间中还存在着自然对流换热，这对预埋件等结构部件的安全有着重要影响。装卸料通道和中间轴贯穿顶部预埋件，为保证预埋件处于温度相对较低的工作环境，在贯穿件周围设置了环状缝隙。环隙内部的氩气存在不对称的流动，会导致环隙周向结构温度分布的不对称。并且随着环隙内部Ra的增大，环隙对于预埋件温度分布不对称的影响会越来越大[1-2]。乏组件转换桶是三级核安全设备，为保证设备能在各种工况下提供相应的功能，制定了主容器的设计准则。对于钠液以上的结构主要设计准则是：预埋件下钢板最高温度不超过70 ℃。因此，对氩气空间及结构部件的温度分布进行详细研究对乏组件转换桶设计安全有重要意义。

由于乏组件转换桶结构庞大，而且涉及到的传热机理较为复杂。因此，本文采用成熟的商业计算流体力学软件STAR-CCM+作为模拟研究的工具，对乏组件转换桶钠液面以上的部分进行三维稳态热特性模拟计算，旨在通过对设定计算域中的传热和流动特性进行研究分析，以获得氩气空间及内部构件的温度分布情况。

1 乏组件转换桶结构分析

乏组件转换桶安装在转运室和清洗室之间，桶体安装在基础预埋件以下，主要结构如图1所示。桶体由主容器和保护容器两层结构组成，桶盖和桶体中均包覆着隔热保温材料，吊桶承载着转换桶所有的重量，连接在预埋件之下。乏组件转换桶外径为5.630 m，总高度为12.145 m。乏组件转换桶的总重量约为187 t。每个换料周期，从反应堆卸载至乏组件转换桶的乏组件数量最多为222根，其中燃料组件为115 根，满载时总的衰变热负荷为385 215 W。乏组件转换桶满载乏组件后，通过乏组件转换桶冷却系统保证桶内温度不超过250 ℃。

图1 CFR600乏组件转换桶结构示意图Fig.1 Schematic diagram of CFR600 spent subassembly transfer pot

乏组件转换桶中氩气空间内包含的结构部件有桶盖、吊桶、装卸料通道、初始定位器以及中间轴等。预埋件为混凝土结构，其置于吊桶上方，中间轴及6个装卸料通道贯穿布置在预埋件中，为保证密封性及良好的隔热效果，在贯穿件周围设置狭窄的环形缝隙，氩气填充在这些环形空隙中。这些环形间隙宽度在15～18 mm之间，高度约为1.5 m。氩气空间结构如图2所示。

图2 氩气空间结构示意图Fig.2 Schematic diagram of argon space structure

乏组件转换桶内氩气空间中包含复杂的传热机理：自然对流换热、固体导热以及辐射换热。自然对流换热主要是由于氩气温度分布不均匀形成密度差，在重力和浮升力的作用下而引起的对流换热[3]；固体导热是浸于钠液的构件从钠液面高温端向上导出热量；辐射换热是高温的钠液面和高温构件向温度较低的构件辐射热量[4]。

2 计算建模分析

几何建模使用3D-CAD参数化建模工具对氩气空间进行几何构造以及表面处理。考虑到空间结构的复杂性，对于几何域的离散采用非结构多面体网格。用STAR-CCM+作为计算求解器，按照此流程完成氩气空间的几何建模、网格划分和数值计算。

2.1 几何建模以及网格划分

乏组件转换桶氩气空间存在3个维度的几何不对称性，整体结构的尺寸与局部结构的尺寸相差较大，因此若采用原始结构进行网格划分，会导致网格量巨大(亿级以上)，且网格质量不易提高。因此在整体计算过程中，对结构进行几何简化，保留对计算结果影响较大的几何特征。为研究计算结果的网格无关性，选择装卸料通道环形间隙区域作为特征区域进行分析验证，对比效果如图3所示。装卸料通道附近氩气环隙区域网格如图4所示，计算结果在网格数量达到200万量级趋于稳定。在此种网格划分方式下，可保证氩气空间的复杂结构有较好的网格质量以及可靠的计算结果。基于上述网格无关性验证，最终氩气空间总体网格数量为253万。

图3 氩气环隙网格无关性验证Fig.3 Grid independence validation of argon gas annular gap

图4 装卸料通道氩气环隙网格模型及分布Fig.4 Grid model and distribution of argon gas annular gap in refueling channel

2.2 物理模型

工程领域的流动和传热过程均受3个基本的物理规律限制，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[5]。本文采用雷诺时均方程(RANS)的方法对氩气空间换热问题进行模拟分析。

质量守恒方程：

(1)

动量恒方程：

(2)

能量守恒方程：

-p·divU+div(λgradT)+Sh+φ

(3)

