CN110532586A - 一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于核反应堆建模及三维热工流体瞬态现象算法技术领域的一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，具体进行了建立三维热工流体计算模型，对钠冷快堆堆容器及堆内构件的典型工况进行计算，模拟包括正常运行、预计运行事件和事故的典型工况下堆容器内的三维热工流体瞬态现象，获得正常运行及关键事故工况下的堆内关键结构、部件的温度场及流场分布特性，明确其三维热工分布及变化特性。基于数值仿真计算得到三维热工参数，可为钠冷快堆相关结构的应力评定提供支持和依据；也为流道尺寸差异大，结构复杂的各类模型的数值模拟提供技术参考。

Description

一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法

技术领域

本发明属于核反应堆建模及三维热工流体瞬态现象算法技术领域；特别涉及一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，具体涉及结构尺寸差异巨大的复杂模型的三维热工流体计算。

背景技术

钠冷快堆(Sodium-cooled fast Reactor，简称SFR)是六种第四代反应堆中相对而言技术最成熟、运行经验最丰富的堆型。在快堆中，冷却剂钠的流动较为复杂，以中国实验快堆(CEFR)为例，CEFR一回路采用池式结构，堆芯、一回路设备都在主容器内，液态金属钠作为一回路冷却剂和二回路载热剂。堆本体呈一体化布置，包括堆芯、各类堆内组件、堆容器及堆内构件、控制棒驱动结构、一回路主循环泵、中间热交换器、事故余热排出系统的独立热交换器、堆内换料系统及设备、堆顶固定屏蔽和堆内参数测量装置等。主容器上部是氩气腔体，隔绝一回路钠和外部大气。一回路有两条并联的环路。每条环路上有一台主循环泵和两台中间热交换器。反应堆主容器内的构件包括：堆芯支承结构、堆内支承结构、堆内屏蔽、堆内热屏蔽、泵支承及泵支承补偿器、中间热交换器支承及中间热交换器支承补偿器、压力管和堆芯熔化收集装置。

由于钠冷快堆堆容器及堆内构件结构十分复杂，钠池内的热工水力状况对反应堆的安全运行有着重要影响。对全堆进行三维热工分析的必要性体现在以下三个方面：一是快堆重要的一回路堆内设备和部件均位于钠池中，其布置并不完全是轴对称或者中心对称的，因而传统的一维或二维系统分析程序不能给出较精确的分析研究结果；二是钠池内的钠在正常运行工况下处于高温状态，有着复杂的热工水力行为，其较大的温度梯度引起的热应力对流场中的固体结构的安全性有重要影响；三是池式快堆中的一些结构比较特殊，其特殊的结构引发的流动和传热问题也不是用一维或者二维模型能够分析和解决的。因此,快堆钠池及其结构设备的三维热工分析十分必要。但由于池式快堆结构和回路布置的复杂性，堆内结构尺寸差异巨大，堆容器整体高度15m，泵冷却系统流道仅70mm，相差214倍，网格划分难度大。国内学者对钠冷快堆中单独的部件结构进行过数值模拟，尚未出现类似的全堆瞬态数值模拟先例，为了获得正常运行及关键事故工况下的堆内关键结构、部件的温度场及流场分布特性，用于钠冷快堆相关结构的应力评定。因此有必要对钠冷快堆堆容器及堆内构件进行全尺寸耦合瞬态三维数值模拟。

本发明提供一种池式钠冷快堆堆容器的全尺寸耦合瞬态三维数值仿真方法，即以中国实验快堆(CEFR)研究对象，利用“分区解耦建模-总体耦合计算”关键技术，对热池-冷池-主容器冷却系统-锥顶盖及旋塞进行耦合计算；明确堆内关键结构、部件在特定事故工况下的温度场及流场分布特性，数值模拟出三维热工参数。研究结果可望填补国内相关领域内的空白，也可以为中国钠冷快堆的设计提供支持和依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，其特征在于，建立三维热工流体计算模型，对钠冷快堆堆容器及堆内构件的典型工况进行计算，模拟典型工况下堆容器内的三维热工流体瞬态现象，主要包括：

