基于华龙一号反应堆堆顶结构通风系统的数值模拟方法及试验验证

一体化堆顶结构对核反应堆中控制棒驱动机构(CRDM)的线圈组件通风冷却有重要作用。本文对华龙一号反应堆的一体化堆顶通风结构建立三维模型,运用ANSYS CFX模拟研究了在不同通风量下通风结构—CRDM线圈组件之间的气流速度和压降分布情况。为了验证数值模拟方法的正确性,建立1:1通风结构试验装置,在7×10~4、8×10~4、9×10~4和10×10~4m~3/h风量下进行冷态试验研究,试验结果与模拟结果吻合良好,验证了该模拟方法的正确性。考虑流体的对流传热,在控制棒驱动机构有热源的情况下模拟一体化堆顶结构的通风冷却性能。结果表明,一体化堆顶结构能很好地满足反应堆堆顶通风冷却的要求。     

基于自然对流的控制棒驱动机构温场研究

在新一代反应堆控制棒驱动机构耐温等级提升后,为分析取消控制棒驱动机构强制通风系统是否可行,建立了基于单台控制棒驱动机构流场的计算模型,合理确定了求解方法和边界条件,并通过与试验结果进行拟合,进行了控制棒驱动机构群全尺寸模型的温场和速度场计算,得到基于自然对流的控制棒驱动机构温场效应。研究结果表明,通过自然对流可以将控制棒驱动机构运行产生的热量完全带出堆坑,不存在堆坑窝热情况,并且随着控制棒驱动机构群总输出功率的增加,堆顶区域的自然循环强度也增加,可以达到冷却控制棒驱动机构的效果。因此,耐温等级提升后的控制棒驱动机构可以取消强制通风。      

控制棒驱动机构轴向传热特性试验和理论分析

核反应堆控制棒驱动机构（CRDM）是反应堆关键的安全设备,担负着反应堆的启动、功率调节和安全停堆等重要功能。为保证CRDM在运行工况下的温度,本文对某一型号CRDM轴向传热特性进行试验和理论分析。通过试验,测量磁轭线圈位置处驱动杆内壁温并建立试验系统加热功率与冷却风速的关系,获得了保证磁轭线圈正常工作的最小风速以及最小散热量。通过理论分析,建立了CRDM行程壳体内部热虹吸现象的传热模型,模型计算结果与试验结果吻合良好。     

控制棒驱动机构自然循环冷却方式的可行性研究

传统的二代压水反应堆主要是采取鼓风机鼓风的方式对控制棒驱动机构(Control Rod Drive Mechanism,CRDM)进行强制通风冷却,该冷却方式耗能较大且无法保证绝对安全可靠。本文针对于大亚湾核电站中CRDM群的布置方式,采用中广核新型的EMC-B型控制棒驱动机构的结构及材料物性参数,运用了计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析方法,研究了当采用空气自然循环冷却方式时,CRDM群及各线圈的温度分布,探索对CRDM群采用空气自然循环冷却方式的可行性。模拟分析结果表明:总体来看,处于外围和中心位置处的CRDM的线圈温度,要比中间区域的CRDM线圈温度高;对于给定计算工况,各线圈的最高温度为198°C,低于限制温度(200°C),表明对于所研究的CRDM群,依靠空气的自然对流,可以对CRDM进行有效冷却。计算结果可为新型CRDM群分布设计提供参考。     

控制棒驱动机构通风散热数值分析

利用ANSYS CFX软件对简化的CPR1000项目控制棒驱动机构三维模型进行连续下插动作时的通风散热数值模拟,分析控制棒驱动机构线圈温度、通风量与线圈温度、冷却风道进出口压差、控制棒驱动机构散热量及冷却风与磁轭和耐压壳接触面的传热系数的关系,并与试验结果进行对比,验证数值计算方法的可行性。     