其中：ρ为流体密度；t为时间；u、v、w分别为流体速度矢量U在3个坐标上的分量；Su、Sv、Sw为3个动量方程的广义源项；p为流体微元压力；η为动力黏性系数；h为流体比焓；λ为流体导热系数；Sh为流体内热源；φ为耗散能。

1)湍流模型

通过初步预估发现氩气区域的特征流速约1.2 m/s，氩气空间内部流场复杂，流动换热方式为自然对流换热。通过对比发现，乏组件转换桶与钠冷快堆堆本体的氩气空间在结构和工质上存在很高的相似性[6]。因此，湍流模型参考对于CEFR氩气空间流固耦合计算的模型[7]，并考虑湍流模型的适用性，最终选定为标准k-ε模型。对于不可压流动以及没有源项时，定义k与ε的控制方程如下：

(4)

(5)

其中：Gk为湍动能k的产生项；方程中引入的各常数可根据经验选取C1ε=1.44，C2ε=1.0，σε=1.3。

2)辐射模型

乏组件转换桶内部的辐射换热包含钠液与桶盖之间、吊桶与预埋件下表面之间、桶盖与吊桶之间的辐射换热。氩气空间内为封闭腔室中的辐射，工程计算中一般将氩气视为非参与介质，认为它不会吸收、发射或散射辐射[8]。因此，本文将氩气空间的辐射视为灰体辐射，辐射模型设置为STAR-CCM+中的表面至表面(S2S)模型，仅考虑设备结构表面之间的辐射换热[9]。

2.3 物性参数及边界条件

1)物性参数

氩气空间计算域中包含多种结构构件，涉及多种材料介质，如304不锈钢、混凝土、保温材料以及氩气。计算过程中各材料的温度分布范围较大，其物性参数随温度的变化对计算影响较大，各材料物性参数列于表1，考虑各材料物性参数随温度的变化，采用与温度相关的多项关系式设置物性参数，并在求解过程中进行实时更新。材料的发射率参考乏组件转换桶设计时的参数设置，并且材料的发射率等于吸收率。

表1 材料物性参数Table 1 Material property parameter

2)边界条件

乏组件转换桶中氩气空间位于钠液面以上，周围是吊桶构件和预埋件。桶体外部环境为转换桶工艺间和反应堆大厅，环境中的空气与其表面进行对流和辐射换热，设置为对流边界条件，采用复合对流换热系数简化边界的换热问题，环境温度为40 ℃。目前壁面条件按导热的性质主要分为绝热边界条件、对流边界条件、共轭传热边界条件及导热壁面边界条件。预埋件竖直壁面外侧为与其相同的混凝土材料，对该壁面采用绝热边界条件处理；流体与固体的接触面采用共轭传热边界条件[10]；对于简化为无厚度面的部件，采用设置热阻的方式进行等效[11]，热阻由部件厚度除以该材料的导热系数得到，对应热阻的边界及其热阻列于表2。由于氩气区域开启了辐射模型，对于与氩气接触的壁面，均与氩气进行辐射换热。详细边界条件列于表3。

表2 边界及热阻Table 2 Boundary and thermal resistance

表3 氩气空间计算边界条件Table 3 Boundary condition for calculation of argon space

3)发射率敏感性分析

乏组件转换桶中的氩气空间可分为两个主要区域，一是吊桶内部的氩气区域，二是主容器及装卸料通道内的氩气区域。其中主容器中的氩气与钠液面有接触。以往学者对于钠液面发射率和钢表面发射率的研究发现，发射率对表面条件和环境温度有着强烈的依赖性[12]。因此本文对钠液面发射率和钢表面发射率进行敏感性分析，研究这两个参数对钠液面热量传递和预埋件最高温度的影响，最终选定两个关键参数的模型设定值。

Furukawa等[13]对沾污钠液的M316样品进行了发射率测试。在200～800 ℃的温度范围内进行发射率测量，约为0.10～0.55。由于钠气溶胶的存在，采用实验测量的钠液面发射率总是存在一定的误差。Minges等[14]采用NACOWA测试台架对钠液的发射率进行了测量。实验中考虑到了覆盖气体中的钠蒸气和钠气溶胶的影响，通过加装氩气净化装置去除气溶胶。在标准测试条件下，钠的发射率在300 ℃左右为0.03。通过综合对比，Minges给出了建议选取的发射率：钠液面为0.03～0.05，被钠液沾污的侧壁为0.14，未被钠液沾污钢表面为0.4。