(1)中国实验快堆CEFR设计运行工况及事故工况下物理进程及关键现象分析；

(2)基于关键现象分析,对堆本体结构进行合理简化，从而完成关键设备与部件的简化及建模方案，具体包括：主容器、堆内支承、压力管部件、栅板联箱、堆芯、堆内屏蔽、径向热屏蔽、三层水平热屏蔽、一回路主循环泵支承及补偿器、中间热交换器支承及补偿器、独立热交换器支承及补偿器、堆芯熔化收集器、挤钠器、提升机通道、旋塞和中心测量柱；

(3)物理建模：热钠池、冷钠池、堆芯熔化收集器、主容器冷却系统、堆顶氩气空间及旋塞这些关键部件的分区解耦建模；

(4)网格划分及网格无关性分析：对上述关键部件分别进行网格划分，并生成多套网格，以进行无关性分析；

(5)确定关键边界条件设置：入口边界、出口边界、热源、冷源、多孔介质参数；

(6)确定计算模型及求解方法：湍流模型、收敛格式、差分格式；

(7)稳态计算方案：热启动、冷停堆；

(8)稳态计算方案校核与修正；

(9)瞬态计算方案：正常运行、预计运行事件、设计基准事故；

(10)计算结果分析与评价：包括堆容器及堆内构件关键部位和堆内关键区域的温度分布、流速分布、压力分布的参数值进行分析与评价；

(11)验证校核计算：采用相似的网格、模型或方法完成对所有工况的计算验证。

所述物理建模包括：

①热钠池：热池模型中，对中间热交换器、泵以及独立热交换器的一些较为精细的结构进行了一定程度上的简化，对生物屏蔽柱、换料区屏蔽区、中间热交换器(IHX)采用多孔介质模拟；

②冷钠池：冷钠池几何模型整体分为上下两个区域，中间被隔板隔开，冷池内分布有其支撑作用的16块肋板，这些肋板大部分都是中间开孔，使冷池空间保持贯通；

③堆芯及大小栅板联箱：堆芯作为热池的入口边界，简化为一个由活性区和非活性区组成的圆柱体，栅板联箱区域，仅起到流量分配的作用，将该区域简化为多孔介质；

④堆芯熔化收集器：堆芯熔化收集器与实际保持高度一致，其尺寸与堆原形部件一致，无简化；

⑤主容器冷却系统：主容器是一个焊接而成的圆筒形容器，由底封头、支承环、支承筒、筒体、锥顶盖和支承颈构成，主容器筒体下部通过支承环与底封头连接，上部和锥顶盖连接。支承环有四个接口，分别与堆内支承、主容器支承筒、底封头及主容器的筒体焊接；

⑥堆顶氩气空间及旋塞：对钠液面以上氩气空间，两台主泵，四台独立热交换器和四台中间热交换器，提升机凸台，生物屏蔽柱以及大中小旋塞进行几何建模；忽略了泵、中间热交换器和独立热交换器的实体；略去了一些细小的孔等对整体影响不大的地方；

所述网格划分及网格无关性分析：由于堆本体结构庞大，堆内构件结构复杂，故而在进行建模、网格划分的时候，对整个结构进行了拆分，采用模块化建模的方式，在考虑兼顾整体网格质量和保证计算精度的情况下，总共将堆本体冷、热钠池部分拆分为热池、堆芯、冷池、主容器和底封头几部分；建模过程中对各部分进行了简化，再根据不同部分的特点，选取结构网格或者非结构网格的进行网格划分，对上述关键系统分别生成多套网格，以进行无关性分析。

所述确定计算模型及求解方法：由于钠池内结构复杂，流动几乎全部为湍流流动，计算过程考虑湍流效应对流动及换热的影响；因此，湍流模型选取标准k-ε模型、求解采用SIMPLE算法、离散方法采用二阶迎风，收敛度按所需精确度，稳态计算收敛目标拟设定为1e-6，瞬态计算收敛目标拟设置为1e-5，从而获得准确的计算求解结果。