高温气冷堆控制棒驱动机构冷态落棒试验研究

高温气冷堆控制棒驱动机构是执行反应堆功率调节、紧急停堆的重要核安全设备,具有固有安全特性,当断电后,控制棒能够靠重力快速下落实现停堆。为验证控制棒驱动机构的可靠性,必须对其进行设计分析和试验验证。本文建立了全尺寸的冷态试验台架,并采用1:1的控制棒驱动机构样机,对高温气冷堆控制棒驱动机构的落棒功能进行了验证和分析。进行多次全行程及不同高度的落棒实验,验证落棒过程的稳定性,测定控制棒在冷态条件下的落棒时间、落棒速度,试验结果满足规定的限值。对落棒过程进行分析,建立落棒运动方程式,进而得到控制棒运行速度的解析解。理论及试验的结果符合较好,均表明本文研究的控制棒驱动机构落棒可靠具有固有安全特性,为商用高温气冷堆中的实践应用提供了理论依据。     

西安脉冲堆稳态控制棒驱动机构

西安脉冲堆稳态控制棒驱动机构是实现反应堆启动、功率调节和停堆的关键设备。该机构采用滚珠丝杠副的传动方式，通过电磁铁的吸合，可以带动稳态控制棒上下运行，当释放电磁铁时，可以实现快速落棒。本文介绍了稳态控制棒驱动机构的结构特点、设计参数和试验情况。该机构已成功应用于西安脉冲堆。     

CARR控制棒驱动机构试验样机电磁力研究

为获得中国先进研究堆(CARR)控制棒驱动机构电磁力及电磁场分布,对控制棒驱动机构进行了受力分析,设计制造CARR控制棒驱动机构试验样机。在试验样机上进行了电磁力试验,使用有限元分析软件Ansoft Maxwell对试验样机电磁场及电磁力分布进行仿真分析,计算得到了试验样机磁感应强度分布曲线和电磁力分布数据,以及永磁体磁场对电磁场的影响和结构参数对电磁力的影响。仿真结果与试验值符合较好,研究结果为CARR控制棒驱动机构电磁力研究和同类型控制棒驱动机构设计提供了参考。     

10MWt固态燃料熔盐堆控制棒失控抽出事故分析

钍基熔盐堆核能系统项目是中科院先导科技专项之一,其战略性目标是研发第四代熔盐冷却裂变反应堆核能系统。基于10 MWt固态燃料熔盐堆的系统设计,开发了适用于球床式反应堆系统的安全分析软件,并以高温气冷堆为对象对程序计算结果的准确性进行了验证。基于该软件程序,对固态燃料球床堆(Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel,TMSR-SF)控制棒失控抽出事故进行了分析计算,研究了不同停堆限值及各停堆信号对事故的影响。计算结果表明,超功率停堆限值越高,出口温度限值越大,信号延迟时间越长,反应堆停堆越晚,堆芯功率和燃料最高温度越高。在TMSR-SF控制棒失控抽出事故下,燃料最高温度不超过860°C,远低于1 600°C的熔化温度限值。     

“华龙一号”控制棒驱动机构设计研究

控制棒驱动机构是反应堆控制和保护系统的伺服机构,它是反应堆本体中唯一的动设备,其安全性和可靠性直接影响到反应堆的安全与运行,特别是在事故工况下,控制棒驱动机构必须能够完成快速落棒,实现安全停堆。本文根据"华龙一号"核反应堆控制棒驱动机构的设计要求,结合以往工程与科研经验,对决定控制棒驱动机构安全性和可靠性的关键零件"钩爪和连杆"的制造工艺进行了设计研究,根据研究结果确定了最佳的工艺参数,并按照该工艺进行了样件试制,最后,利用控制棒驱动机构整机对样件进行了热态寿命考核。结果表明,采用本文确定的最佳工艺参数制造出的钩爪和连杆零件具备较高的硬度和良好的耐磨性,经历1500万步热态寿命试验后,仍有一定运行余量,可充分满足第三代压水型反应堆控制棒驱动机构在安全性和可靠性方面的设计要求。     