敏感性分析主要基于正常工况下的模型进行边界条件修改。对于钠液面的发射率选取0.02、0.03、0.04、0.05四个特征点进行模拟计算，对于钢结构的发射率选取0.2、0.3、0.4、0.5四个特征点进行模拟计算分析。图5为钠液面辐射传热量随两种发射率的变化。可发现，辐射传热量受钠液面的发射率影响更大。图6中可发现钠液面发射率和钢表面发射率的变化对于预埋件最高温度影响均不是很大。上述实验中是对于纯净钠液面发射率的建议，在正常运行中与钠液接触的氩气空间中会形成钠气溶胶，对辐射传热量会有一定的减损。并且钠液面的发射率随钠液温度的升高有增大的趋势。最终考虑计算的保守性，选择钠液面发射率为0.03，钢表面的发射率为0.2作为正常工况的边界条件；选择钠液面发射率为0.05，钢表面的发射率为0.2作为事故工况的边界条件。

图5 辐射传热量随表面发射率的变化Fig.5 Radiation heat transfer vs.surface emissivity

图6 预埋件最高温度随表面发射率的变化Fig.6 Maximum temperature of embedded part vs.surface emissivity

3 计算结果分析

3.1 不同工况模拟结果

预埋件作为整个乏组件转换桶的承压结构以及密封部件，需保持其结构的完整性。因此在设计上对预埋件的最高温度提出了要求，在长期运行过程中预埋件温度不超过70 ℃。计算中通过改变边界条件来区分正常工况和事故工况，通过初步预估将正常工况下钠液面温度取为250 ℃，事故工况下钠液面温度取为450 ℃。

正常工况和事故工况下的温度场和速度场分布如图7、8所示。预埋件靠近装卸料通道和中间轴位置的温度相对较高，由于主容器内的氩气区域宽高比较大，流速较高，因此温度基本均匀。吊桶内的氩气空间属于有内热源的封闭空间，在靠近热源体(桶盖、装卸料通道和中间轴)的位置温度相对较高。由于热源体的不对称布置，在距离热源体较远的另一侧氩气温度较低。

图7 正常工况下X=0截面位置温度场和速度场分布Fig.7 Distributions of temperature field and velocity field at X=0 section under normal condition

图8 事故工况下X=0截面位置温度场和速度场分布Fig.8 Distributions of temperature field and velocity field at X=0 section under accident condition

乏组件转换桶内的两个氩气区域均为封闭空间下的自然对流，两个区域由于几何尺寸和内热源分布的差别，在自然对流特征上存在着明显的差别。主容器内的氩气区域由于厚度以及上下两个壁面的温差较小，氩气对流行程较短，会形成多个小尺寸的涡。而吊桶内的氩气区域多为依附于冷热壁面流动形成的大的对流环。但由于吊桶内装卸料通道的不对称布置，流场会整体偏向于高温结构部件一侧，这种流动上的不对称也会加剧周围结构周向温度分布的不均匀。

3.2 环隙的影响

在设计上为了减少乏组件转换桶内热构件向预埋件传递热量，在热构件与预埋件接触的部位设置了环隙，环隙中充满氩气并且下部与吊桶内的氩气空间相连接。增加环隙后会减少热构件(装卸料通道、中间轴)向预埋件传递的热量，从而可对预埋件起到有效的隔热作用。但根据以往学者的研究[15]发现环隙内填充氩气后，当氩气空间内的温度较高时，环隙中会产生胞状对流，即氩气自环形窄缝一侧流入窄缝内部，在流动过程中不断向壁面放热，氩气温度降低，密度增大，最终从窄缝下端的另一侧流出。这种不对称的流动会使环隙周向产生温差，从而影响结构的稳定性。并且随着吊桶内氩气温度的升高，环隙中的自然对流会愈加强烈，周向温差也会逐渐的变大。正常工况下，环隙中的周向温差约为2 ℃。事故工况下，环隙中的周向温差可达到6 ℃左右。图9和图10分别为正常工况下和事故工况下氩气环隙内温度场及周向温度分布。

图9 正常工况下氩气环隙温度场及周向温度分布Fig.9 Temperature field and circumferential temperature distributions of argon gas annular gap under normal condition

图10 事故工况下氩气环隙温度场及周向温度分布Fig.10 Temperature field and circumferential temperature distributions of argon gas annular gap under accident condition

4 结论

采用CFD方法对CFR600乏组件转换桶内氩气空间和相关部件建立模型，分析计算正常工况和事故工况下乏组件转换桶内的流动传热特性。初步计算结果显示，正常工况下考虑足够的热工计算余量，预埋件下钢板温度峰值满足设计要求。乏组件转换桶内的辐射换热量受钠液面发射率影响相比不锈钢结构表面发射率影响更大。吊桶内氩气的不对称流动会导致周围结构周向温度的不均匀现象。对预埋件中的环隙进一步研究发现，由于不对称的流动导致环隙中周向产生温差，并且可预见地随着事故后果的严重，预埋件装卸料通道周围的温差会逐步加剧。