本发明的有益效果是根据本发明提供了用于模拟钠冷快堆堆容器及堆内构件三维热工流体瞬态现象的数值仿真技术，通过热钠池、冷钠池、主容器冷却系统、锥顶盖及旋塞的“分区解耦建模，总体耦合计算”的关键技术，获得正常运行及关键事故工况下的堆内关键结构、部件的温度场及流场分布特性，明确其三维热工分布及变化特性。基于数值仿真计算得到三维热工参数，可为钠冷快堆相关结构的应力评定提供支持和依据。也可为流道尺寸差异大，结构复杂的各类模型的数值模拟提供技术参考。

附图说明

图1为不同功率台阶工况下预计内部网格划分计算流程图。

图2为运行事件-失给水事故瞬态计算流程图。

图3为一回路主循环停运工况下钠池余热排排除流程图。

图4为一回路泵失去外电停运工况下钠池处理情况示意图。

具体实施方式

本发明提供一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，下面结合附图对本发明予以说明。

该计算方法包括建立三维热工流体计算模型，对钠冷快堆堆容器及堆内构件的典型工况进行计算，模拟典型工况下堆容器内的三维热工流体瞬态现象的技术方案主要包括：

(1)中国实验快堆(CEFR)设计运行工况及事故工况下物理进程及关键现象分析；基于关键现象分析对堆本体结构进行合理简化，从而完成关键设备与部件的简化、建模方案，包括：主容器、堆内支承、压力管部件、栅板联箱、堆芯、堆内屏蔽、径向热屏蔽、三层水平热屏蔽、一回路主循环泵支承及补偿器、中间热交换器支承及补偿器、独立热交换器支承及补偿器、堆芯熔化收集器、挤钠器、提升机通道、旋塞、中心测量柱等关键设备；

(2)物理建模：

①热钠池：热池模型中，对中间热交换器、泵以及独立热交换器的一些较为精细的结构进行了一定程度上的简化，对生物屏蔽柱、换料区屏蔽区、中间热交换器(IHX)采用多孔介质模拟。

②冷钠池：冷钠池几何模型整体分为上下两个区域，中间被隔板隔开，冷池内分布有其支撑作用的16块肋板，这些肋板大部分都是中间开孔，使冷池空间保持贯通。

③堆芯及大小栅板联箱：堆芯作为热池的入口边界，简化为一个由活性区和非活性区组成的圆柱体，栅板联箱区域，仅起到流量分配的作用，将该区域简化为多孔介质。

④堆芯熔化收集器：堆芯熔化收集器与实际保持高度一致，其尺寸与堆原形部件一致，无简化。

⑤主容器冷却系统：主容器是一个焊接而成的圆筒形容器，由底封头、支承环、支承筒、筒体、锥顶盖和支承颈构成，主容器筒体下部通过支承环与底封头连接，上部和锥顶盖连接。支承环有四个接口，分别与堆内支承、主容器支承筒、底封头及主容器的筒体焊接；

⑥堆顶氩气空间及旋塞：对钠液面以上氩气空间，两台主泵，四台独立热交换器和四台中间热交换器，提升机凸台，生物屏蔽柱以及大中小旋塞进行几何建模；忽略了泵、中间热交换器和独立热交换器的实体代替；略去了一些细小的孔等对整体影响不大的地方。

(3)网格划分网格无关性分析(如图1所示)：

由于堆本体结构庞大，堆内构件结构复杂，故而在进行建模、网格划分的时候，对整个结构进行了拆分，采用模块化建模的方式，在考虑兼顾整体网格质量和保证计算精度的情况下，总共将堆本体冷、热钠池部分拆分为热池、堆芯、冷池、主容器和底封头几部分；建模过程中对各部分进行了简化，再根据不同部分的特点，选取结构网格或者非结构网格的进行网格划分，对上述关键系统分别生成多套网格，以进行无关性分析；具体包括：

