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。     

驱动杆位置对控制棒驱动机构轴向传热特性的影响

核电站常采用对控制棒驱动机构(CRDM)外部强制通风冷却的方法来确保其正常运行。CRDM外部的通风冷却会引起内部的热虹吸现象,从而导致CRDM轴向温度升高。研究表明,驱动杆插入CRDM中的不同位置是影响热虹吸现象的重要因素之一。本文通过试验研究了多种风速下驱动杆在全高度棒位和半高度棒位时CRDM的轴向温度分布。结果表明,驱动杆在全高度棒位时CRDM内部的热虹吸现象更剧烈,冷却空气带走的热量更多。     

同轴型热虹吸系统轴向传热特性实验研究

对一种用于冷中子源系统的自然循环进行了轴向传热特性研究,建立了以氟里昂为工质的同轴型热虹吸管传热实验系统。研究表明:同轴型热虹吸系统可强化轴向热传输能力,其传热工况有过冷沸腾流动振荡工况、稳定工况和烧干工况3类。在低功率区,过冷沸腾和携带机制造成启动过程的两相流振荡;进入稳定工况区后,系统具有自调适能力,能够维持恒定的循环质量流率;在高功率区,蒸发器烧干产生传热极限。本研究显示出同轴型热虹吸系统的动力特性与普通自然循环系统有明显区别,其循环机制与普通热虹吸系统有本质区别。     

反应堆堆顶和控制棒驱动机构整体抗震分析

通过建立反应堆堆顶和控制棒驱动机构(CRDM)的整体三维有限元简化抗震分析模型,对反应堆堆顶和CRDM进行了三维非线性抗震分析。该分析模型可真实反映CRDM顶部抗震支承板相互之间、抗震支承板与抗震支承环之间的碰撞作用,以及抗震拉杆的拉压非线性特性,进而获得堆顶和CRDM结构各位置的精确分析结果。通过分析,得到反应堆堆顶和CRDM各部位的载荷,可为部件的应力分析提供必要的地震载荷,为CRDM抗震鉴定试验提供加速度时程等输入数据。     

基于轴向预热器的蒸汽发生器强化传热研究

本文基于轴向预热器对蒸汽发生器(SG)的强化传热效果以及强化传热机理进行了系统地分析研究。研究结果表明,在相同的热负荷下,加装轴向预热器后,蒸汽压力提高了接近4.3%。若原型SG单纯靠增加传热面积来达到此效果,需要增加29.6%的传热面积。轴向预热器对自然循环SG的强化传热效果明显。另外,为深入探明加装轴向预热器的强化传热机理,对原型SG以及加装轴向预热器的SG在对称面上的空泡份额、不同高度截面上的空泡份额、对称面上的焓值分布、不同高度截面上的焓值分布、二次侧的流线分布进行了系统地比较分析研究。上述研究结果将为基于轴向预热器的自然循环SG设计奠定良好的理论基础。     

模块式小型堆控制棒驱动机构风冷性能热态试验

采用1:1轴向比例模拟实堆运行环境,开展模块式小型堆(ACP100)控制棒驱动机构(CRDM)的风冷性能热态试验。测定了正常运行时不同冷却风速下各线圈平衡温度、线圈断风后温度变化及电气性能,获得了驱动机构的最小风速、允许断风时间、极限断风性能等关键参数,为ACP100的驱动机构通风冷却系统设计和实堆运行提供重要的参考。     

冷/热芯偏移对自然循环回路驱动力的影响

以一体化布置的中高压自然循环反应堆模拟实验装置为基础,从实验和理论分析两方面研究了上升段和下降段之间的传热以及堆芯和主换热器内温度变化对稳态自然循环能力造成的影响。实际测得了上升段进出口温差和套管式换热器一次侧水温在轴向的非线性分布,并推导得到了上升段与下降段之间的传热以及热源和热阱中温度分布对自然循环能力影响的表达式。研究表明,当上升段和下降段之间传热造成温度变化1~20℃,热源和热阱均为抛物线温度分布时,自然循环能力减小约0.2%~4%。     

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。     

基于节点法的轴流式预热蒸汽发生器稳态热工水力分析

基于一维流动假设、传热假设和两相热平衡假设等,采用集总参数法和分布参数法相结合,建立了轴流式预热蒸汽发生器的一维稳态热工水力分析模型。采用C++语言编程,将计算结果与某典型轴流式预热蒸汽发生器热工水力参数的设计值进行对比,结果表明大部分总体参数计算结果的相对误差都在3%以内,验证了模型的合理性;蒸汽发生器中温度、空泡份额、压力等参数沿一次测流体流动方向的变化趋势,符合热工水力学及定性机理分析结果,说明所建立的模型和求解方法能够较准确预测轴流式预热蒸汽发生器稳态热工水力参数分布。      

