CN111144054A - 一种氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环特性模化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环实验模化方法，包括：针对氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统划分控制体，建立包括质量、动量、能量在内的流体动力学方程，建立考虑热构件与流体耦合传热的边界方程。选定特征尺度，将氟盐流体动力学方程以及边界条件方程无量纲化；获得能够反应氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环特性的无量纲特征数组。依据非能动余排系统模化系统与原型系统无量纲特征数比值为1的原则，获得模化系统与原型系统主要特征参数的比例关系，设计原型系统与特征系统。分别对原型系统与模化系统开展自然循环特性稳态与瞬态分析，比较二者主要无量纲参数间的比例关系，验证了模化分析方法的合理性。

Description

一种氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环特性模化 方法

技术领域

本发明涉及核反应堆安全领域，特别涉及一种针对氟盐冷却高温堆余热排出系统实验的模化方法。

背景技术

氟盐冷却高温堆(FHRs)为第四代反应堆候选堆型之一，其具备更高的经济性、安全性、防核扩散特性等。作为第四代核反应堆，FHRs借助非能动余热排出系统设计突出非能动安全特征。FHRs在发生失流事故时，一回路主熔盐泵因故障惰转，堆芯余热不能借助一回路强迫循环带出；FHRs通过堆芯与非能动余排系统间建立自然循环，将堆芯衰变余热带出，从而保证反应堆的安全。开展氟盐冷却高温堆安全评审，需要系统程序能够开展FHRs事故工况下反应堆非能动余热排出能力分析，即能够对于FHRs系统DRACS(反应堆直接辅助冷却系统)系统与一回路形成的自然循环开展分析。因而在程序验证过程中，需要开展FHRsDRACS系统、一回路自然循环的整体效应实验研究，以便对所开发的系统程序进行验证。然而开展以氟盐FLiBe作为工质的FHRs非能动余热排出系统的自然循环特性实验面临较多挑战：1.氟盐腐蚀性强，需要采用耐腐蚀性的哈氏合金等结构材料，材料成本高昂；2.回路不能安装常用的阀门，实验工况改变较为困难；3.回路不能采用现有的压力、流量等关键参数测量设备，需要进行相关设备研发；4.反应堆非能动余热排出系统结构尺寸庞大，建设1：1比例的实验台架将对实验室空间、供电等基础设施提出极高的要求，普通实验室难以满足上述要求。针对上述问题，研究一种采用模拟流体作为介质，搭建缩比试验台架开展FHRs非能动余热排出系统实验具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统实验模化方法，包括：

步骤1：针对氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统划分控制体，以控制体为尺度建立包括质量、动量、能量在内的流体动力学方程，并建立考虑热构件与流体耦合传热的边界方程；

步骤2：选定合适的特征尺度，将氟盐流体动力学方程以及边界条件方程无量纲化；获得能够反应氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环特性的无量纲特征数组，所述无量纲特征数组包括若干组无量纲特征数；

步骤3：依据非能动余排系统的模化系统与原型系统每组无量纲特征数比值为1的原则，获得模化系统与原型系统主要特征参数(几何、动力参数等)的比例关系，并设计原型系统与模化系统；

步骤4：采用氟盐冷却高温堆安全分析程序RELAP-FHR分别对原型系统与模化系统开展自然循环特性稳态与瞬态分析，比较二者主要无量纲特征数间的比例关系，验证上述模化分析方法的合理性。

所述步骤1具体包括：

建立回路自然循环的流体动力学方程：

(1)非能动余热排出系统回路自然循环流量

——系统回路自然循环质量流量，kg/s

——系统输入功率，W

c_f0——系统参考控制体内流体平均比热容，J/(kg·K)

ΔT_hc——系统有热源输入部件总温升，(K)

(2)非能动余热排出系统回路控制体i内流体动量方程，

l_i——i控制体长度，m

t——时间，s

a_f，i——i控制体内流通面积，m²

ΔP——i控制体压差，Pa

ρ_f——流体密度，kg/m³

d_i——i控制体水力直径，m

f——摩擦阻力系数

对于氟盐冷却高温堆系统，冷却剂工质氟盐运行工况下为不可压缩流体，可以采用Boussinesq假设，即动量方程与能量方程内，忽略流体密度随温度与压力的变化，在动量方程的浮力项内，仍然考虑密度与温度的关系，式(2)变为：

ρ_f0——参考控制体流体平均密度，kg/m³

β——流体膨胀系数，1/K

T_f——流体温度，K

T_s——热构件温度，K

将上式(3)对于整个系统回路积分，则有：

K_i——i控制体形阻系数

考虑浮力项与温差的关系：

Δz_nc——回路自然循环高度，m

非能动余热排出系统回路动量方程积分为：

(3)流体控制体i与热构件控制体i能量方程分别为：

V_f，i——i控制体流体体积，m³

c_f，i——i控制体流体比热容，J/(kg·K)