①热钠池：基于简化热钠池模型，考虑到热钠池整体巨大，但局部缝隙、壁厚、流道尺寸很小，若采用非结构网格划分，则生成的网格数量巨大，而采用结构网格划分则能通过调节各处节点位置控制整体与局部网格参数，在保证计算精度的同时，控制网格数量。

②冷钠池：于冷池的网格划分，由于冷池内设备较多，大部分都位于冷池的大空间内部，所以采用非结构网格的形式对其进行网格划分；冷钠池由于压力管结构、布置形式不规则，无法采用结构化网格划分，但是冷池内设备之间尺寸差异不太大，用非结构网格进行网格划分也能保证较好的网格质量。

③堆芯及大小栅板联箱：堆芯网格划分采用整体结构化网格划分方法；

④堆芯熔化收集器：堆芯熔化收集器采用非结构化网格进行划分。

⑤主容器冷却系统：主容器冷却系统采用结构化网格划分，将底部入口与堆芯熔化收集器的出口环面设置为交界面。

⑥堆顶氩气空间及旋塞：于氩气腔空间及锥顶盖部分结构复杂，综合考虑网格数量及网格精度，故将其分成氩气腔空间、大中小旋塞、旋塞与套筒之间的气隙、金属层保温层和内部屏蔽以及顶盖以上贯穿件五部分来进行网格划分，

由于氩气腔空间和旋塞两部分结构复杂，不利于采用结构化网格处理，故用非结构网格，其余三部分结构较为规则，为减少网格数量提高网格质量，均用结构网格。

(4)确定关键边界条件设置：入口边界、出口边界、热源、冷源和多孔介质参数；

①堆芯边界条件

堆芯直径4.8m，高度3.397m，总体积61.47066m3

堆芯活性区横截面积：直径＝2.541m，高度3.397m，局部体积17.22641m3

堆芯活性区功率份额：93.89％功率：1410MW

对应流量：6100.6kg/s功率密度：81851068.73W/m3

非活性区体积：44.244254W/m3

非活性区功率份额：5.83％功率：90MW

对应流量：389.4kg/s，功率密度：2034162.45W/m3

堆芯压降(包括小栅板联箱和堆芯组件)：500000Pa

入口温度：358℃

出口温度：540℃

边界条件设置应满足上述关键需求

②大、小栅板联箱边界条件

在本模型中，由于大、小栅板联箱内管束、操作头结构复杂且数量众多，而该处仅作为整体模型的入口区域，并没有额外的能量输入，而是起到流量分配的作用，因此，模型中拟采用多孔介质模拟大、小栅板联箱区域，使得该处的阻力系数设置满足设计压降与流量分配要求，即：流入堆芯活性区的相对流量占84.29％，非活性区相对流量占10.36％。

③中间热交换器边界条件

中间热交换器一次侧入口平均温度：535℃

中间热交换器一次侧出口平均温度：353℃

设计温差：182℃

设计压降：12kPa

设计流速：0.9548m/s

设计流量壳侧：1668kg/s

管侧：1490kg/s

④独立热交换器边界条件

独立热交换器一次侧入口温度：535℃

独立热交换器一次侧出口温度：450℃

对应温差：85℃

设计压降：0.203kPa

设计流速：0.3643m/s

设计流量壳侧：112kg/s

管侧：68kg/s

⑤堆芯熔化收集器边界条件

堆芯熔化收集器入口为大栅板联箱底部的节流件，设计流量230kg/s，温度选取为大栅板联箱底部流体平均温度。

⑥氩气腔及旋塞区域

高温钠液面温度：540℃

低温钠液面温度：400℃

中心测量柱底面温度：540℃

生物屏蔽柱底面温度：540℃

支撑颈顶部温度：70℃

(5)确定计算模型及求解方法：钠池内结构复杂，流动几乎全部为湍流流动，计算过程考虑湍流效应对流动及换热的影响；

湍流模型选取标准k-ε模型、求解采用SIMPLE算法、离散方法采用二阶迎风，收敛度按所需精确度，稳态计算收敛目标拟设定为1e-6，瞬态计算收敛目标拟设置为1e-5，从而获得准确的计算求解结果。