基于多学科协同仿真的控制棒驱动机构动力学分析研究

控制棒驱动机构(CRDM)动作过程的计算分析一般涉及多体动力学、电磁学、流体力学等多个学科,并且动作过程中各学科分析所需的输入与彼此计算分析获得结果相互影响,导致动力分析较为困难。使用软件Adams建立了多体动力学模型,使用AnsysMagnetic建立了电磁分析模型,使用AnsysFlotran建立了水阻分析模型,在MatlabSimulink中搭建了CRDM动力学仿真系统,将多体动力学模型、电磁分析模型、水阻分析模型联接,进行协同仿真,仿真获得提升线圈开始通电到提升衔铁碰撞隔磁片的时间为115 ms,CRDM样机试验获得的提升衔铁动作时间为125 ms,仿真结果与试验数据相近,误差为8%。     

ACP100集成式堆顶结构可压缩气体对流传热数值模拟

反应堆集成式堆顶结构的功能之一是通过冷却气体的对流传热为控制棒驱动机构提供冷却。针对ACP100反应堆集成式堆顶结构建立完整的模型并划分流场网格,基于ANSYS/CFX软件分别对可压缩气体和不可压缩气体进行计算,并严格对比分析了其结果,重点研究气体可压缩性对对流传热计算结果的影响。计算结果表明,气体可压缩性对速度、温度分布和压降有较大影响,忽略气体可压缩性所预测的控制棒驱动机构表面最高温度偏低,控制棒驱动机构间隙气体最大流速和压降也偏低。     

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。      

控制棒驱动机构固定钩爪打开时间的验收准则优化

基于CPR1000型核电机组中控制棒驱动机构（CRDM）供电时序、固定钩爪的动作特点以及在10台机组中的试验结果分析,发现了在机组调试启动及正常运行期间,一回路液态流体温度、压力和是否带载控制棒对CRDM固定钩爪打开时间的影响规律,并据此优化了不同工况下CRDM固定钩爪打开时间的验收准则范围。本文结论不仅可以作为同类型机组在调试启动和正常运行期间CRDM固定钩爪打开时间验收准则的参考,也可作为CRDM固定钩爪打开过程理论受力模型分析的结论参考。      

不同运行工况下蒸汽发生器热工水力稳态特性数值研究

基于相似模化理论建立了蒸汽发生器一、二回路流体及传热管流 固耦合传热的单元管三维物理模型,对大亚湾核电厂蒸汽发生器不同工况下的热工水力稳态特性进行了数值模拟研究。采用热相变模型描述二回路汽液两相流动与换热、流-固耦合模型描述一回路冷却剂借助U型管与二回路流体换热。数值计算结果表明：满负荷运行时,传热管内壁温度变化趋势与一次侧流体基本一致,外壁温度与二次侧流体温度变化趋势相同;截面平均含汽率沿传热管高度的升高呈上升趋势,出口质量含汽率与大亚湾核电厂实际运行参数相符;随负荷降低一回路出口温度基本不变,二回路出口温度升高,质量含汽率及传热系数下降,平均传热系数与Rohsenow经验关联式的计算结果基本吻合。     

竖直圆管内跨临界压力区水对流传热数值模拟研究

应用CFD方法对跨临界压力区竖直圆管内水的对流传热进行了数值模拟研究。通过与实验结果比较，分析了浮升力因素的影响机理。研究结果表明，采用浮升力修正的k-ε两方程湍流模型可准确预测跨临界压力区正常对流传热现象。当流体温度达到拟临界点，尽管该模型可预测传热恶化现象，但与实验数据偏差较大，在水热物性及数值模型等方面有待进行更深入研究。     

核反应堆控制棒驱动机构故障检测仪研制

以控制棒驱动机构为研究对象,基于机构结构噪声检测原理,自主研发了一套故障检测仪,并在试验台架模拟控制棒驱动机构上进行了测试分析,测试结果表明该检测仪可实现控制棒驱动机构的故障鉴别,为核反应堆控制棒驱动机构的安装调试和检修提供了一种科学有效的故障检测手段。      

双侧加热窄环隙流道强迫对流换热

本文用一回路水对竖直窄环隙流道进行了双侧加热强迫对流换热实验，将双侧加热和单侧加热时的换热特性进行了对比分析。结果表明，双侧加热使流道内侧的换热得到加强，而外侧换热却受到削弱，具有与单侧加热时相似的变化规律，综合因素影响使换热量基本保持不变。     

基于多孔介质模型的钾热管数值模拟

为研究钾热管内传热传质机理,对钾热管进行了数值模拟。建立了固液气三相耦合数学模型。其中对吸液芯液体流动区域采用了多孔介质模型,该模型考虑了液体流动对热管传热性能的影响。利用PHOENICS3.6对数学模型进行数值计算,得到了热管内的稳态工作参数。分析模拟结果得到了钾热管内部各相工质传热、传质机理,并与试验数据进行了比较。结果表明,模拟结果与试验数据符合较好。