T_f，i——i控制体流体温度，K

u_f，i——i控制体流体速度，m/s

l_j——i控制体起始坐标，m

l_j+1——i控制体尾坐标，m

Bi_i——i控制体毕渥数

h_f，i——i控制体对流换热系数，W/(m²·K)

T_s，i——i控制体热构件温度，K

a_w，i——i控制体壁面面积，m²

q″′_f，i——i控制体流体体积释热功率，W/m³

q″′_s，i——i控制体热构件体积释热功率，W/m³

V_s，i——i控制体热构件体积，m³

c_s，i——i控制体热构件比热容，J/(kg·K)

步骤2：

针对上述质量、动量、能量守恒方程，选定如下特征尺度：

其中：

a_f，0——参考控制体流体流通面积，m²

l₀——参考控制体长度，m

T₀——参考控制体流体平均温度，K

V_T——系统流体总体积，m³

T_H——系统热段流体平均温度，K

T_C——系统冷段流体平均温度，K

τ——系统自然循环流动时间，s

将式(9)代入式(6)、(7)与(8)，可获得无量纲动量、能量方程：

由式(11)-(13)获得适用于氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统的无量纲数组，在表1中给出。

表1氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环特性无量纲数组

步骤3：

氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统原型系统与模化实验系统需要满足几何相似、动量方程与能量方程相似，才能保证模化实验系统与原型系统自然循环特性相似：

式中：

为表1中的无量纲数。

由式(14)可得，氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统原型系统与模化实验系统热源输入部件进出口温差需要满足式(15)中的关系：

热源输入功率需要满足：

控制体内雷诺数需要满足：

特征时间尺度则需要满足：

氟盐冷却高温堆因发生冷却剂失去强迫循环事故，非能动余热排出系统依靠冷却剂自然循环作用导出堆芯余热时，冷却剂流速较低，处于层流。故控制体内对流传热系数h_f，i满足以下关系：

故热源输入部件进出口温差比值变为：

热源输入部件输入功率比值：

控制体内雷诺数比值：

依据式(14)、(20)-(22)等式确定的原型系统与模化实验系统确定的主要参数特征关系，选定模化流体与模化实验系统结构材料，基于设定的几何比例，设计与原型系统对应的模化实验系统，确定模化实验系统的主要参数。

步骤4：

针对步骤3建立的模化实验系统与原型系统，采用氟盐冷却高温堆安全分析程序RELAP-FHR，建立RELAP节点模型，开展氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统原型系统以及模化实验系统的稳态分析，分析步骤2中表1中的无量纲参数比值与理想值1的偏差；在此基础上开展原型系统与模化实验系统的瞬态分析，包括升功率、降功率以及功率周期变化等瞬态分析，比较二者系统特性参数如质量流量、温升的变化特性，当二者归一化特征参数变化规律重合时，则可验证上述设计的模化方法的合理性。

本方案是首个专门针对氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统的模化方法，采用本方法可以实现基于低温易操作模拟流体如导热油实现对高温腐蚀性强的氟盐系统的实验模拟，并且通过系统程序实现对模化参数的验证，保证了模化系统模拟原型系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统DRACS系统部分；

图2为图1中DRACS系统RELAP-FHR系统节点图；

图3为本发明实施例非能动余热排出系统原型体统与模化系统功率上升10％瞬态中归一化质量流量变化对比图；

图4为本发明实施例非能动余热排出系统原型体统与模化系统功率下降10％瞬态中归一化质量流量的变化对比图；

图5为本发明实施例非能动余热排出系统原型体统与模化系统功率周期变化瞬态(三角波)归一化质量流量对比图；

图6为本发明实施例非能动余热排出系统原型体统与模化系统功率周期变化瞬态(正弦波)归一化质量流量对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。

下面结合附图具体实施方式对本发明方法作进一步详细说明：

实施例

基于上述模化方法，实施例基于氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统建立模化实验系统。原型系统结构材料通常采用哈氏合金，冷却剂为氟盐FLiBe。实施例中模化系统采用成本低廉的304不锈钢为结构材料，以导热油Dowtherm A为工质。哈氏合金、FLiBe、304不锈钢以及导热油Dowtherm A的主要材料性能在表2与表3中给出。

为了更为清楚的说明本发明方法，实施例中以氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统中反应堆直接辅助冷却系统—DRACS系统为原型系统(如图1)。系统主要包括热源输入部件(对应DRACS换热器部件—DHX部分)、热阱部件(虹吸式换热器—TCHX)；热管以及冷管段分别连接热源与热阱部分；冷管部分包括连接管件以及流量计等部件。

