水冷條件下pwr包層第一壁的水力特性分析

水冷條件下pwr包層第一壁的水力特性分析

聚變形驅(qū)動(dòng)的次臨界堆系統(tǒng)是相對于聚變形產(chǎn)生的子驅(qū)動(dòng)包層中的燃料消耗反應(yīng)的混合堆系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采用氦氣和鋰鉛雙重冷卻的嬗變包層（DWTB），該設(shè)計(jì)具有乏燃料嬗變、核燃料增殖和產(chǎn)能等多種功能。該系統(tǒng)安全上的主要特點(diǎn)是對等離子體的要求遠(yuǎn)小于商用聚變堆，且因包層中的裂變反應(yīng)需依靠堆芯產(chǎn)生的中子源驅(qū)動(dòng)，包層本身具有很深的負(fù)反應(yīng)性，所以，發(fā)生超臨界事故的可能幾乎沒有。雙冷嬗變包層中需排出的熱量絕大部分來源于乏燃料中次錒系元素的嬗變，其中氦氣主要負(fù)責(zé)帶走第一壁輻射熱和結(jié)構(gòu)的核熱及部分重金屬區(qū)的熱量。但由于氣體冷卻劑的熱容較大多液體冷卻劑小得多，相應(yīng)地需施加高壓增加氣體冷卻劑密度，并配合快速的循環(huán)系統(tǒng)才能滿足輸熱要求。在壓水堆中廣泛使用的輕水冷卻劑雖也需高壓來提高沸點(diǎn)，但因水具有高熱容的特點(diǎn)，在同樣工況下，水作為冷卻劑應(yīng)可有效降低結(jié)構(gòu)材料的最高溫度，且可在較低流速下滿足換熱要求。且水的經(jīng)濟(jì)成本較低，利用水作為冷卻劑也有很廣泛的應(yīng)用，技術(shù)較為成熟。因此，本文基于已有的聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆概念設(shè)計(jì)及已有的壓水堆成熟技術(shù)，提出第一壁水冷設(shè)計(jì)并分析其可行性。利用三維流體分析軟件CFX對第一壁的局部模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同邊界熱流密度等條件下的流固熱耦合的特性，深入分析冷卻劑的熱工水力特性以及第一壁的溫度分布情況。1熱分析邊界條件基于已有的聚變驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，研究的包層第一壁的橫截面如圖1所示。雙冷嬗變包層的結(jié)構(gòu)材料為中國低活化鐵素體/馬氏體鋼（CLAM），其具有良好的低活化和抗輻照性能。等離子體側(cè)受到來自堆芯的高輻射熱流密度。包層的重金屬區(qū)（HM區(qū)）內(nèi)發(fā)生裂變反應(yīng)，部分熱量從第一壁內(nèi)側(cè)壁面流入。同時(shí)結(jié)構(gòu)材料因受到中子輻照也產(chǎn)生核熱。計(jì)算選取包層模塊底部的第一壁局部模型，靠近重金屬區(qū)LiPb的出口。圖2為該模型的結(jié)構(gòu)。為方便氦冷包層和水冷包層計(jì)算結(jié)果的對比，尤其是結(jié)構(gòu)材料的最高溫度的對比，本文選用與文獻(xiàn)基本一致的模型。該模型包括1個(gè)完整截面的冷卻劑通道、2個(gè)相鄰的半截面通道，以及圍繞通道的結(jié)構(gòu)材料。相鄰?fù)ǖ纼?nèi)流體的流向相反。等離子體側(cè)來自堆芯的輻射熱流密度qfw約為0．1MW/m2，在典型的氦氣系統(tǒng)中需帶走的重金屬側(cè)的熱流密度qma約0．5MW/m2。同時(shí)第一壁結(jié)構(gòu)材料受到中子的輻照，產(chǎn)生的熱源Qstruc約為5MW/m3。冷卻劑取壓水堆工況下的水，壓力15．5MPa，入口溫度275℃。根據(jù)重金屬區(qū)側(cè)熱流密度的不同，取3種不同的工況，即qma分別為0．3、0．5和0．7MW/m2，以便對水的載熱能力進(jìn)行分析。計(jì)算時(shí)水的入口流速取為1～5m/s。計(jì)算模型結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱邊界條件列于表1。采用六面體網(wǎng)格劃分模型，模型分為結(jié)構(gòu)材料和3個(gè)流體通道。網(wǎng)格劃分如圖3所示。劃分3種不同密度的網(wǎng)格，對qma為0．5MW/m2、冷卻劑水的流速為5m/s的工況進(jìn)行了計(jì)算，以驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性。計(jì)算結(jié)果列于表2。3種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果差別很小，由于前兩種網(wǎng)格的計(jì)算時(shí)間差距并不明顯，本文選用第2種網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。