反应堆下腔室结构设计范文

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《核动力工程杂志》2014年第三期

1结构分析

为了提高反应堆的固有安全性，AP1000和EPR在设计考虑时都将堆芯中子通量测量系统由原来的反应堆压力容器下封头引出改为从反应堆压力容器顶盖处引出。AP1000在此基础上对下腔室结构进行了简化（图2），但是仍然保留了二次支承结构，同时为了改善下腔室流场，增设了涡流抑制板组件，对进入下腔室的冷却剂进行初次的流量分配。EPR对下腔室的改进更为彻底（图3）：取消了二次支承结构，增设了流量分配装置，对进入堆芯的冷却剂流量进行初次分配；在压力容器上设计了8处径向支承键，使其具备二次支承功能。显然，AP1000的下腔室结构并不是一个最优化的结构，仍带着大量的第二代反应堆下腔室结构的痕迹，二次支承结构的现场安装还是比较困难。EPR的设计理念比较先进，取消二次支承结构，由径向支承键兼有二次支承作用，尽量减少了下腔室结构的零部件数量，在一定程度上提高了反应堆结构的稳定性和可靠性，但是还有进一步提高的空间。

2结构模型

2.1结构优化方向对比M310、AP1000和EPR分析可以发现，下腔室结构优化的方向至少可以从以下几个方面考虑：①在现有的基础上提高下腔室的固有安全性；②尽量减少下腔室零部件的种类和数量；③提高下腔室结构的可靠性和稳定性；④下腔室结构应满足热工水力的要求；⑤设计的结构简单，具有良好的可加工性。基于上述考虑，构建最基础的原型反应堆下腔室结构（图4），在不显著降低其结构固有安全性、可靠性和稳定性情况下，根据下腔室流场分析结果，适当地增加或改变一些辅助性的机械结构，改善其综合性能，使优化后的下腔室结构达到一个比较理想状况，满足热工水力的要求。

2.2模型的原型结构基于结构优化方向，吸取第三代反应堆的优点，提出的反应堆原型下腔室结构设计方案采用椭球形封头，取消反应堆下腔室内的二次支承结构和流量分配结构，只是保留径向支承键作为对堆内构件下部径向限位和二次支承用，堆芯下板作为进入堆芯的冷却剂流量分配结构（图4）。该结构最简单，没有二次支承或初次流量分配结构，固有安全性、可靠性和稳定性很高，下腔室零部件的种类和数量最少，制造和加工上不存在任何技术难度。缺点是堆芯入口的流量分配严重不均，最小流量流水孔的流量份额与平均流量份额相差数倍，不能满足热工水力的要求。

2.3结构优化思路

2.3.1模型1：板状流量分配装置在原型的基础上，在堆芯支承板下面设置一个流量分配板作为初次流量分配结构，通过支撑柱连接固定在堆芯支承板上，径向支承键作为对堆内构件下部径向限位和二次支承用，堆芯支承板作为二次流量分配(图5)。

2.3.2模型2：筒状流量分配装置在原型的基础上，在堆芯支承板下面设置一个圆筒状流量分配装置作为初次流量分配结构，通过紧固件连接固定在堆芯支承板上，径向支承键作为对堆内构件下部径向限位和二次支承用，堆芯下板作为二次流量分配（图6）。

2.3.3模型3：半球状流量分配装置在原型的基础上，在堆芯支承板下面设置一个与椭球形下封头同圆心的椭球状流量分配装置作为初次流量分配结构，通过紧固件连接固定在堆芯支承板上，径向支承键作为对堆内构件下部径向限位和二次支承用，堆芯下板作为二次流量分配（图7）。

3计算分析

对于给出的几种结构模型，通过建立三维模型、确定输入条件和边界条件，然后采用CFD方法进行流场分析，得到不同结构模型下的反应堆下腔室流场特点。

3.1边界条件（1）入口：4个入口管均采用相同的稳定的质量流速边界，并假定速度垂直入口面均匀分布。（2）出口：平均静压为0Pa。（3）壁面：均采用无滑移边界。（4）湍流模型：SST模型。（5）离散方式：Upwind。

3.2模型和网格划分采用UGNX6.0建立三维模型。采用网格划分工具ICEMCFD10.0进行网格划分。考虑到计算时间以及硬件条件的限制，进行分析时，网格数量尽量控制在300万到1500万之间。

3.3网格敏感性分析对不同网格数量方案下的网格敏感性进行分析。当网格数量较小时，随着网格数量的增加，各截面压力变化较大；当网格数量大于300万时，随着网格数量的增加，各截面压力变化不大，趋于稳定。综合考虑计算精度、计算资源以及时间成本的前提下，计算分析最终采用网格数量为575万的网格方案。

3.4计算结果

3.4.1原型方案结构从图8中可以发现，该结构堆芯下板处冷却剂流量分配不均匀，最小流量流水孔其流量份额（归一化处理）只有平均流量份额的41%。

3.4.2板状流量分配装置从图9中可以发现，由于添加了流量分配板，冷却剂在由下封头流向堆芯下板区域时，受到流量分配板的流量分配作用，在进入堆芯下板时，中心区域的流量明显被抑制，从而造成堆芯下板处流速较为均匀，最小流量流水孔其流量份额（归一化处理）增加到85%，流量分配特性得到了明显的改善。

3.4.3筒状流量分配装置从图10中可以发现，采用筒装流量分配装置，冷却剂在经过流量分配筒以后，边角区域流水孔获得相对更多的流量，进而使得堆芯下板流水孔处原本不均匀的流量分配得到有效改善，其最小流量份额（归一化处理）增加到88%。

3.4.4半椭球状流量分配装置从图11中可以发现，采用半椭球装流量分配装置以后，下封头冷却剂在经过该装置后，流量分配特性得到了有效的改善，堆芯下板流水孔入口区域的流量均匀，最小流量流水孔其流量份额（归一化处理）增加到91%。

4结论

（1）3种优化模型结构都比M310、AP1000、EPR的下腔室结构简单，安装方便，固有安全性、可靠性、稳定性、经济性较高，可用于反应堆下腔室结构设计。（2）3种优化方案流量分配结构模型中，流量分配筒装置和半椭球状流量分配装置对下腔室流场的改善状况较好，入堆流量分配差额在±10%左右，结果比较理想。（3）采用椭球形下封头能有效地降低反应堆压力容器的高度和整个反应堆的高度，适用于堆高受限的方案。（4）在不考虑反应堆压力容器高度和反应堆堆高的情况下，反应堆压力容器下封头可采用半球状封头，这有利于进一步改善下腔室流场特性。

作者：张宏亮刘海鹏方才顺卢川单位：中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室海军装备部