以高度比1：2、流通面积比1：4建立模化系统。针对DRACS系统主要特征参数，依据式(14)-(22)可以获得模化系统与原型系统需要满足的比例关系。模化系统与原型系统的主要特征参数对应关系在表4中给出。模化系统与原型系统除了满足表4中的特征参数关系，其内部部件类型及连接方式也一一对应。加州大学伯克利分校设计的商用氟盐冷却高温堆MK1 PB-FHR非能动余热排出系统DRACS系统几何参数在表5给出。依据给出的满足表4特征参数比例，表5给出了模化系统的几何参数。

表2原型系统与模化系统采用的结构材料类型

材料	参考温度/℃	密度/kg·m<sup>-3</sup>	比热容/J·kg<sup>-1</sup>·℃<sup>-1</sup>	热导率/W·m<sup>-1</sup>·℃<sup>-1</sup>
					哈氏合金	600	8800	580	20.3
304不锈钢	60	8000	500	15.46

表3原型系统与模化系统采用的工质类型

表4原型及模化系统模化结果

表5原型系统与模化系统几何结构参数对比

采用氟盐冷却高温堆安全分析程序RELAP-FHR对原型系统与模化系统进行建模，划分节点。原型系统与模化系统的节点划分模式一致，图2给出了原型系统与模化系统的节点划分方式；图2中各标号的含义：301为热源输入部件入口管，300为热源输入部件，302为热源输入部件出口管，311为出口混合器连接管，310为出口混合器，320为连接管，330为热腿管，340为热阱入口管，400为膨胀槽，351为热阱管1，352为热阱管2，361为热阱出口管，360为质量流量计，370为冷腿管1，371为冷腿管2，380为冷腿管3，390为冷腿管4。

基于上述模化系统设计，实例中首先分析一种稳态工况：采用FLiBe工质的原型系统热源输入部件输入功率1.05E5W、热阱二次侧冷却温度边界为恒温。表6给出了原型系统与对应采用Dowtherm A为工质的模化系统的自然循环特性稳态分析结果。模化系统与原型系统的热源部件温升、质量流量、时间尺度以及速度尺度的比值均与表4中给出的设计值偏差较小。除了Biot数，表6中各个部件的主要无量纲参数比值均接近1。Biot数大小主要影响边界层温度分布，若Biot相似不能满足，则在边界层温度分布方面，原型系统与模化系统会存在较大偏差。在自然循环系统内，瞬态过程缓慢，且主要关注系统响应，因而Biot数相似方面存在的失真影响可以忽略。

实例中分析了原型系统与模化系统在热源输入功率动态变化工况的二者的响应特性。输入功率动态变化工况分为四种：1)原型系统在300秒时间段内输入功率上升10％；2)原型系统在300秒时间段内输入功率下降10％；3)原型系统输入功率呈三角波式周期变化，功率变化幅度为10％，周期为300秒；4)原型系统输入功率呈正弦波式周期变化，功率变化幅度为10％，周期为300秒。在上述四种工况下，模化系统功率变化幅度与原型系统一致，功率变化对应的时间段或周期为300×t_R。为进行原型系统与模化系统参数对比，实例定义了归一化参数：归一化质量流量为系统在上述瞬态工况下质量流量与表6中稳态流量的比值；归一化时间为以原型系统时间为标准时间，模化系统归一化时间t*为系统时间t考虑时间尺度t_R，t*＝t/t_R。图3-6给出了原型系统与模化系统在上述瞬态工况下归一化质量流量的变化特性。模化系统归一化质量流量与原型系统偏差均低于0.1％，表明采用导热油Dowtherm A为工质的模化系统与原型系统动态特性响应一致，模化系统可以较好的模拟原型系统，证明了本发明针对氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统模化方法的正确性。

表6模化模型与原型系统自然循环稳态特征参数与无量纲参数对比

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环实验模化方法，其特征在于，包括：

步骤1：针对氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统划分控制体，以控制体为尺度建立包括质量、动量、能量在内的流体动力学方程，并建立考虑热构件与流体耦合传热的边界方程；

步骤2：选定特征尺度，将氟盐的流体动力学方程以及边界条件方程无量纲化；获得适用于原型系统与模化系统的能够反应氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环特性的无量纲特征数组，所述无量纲特征数组包括若干组无量纲特征数；

步骤3：依据非能动余排系统的模化系统与原型系统每组无量纲特征数比值为1的原则，获得模化系统与原型系统主要特征参数的比例关系，并设计原型系统与模化系统。

2.根据权利要求1所述的氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环实验模化方法，其特征在于，还包括

步骤4：采用氟盐冷却高温堆安全分析程序RELAP-FHR分别对原型系统与模化系统开展自然循环特性稳态与瞬态分析，比较二者主要无量纲特征数间的比例关系，以验证上述步骤1-3模化分析方法的合理性。