2結(jié)論分析2流體速度和壓降圖4為流體溫升ΔT隨入口流速的變化曲線。當(dāng)qma為0．7MW/m2、流速為1m/s時(shí)流體溫升最大，達(dá)14．6K，同樣邊界熱流密度條件下當(dāng)流速為5m/s時(shí)，溫升為2．9K。qma為0．3MW/m2、流速為5m/s時(shí)溫升最小，僅為1．6K。在流速較低時(shí)，提高流體速度可顯著降低流體溫升，如qma為0．7MW/m2時(shí)，流體速度從1m/s提高到2m/s，流體溫升從14．6K降低到7．26K。而流體速度從4m/s提高到5m/s時(shí)流體溫升僅從3．6K降低到2．9K。圖5所示為流體壓降隨速度的變化曲線。在流體速度為5m/s時(shí)中間通道的壓降約為15kPa。相對系統(tǒng)壓力15．5MPa，該局部壓降很小。與傳熱相比，流動(dòng)壓降對熱工水力設(shè)計(jì)的限制也較輕。2水冷卻劑流速結(jié)構(gòu)材料最高溫度Tmax隨流體速度的變化曲線如圖6所示。限于結(jié)構(gòu)材料性能要求，設(shè)計(jì)時(shí)要求其最高溫度低于823K。從該圖可見，水在所有計(jì)算的工況下均能滿足該結(jié)構(gòu)材料最高溫度限值的要求。典型氦氣系統(tǒng)下（即qma=0．5MW/m2，氦氣壓力8MPa，流速40m/s，入口溫度523K時(shí)）結(jié)構(gòu)材料最高溫度為741．8K。在本計(jì)算中，同樣邊界熱流密度條件下，水流速為1m/s時(shí)結(jié)構(gòu)的最高溫度為725．8K，此時(shí)水在該局部通道的溫升達(dá)到了11．3K。在流速為5m/s時(shí)結(jié)構(gòu)材料最高溫度為650．6K，相應(yīng)流體的溫升為2．3K。考慮到第一壁及內(nèi)部包層結(jié)構(gòu)中有大量的冷卻劑通道，有必要選取較高的流速以減少水的焓升，防止冷卻劑發(fā)生沸騰。在典型氦氣冷卻系統(tǒng)下，第一壁結(jié)構(gòu)的最高溫度Tmax與最低溫度Tmin的差值ΔTstru為202．3K。水冷情況下，當(dāng)冷卻劑流速為1m/s時(shí)，ΔTstru=177．7K；當(dāng)冷卻劑流速為5m/s時(shí)，ΔTstru=102．5K。后兩者與He冷相比分別降低了12．2%和49．5%。結(jié)構(gòu)最大溫差的降低有利于降低熱應(yīng)力，減少熱疲勞效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，并延長材料的使用壽命。選取qma=0．5MW/m2、流速為5m/s的工況對結(jié)構(gòu)材料溫度分布進(jìn)行分析。整體溫度分布如圖7所示。圖8為通道中間處截面的溫度分布。從圖中可看出，結(jié)構(gòu)材料溫度最高處位于第一壁的內(nèi)側(cè)，即靠近重金屬區(qū)的部分。由于第一壁等離子體側(cè)的輻射熱流密度遠(yuǎn)小于重金屬側(cè)的熱流密度，其表面溫度也明顯小于內(nèi)側(cè)表面的溫度。彎角處局部溫度分布如圖9所示?？煽闯?，在內(nèi)表面彎角處的溫度小于其他部分的溫度。原因可從圖10看到，靠近內(nèi)表面的流體在彎角處流速有較明顯提高，達(dá)到6．6m/s，相應(yīng)地增強(qiáng)了局部的對流換熱效果，降低了拐角處的結(jié)構(gòu)材料溫度。表3列出qma=0．5MW/m2時(shí)第一壁He氣冷和水冷的熱工水力性質(zhì)對比。3第一壁水冷卻劑為結(jié)構(gòu)材料最低溫升因水具有優(yōu)良的換熱性能，且水冷具有較低的經(jīng)濟(jì)成本和較成熟的技術(shù)，本文選用壓水堆工況下的水作為第一壁的冷卻劑，對第一壁局部模型進(jìn)行了數(shù)值模擬和計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，水作為第一壁冷卻劑可滿足第一壁結(jié)構(gòu)材料最高溫度限值的要求。在計(jì)算的工況中，采用水作為冷卻劑時(shí)結(jié)構(gòu)材料的最高溫度較采用He氣作冷卻劑時(shí)低16～91K。同時(shí)結(jié)構(gòu)材料的最大溫差也較He冷時(shí)降低了12．2%～49．5%。結(jié)構(gòu)材料最高溫度和最大溫差的降低有利于減小熱疲勞效應(yīng)，延長材料的使用壽命。此外，充分利用水冷的優(yōu)勢可進(jìn)一步減少系統(tǒng)對LiPb回路排熱的需求，降低LiPb