(6)稳态计算方案：主要计算冷启动、热启动、换料工况的不同功率台阶工况；(7)在冷启动、热启动、换料工况的不同功率台阶工况下，钠池的主要技术路线：首先将经过网格无关性分析后选取的各部件网格导入，对热钠池、冷钠池、堆芯熔化收集器、主容器冷却系统、氩气腔及旋塞、电离室通道网格进行耦合。其次对计算模型进行边界条件、湍流模型、求解方法设置。设置完毕后进行稳态工况求解。若关键参数的计算误差小于限值，根据要求进行提资；若误差大于限值，更改边界条件、湍流模型、求解方法的设置参数，直到计算结果满足误差为止。(如图1所示)

(8)稳态计算方案校核与修正；

在对稳态工况进行计算后，将不同稳态工况进行对比，比较模型在不同载荷的稳态工况下，各个位置的温度、速度、压力的变化情况。一方面模拟冷启动工况进程，对比出功率对这些物理参数变化的影响；另一方面，计算结果与设计值、部分系统程序结果相对照，保证计算设置的合理性与正确性，是后续瞬态分析的重要参考。

经稳态计算分析确认计算设置的合理性与正确性之后，再进行瞬态事故计算分析。

(9)瞬态计算方案：

①预计运行事件-失给水事故瞬态：在预计运行事件-失给水瞬态工况下，钠池主要技术路线：首先将经过网格无关性分析后选取的各部件网格导入，对热钠池、冷钠池、堆芯熔化收集器、主容器冷却系统、氩气腔及旋塞、电离室通道网格进行耦合。其次将稳态工况的计算结果初始值导入。对计算模型进行边界条件、湍流模型、求解方法设置。设置完毕后进行瞬态工况求解。若关键参数的计算误差小于限值，根据要求进行失给水瞬态计算结果提资；若误差大于限值，更改边界条件、湍流模型、求解方法的设置参数，直到计算结果满足误差为止。(如图2所示)，

②一台一回路主循环停运，另一环路正常排余热的工况下，钠池主要技术路线：首先将经过网格无关性分析后选取的各部件网格导入，对热钠池、冷钠池、堆芯熔化收集器、主容器冷却系统、氩气腔及旋塞、电离室通道网格进行耦合。其次将稳态工况的计算结果初始值导入。对计算模型进行边界条件、湍流模型、求解方法设置。设置完毕后进行瞬态工况求解。若关键参数的计算误差小于限值，根据要求进行一台一回路主循环停运(另一环路正常排余热)瞬态计算结果提资；若误差大于限值，更改边界条件、湍流模型、求解方法的设置参数，直到计算结果满足误差为止。(如图3所示)：

③设计基准事故：一台一回路泵停运(失去厂外电)事故的工况下，钠池主要技术路线：首先将经过网格无关性分析后选取的各部件网格导入，对热钠池、冷钠池、堆芯熔化收集器、主容器冷却系统、氩气腔及旋塞、电离室通道网格进行耦合。其次将稳态工况的计算结果初始值导入。对计算模型进行边界条件、湍流模型、求解方法设置。设置完毕后进行瞬态工况求解。若关键参数的计算误差小于限值，根据要求进行一台一回路泵停运(失去厂外电)瞬态计算结果提资；若误差大于限值，更改边界条件、湍流模型、求解方法的设置参数，直到计算结果满足误差为止。(如图4所示)：

(10)计算结果分析与评价：对包括堆容器及堆内构件关键部位和堆内关键区域的温度分布、流速分布、压力分布的参数值进行分析与评价。

(11)验证校核计算：采用相似的网格、模型或计算方法完成对所有工况的计算验证。

Claims (4)

1.一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，其特征在于，建立三维热工流体计算模型，对钠冷快堆堆容器及堆内构件的典型工况进行计算，模拟典型工况下堆容器内的三维热工流体瞬态现象，主要包括：