3.根据权利要求1或2所述的氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环实验模化方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括：

建立回路自然循环的流体动力学方程：

(1)非能动余热排出系统回路自然循环流量

——系统回路自然循环质量流量，kg/s

——系统输入功率，W

c_f0——系统参考控制体内流体平均比热容，J/(kg·K)

ΔT_hc——系统有热源输入部件总温升，(K)

(2)非能动余热排出系统回路控制体i内流体动量方程，

l_i——i控制体长度，m

t——时间，s

a_f，i——i控制体内流通面积，m²

ΔP——i控制体压差，Pa

ρ_f——流体密度，kg/m³

d_i——i控制体水力直径，m

f——摩擦阻力系数

对于氟盐冷却高温堆系统，冷却剂工质氟盐运行工况下为不可压缩流体，可以采用Boussinesq假设，即动量方程与能量方程内，忽略流体密度随温度与压力的变化，在动量方程的浮力项内，仍然考虑密度与温度的关系，式(2)变为：

ρ_f0——参考控制体流体平均密度，kg/m³

β——流体膨胀系数，1/K

T_f——流体温度，K

T_s——热构件温度，K

将上式(3)对于整个系统回路积分，则有：

K_i——i控制体形阻系数

考虑浮力项与温差的关系：

Δz_nc——回路自然循环高度，m

非能动余热排出系统回路动量方程积分为：

(3)流体控制体i与热构件控制体i能量方程分别为：

V_f，i——i控制体流体体积，m³

c_f，i——i控制体流体比热容，J/(kg·K)

T_f，i——i控制体流体温度，K

u_f，i——i控制体流体速度，m/s

l_j——i控制体起始坐标，m

l_j+1——i控制体尾坐标，m

Bi_i——i控制体毕渥数

h_f，i——i控制体对流换热系数，W/(m²·K)

T_s，i——i控制体热构件温度，K

a_ω，i——i控制体壁面面积，m²

q″′_f，i——i控制体流体体积释热功率，W/m³

q″′_s，i——i控制体热构件体积释热功率，W/m³

V_s，i——i控制体热构件体积，m³

c_s，i——i控制体热构件比热容，J/(kg·K)。

4.根据权利要求3所述的氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环实验模化方法，其特征在于，步骤2：

针对上述质量、动量、能量守恒方程，选定如下特征尺度：

其中：

a_f，0——参考控制体流体流通面积，m²

l₀——参考控制体长度，m

T₀——参考控制体流体平均温度，K

V_T——系统流体总体积，m³

T_H——系统热段流体平均温度，K

T_C——系统冷段流体平均温度，K

τ——系统自然循环流动时间，s

将式(9)代入式(6)、(7)与(8)，可获得无量纲动量、能量方程：

表1氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环特性无量纲特征数组

由式(11)-(13)获得适用于氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统的无量纲特征数组，在表1中给出。

5.根据权利要求4所述的氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环实验模化方法，其特征在于，步骤3：

氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统原型系统与模化实验系统需要满足几何相似、动量方程与能量方程相似，才能保证模化实验系统与原型系统自然循环特性相似：

式中：

为表1中的无量纲数。

由式(14)可得，氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统原型系统与模化实验系统热源输入部件进出口温差需要满足式(15)中的关系：

热源输入功率需要满足：

控制体内雷诺数需要满足：

特征时间尺度则需要满足：

氟盐冷却高温堆因发生冷却剂失去强迫循环事故，非能动余热排出系统依靠冷却剂自然循环作用导出堆芯余热时，冷却剂流速较低，处于层流，故控制体内对流传热系数h_f，i满足以下关系：

故热源输入部件进出口温差比值变为：

热源输入部件输入功率比值：

控制体内雷诺数比值：

依据式(14)、(20)-(22)等式确定的原型系统与模化实验系统确定的主要参数特征关系，选定模化流体与模化实验系统结构材料，基于设定的几何比例，设计与原型系统对应的模化实验系统，确定模化实验系统的主要参数。

6.根据权利要求5所述的氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环实验模化方法，其特征在于，步骤4：

针对步骤3建立的模化实验系统与原型系统，采用氟盐冷却高温堆安全分析程序RELAP-FHR，建立RELAP节点模型，开展氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统原型系统以及模化实验系统的稳态分析，分析步骤2中表1中的无量纲特征数比值与理想值1的偏差；在此基础上开展原型系统与模化实验系统的瞬态分析，包括升功率、降功率以及功率周期变化瞬态分析，比较二者系统特性参数的变化特性，当二者归一化特征参数变化规律重合时，则可验证上述设计的模化方法的合理性。

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