控制棒驱动机构传热机理与隔热套性能研究

控制棒驱动机构(CRDM)依靠强制冷却措施维持工作温度。本文针对CRDM复杂的轴向传热机理,基于冷热侧流动的假设建立热虹吸自然对流分析模型,计算得到轴向温度分布及隔热套内径与热虹吸传热量之间的关系曲线;同时进行验证试验,测量不同情况下CRDM内外轴向温度分布和总散热量。通过分析和试验对比证明:基于假设的分析模型能模拟实际情况,热虹吸传质传热是CRDM轴向传热的主要途径,设置隔热套能有效抑制热虹吸、减少散热量。     

Numerical Investigation of Channel for Helium Cooled China HCCB-TBM First Wall by Application Enhance Heat Transfer Method

To enhance heat transfer efficiency on first wall (FW) of ITER China Helium-Cooled Ceramic Breeder-Test Blanket Module (HCCB-TBM), CFD numerical simulation method is adopted. On the basis of calculating helium gas cooling scheme of FW smooth channel, FW structural temperature gradient, maximum wall temperature, average heat transfer coefficient, and pressure drop of channel are selected as evaluation indexes. Numerical simulation comparison are performed on heat transfer schemes like placing transversal ribs and V-shaped ribs in the flow channel of front wall and the helium gas turbulence intensity and the heat transfer area are improved through optimizing the distance and angle between V-shaped ribs and other parameters to enhance heat transfer. The optimization scheme of helium-cooled FW for HCCB-TBM through the three dimensional numerical simulation is: V-shaped ribs are placed on the inner surface of front wall, the rib cross section is 1 mm × 1 mm, the distance between rib pitches is 10 mm and the rib angle is 60°. Under the same helium cooling condition, compared with the FW smooth channel, the optimized V-shaped rib scheme enhances the average heat transfer efficiency by about 70 % and the FW maximum temperature drops by 349.3 K. The result provides support for further research on FW helium cooling heat transfer enhancement experiment and engineering design optimization for China HCCB-TBM.     

冷冻靶封装套中辅助热流密度的优化

为研究达到控温要求的冷冻靶封装套辅助加热量,建立了带有屏蔽罩和暴风窗的冷冻靶的二维轴对称模型。考虑封装套外屏蔽罩辐射强度和封装套内填充气体压力对冷冻靶温度场的影响,利用FLUENT软件对冷冻靶温度场进行了数值模拟计算。结果表明：合理选择上、下辅助加热带的热流密度及其差值,可使靶丸外表面最大温差降至0.1 mK以下;辐射强度越强,气体压力越大,靶丸表面最大温差越大,为实现靶丸外表面温度均匀性要求所施加的上、下辅助热流密度的差值就应越大。     

Research and development on passive cooling system

Experiments are carried out to investigate the effects of the natural convection of superheated gas as well as those of the standpipes on the temperature distributions of the components and the heat removal performance in the water-cooling panel system for the MHTGR for decay heat removal, and to verify reliability of the design and evaluation methods. The numerical results of the code THANPACST2 are compared with the experimental data to verify the numerical methods and axi-symmetric model proposed, which can simulate the three-dimensional configuration of the standpipes on the upper head of the pressure vessel by using porous body cells. The experiments revealed that temperatures increased with elevation on the upper head, because the standpipes restrict radiation heat transfer to the upper cooling panel and reduce the heat transfer area on the upper head, which was superheated by natural convection of helium gas in the pressure vessel. In the presumed accident condition in which thermal radiative heat transfer is responsible for the majority of the total heat transfer, the numerical methods were able to closely duplicate the pattern of the rising temperature profile with elevation around the top of the upper head as observed in the experiments.     