(1)中国实验快堆CEFR设计运行工况及事故工况下的物理进程及关键现象分析；

(2)基于关键现象分析,对堆本体结构进行合理简化，从而完成关键设备与部件的简化及建模方案，具体包括：主容器、堆内支承、压力管部件、栅板联箱、堆芯、堆内屏蔽、径向热屏蔽、三层水平热屏蔽、一回路主循环泵支承及补偿器、中间热交换器支承及补偿器、独立热交换器支承及补偿器、堆芯熔化收集器、挤钠器、提升机通道、旋塞和中心测量柱；

(3)物理建模：热钠池、冷钠池、堆芯熔化收集器、主容器冷却系统、堆顶氩气空间及旋塞这些关键部件的分区解耦建模；

(4)网格划分及网格无关性分析：对上述关键部件分别进行网格划分，并生成多套网格，以进行无关性分析；

(5)确定关键边界条件设置：入口边界、出口边界、热源、冷源、多孔介质参数；

(6)确定计算模型及求解方法：湍流模型、收敛格式、差分格式；

(7)稳态计算方案：热启动、冷停堆；

(8)稳态计算方案校核与修正；

(9)瞬态计算方案：正常运行、预计运行事件、设计基准事故；

(10)计算结果分析与评价：包括堆容器及堆内构件关键部位和堆内关键区域的温度分布、流速分布、压力分布的参数值进行分析与评价；

(11)验证校核计算：采用相似的网格、模型或方法完成对所有工况的计算验证。

2.根据权利要求1所述一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，其特征在于，所述物理建模包括：

①热钠池：热池模型中，对中间热交换器、泵以及独立热交换器的一些精细的结构进行了一定程度上的简化，对生物屏蔽柱、换料区屏蔽区、中间热交换器(IHX)采用多孔介质模拟；

②冷钠池：冷钠池几何模型整体分为上下两个区域，中间被隔板隔开，冷池内分布有其支撑作用的16块肋板，这些肋板大部分都是中间开孔，使冷池空间保持贯通；

③堆芯及栅板联箱：堆芯作为热池的入口边界，简化为一个由活性区和非活性区组成的圆柱体，栅板联箱区域，仅起到流量分配的作用，将该区域简化为多孔介质；

④堆芯熔化收集器：堆芯熔化收集器与实际保持高度一致，其尺寸与堆原形部件一致，无简化；

⑤主容器冷却系统：主容器是一个焊接成的圆筒形容器，由底封头、支承环、支承筒、筒体、锥顶盖和支承颈构成，主容器筒体下部通过支承环与底封头连接，上部和锥顶盖连接，支承环有四个接口，分别与堆内支承、主容器支承筒、底封头及主容器的筒体焊接；

⑥堆顶氩气空间及旋塞：对钠液面以上氩气空间，两台主泵，四台独立热交换器和四台中间热交换器，提升机凸台，生物屏蔽柱以及大中小旋塞进行几何建模；忽略了泵、中间热交换器和独立热交换器的内部具体结构；略去了对整体影响不大的一些细小的孔。

3.根据权利要求1所述一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，其特征在于，所述网格划分网格无关性分析：由于堆本体结构庞大，堆内构件结构复杂，故而在进行建模、网格划分的时候，对整个结构进行了拆分，采用模块化建模的方式，在考虑兼顾整体网格质量和保证计算精度的情况下，总共将堆本体冷、热钠池部分拆分为热池、堆芯、冷池、主容器和底封头几部分；建模过程中对各部分进行了简化，再根据不同部分的特点，选取结构网格或者非结构网格的进行网格划分，对上述关键系统分别生成多套网格，以进行无关性分析。

4.根据权利要求1所述一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，其特征在于，所述确定计算模型及求解方法，由于钠池内结构复杂，流动几乎全部为湍流流动，计算过程考虑湍流效应对流动及换热的影响；因此，湍流模型选取标准k-ε模型、求解采用SIMPLE算法、离散方法采用二阶迎风，收敛度按所需精确度，稳态计算收敛目标拟设定为1e-6，瞬态计算收敛目标拟设置为1e-5，从而获得准确的计算求解结果。