Heat conduction analyses on rewetting front propagation during transients beyond anticipated operational occurrences for BWRs

Our previous study investigated the rewetting behavior of dryout fuel surface during transients beyond anticipated operational occurrences for BWRs, which indicated the rewetting velocity was significantly affected by the precursory cooling defined as cooling immediately before rewetting. This study further investigated the previous experiments by conducting additional experimental and numerical heat conduction analyses to characterize the precursory cooling. For the characterization, the precursory cooling was first defined quantitatively based on evaluated heat transfer rates; the rewetting velocity was investigated as a function of the cladding temperature immediately before the onset of the precursory cooling. The results indicated that the propagation velocity appeared to be limited by the maximum heat transfer rate near the rewetting front. This limitation was consistent with results of the heat conduction analysis using heat transfer models for the precursory cooling expressed as a function of distance from the rewetting front, the maximum wetting temperature, and the heat transfer coefficients in the wetted region. This paper also discusses uncertainties in the evaluation of transient heat flux from the measured surface temperature, and technical issues requiring further investigation.     

冷却气体对黑腔系统温度场影响数值模拟

为了研究氦氢冷却气体对黑腔系统温度场的影响，采用CFD数值模拟方法，计算了氘氚靶丸外表面最大温差与填充区域的气体流场随气压、氦气含量变化的规律。通过对冷却壁面施加壁温扰动函数，监测了靶丸外表面平均温度、最大温差随时间的波动。研究结果表明：提高氦氢混合气体的填充压力或减小氦气含量，使得黑腔上下部分冷却气体自然对流强度差异增大，导致靶丸外表面温度场均匀性恶化；但降低冷却气体中氦气含量使气体导热系数减小，比热容增大，使得冷却壁温扰动对靶丸外表面温度场均匀性的影响减弱。     

三维MORN试验能量分配比和安全裕量研究

MORN试验对三维氧化物层的熔池传热进行了试验研究,试验工质为水和硝酸盐。结果表明,不同下冷却边界会影响熔池温度和能量分配比。水冷条件下,熔池壁面热流密度分布差异很大,最大值为最小值的6.5～7.9倍。当熔池上下冷却边界相同时,向上/向下的能量分配比近似为100%。能量分配比不仅取决于上下冷却边界的种类,可能还取决于上下冷却边界是否进行了充分冷却,即能量分配比并不一定总为100%。将MORN-Nitrate的壁面热流密度分布经验关系式运用到AP1000压力容器下封头壁面热流密度计算中,结果表明,AP1000在出现堆芯融毁事故时,下封头不会失效,IVR有效。     

高温堆热气联箱内部流场分析

以高温堆热气联箱为研究对象,在实验研究的基础上,采用流体力学计算程序CFX5对热气联箱和热气导管内部流场进行了数值模拟,以获得热气联箱和热气导管内的速度场、压力场和温度场,为高温堆热气联箱的设计和实验研究提供参考.数值计算结果表明:热气联箱内气流发生剧烈搅混,加速了不同温度气流间的热传递,有利于高温和低温气流间的温度混合.但存在肋片的区域没有发生剧烈的气流搅混,不利于气流间的热传递.热气导管内温度混合率随其长度的增加逐渐增大,热气导管长度2.5m以上时,温度混合率达到99%以上.     

超临界压力水冷包层方案第一壁的热与应力分析

针对超临界水冷包层中第一壁的运行工况,利用数值计算软件ANSYS中CFX和Workbench两个模块对第一壁结构中的固体域和流体域进行数值分析研究。对比矩形管道和圆形管道内传热及热应力分布发现,矩形管道四个角域强化了壁面流体和主流流体的动量和热量的交换,使传热性能优于圆形管道,而四个角域的存在也造成了该处的应力集中,使结构材料的最大应力明显高于圆形管道。进一步研究冷却剂流向和冷却管道几何结构参数对第一壁结构温度场和应力场的影响发现,在ITER运行工况下,冷却剂流向影响很小,增大冷却管道直径和减小冷却管道最小壁厚均能改善第一壁结构材料中的最高温度,而这两个几何结构参数对第一壁应力的影响较为复杂。