不同工况下APWR反应堆的数值传热计算.pdf

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1、第39卷第l期化工机械不同工况下APWR反应堆的数值传热计算李媛媛4张敏刘会娟(南京理工大学动力工程学院)摘要在非结构化网格中，采用有限容积法计算先进型压水堆(APwR)圆柱体裸堆的传热状况。在3种不同热边界条件下．采用一体化方法模拟反应堆的热力场。通过比较计算结果，可以评判先进反应堆固有安全性的能力，为核工程的设计研究提供了参考。关键词先进型压水反应堆非均匀加热数值计算中图分类号TQ021．3文献标识码A文章编号0254—6094(2012)0lJ0069拼对于均匀裸堆而言，反应堆释热方程是可以直接求解的⋯。在先进型压水堆(AdvancedPres．sureWaterR

2、eactor，APwR)中，由于非均匀活性区内有燃料、慢化剂和其他材料，且存在控制棒的插入及燃料浓缩度的变化等因素，中子通量的分布会受到扰动，此时确定精确的中子通量分布极为复杂口·。但是在燃料元件数量很多的非均匀堆活性区内，采用均匀堆的解来计算总的通量分布时误差并不大¨“’。笔者在非结构化网格中采用有限容积法计算先进型压水堆(APwR)圆柱体裸堆的温度分布。该堆型具有不均匀内热源的分布，径向为贝塞尔函数分布，轴向为余弦函数分布旧o。在不同工况条件下采用一体化方法模拟堆体的热环境：第1种以恒壁温来模拟一种非正常工况；第2种以绝热壁模拟失水事故工况；第3种以对流换热模拟实际运

3、行中核反应堆的状况。1堆内释热率的分布方程在动力反应堆内燃料元件为圆柱体棒状元件，并形成圆柱体裸堆。热扩散问题可用圆柱坐标系的导热微分方程求解，其表达式为：对于圆柱形的均匀裸堆，热中子通量在堆芯径向为贝塞尔函数分布，在堆芯轴向是余弦函数分布，其分布函数为¨。]：∞∽砘厶(警)cos(爱)(2)式中机——堆芯轴向几何中心的中子通量；R。——堆芯外推半径；厶——零阶贝塞尔函数；日．——堆芯外推高度。因此，堆芯内单位体积的释热率分布函数为：“Ⅲ)_q州半)cos(詈)(3)式中9帕——堆芯轴向几何中心的最大体积释热率。对于均匀装载的非均匀堆，特别是采用低浓缩的二氧化铀细棒或薄片

4、元件的压水堆，在不考虑干扰的裸堆情况下，堆内的宏观功率分布与式(3)相同。对于大型压水反应堆可以忽略外推长度的影响，近似的取R=尺．、日=日。。对于均匀裸堆内热中子或热通量分布，可以采用：÷軎(r警)+害+÷“即)=。(1)币。／辜．：q，。卮：3．“(4)式中g，——反应堆单位体积的释热率，w／m3；_

5、}——反应堆的当量热导率，W／(m·K)。式中事，——堆芯的平均热中子通量；弓，——堆芯的平均体积释热率。·李媛嫒，女。1987年3月生．硕士研究生。江苏省南京市，210094。化工机械2012年2先进型压水堆AC．600的物理描述先进型压水堆Ac．600是一座双环路的

6、压水堆，反应堆设计热功率为l930Mw，工作压力为15．5MPa，堆芯人口处水的温度为292．8℃，出口处温度为327．2℃，堆芯高3．658m，当量直径为2．922m”‘61。堆芯包括145组燃料组件，燃料组件采用17×17-25根棒的布置，燃料组件中心距为215mm，堆芯装铀量66．8t。初装燃料加浓度为3．o％、2．5％和2．0％(质量分数)，平衡加浓度为3．6％，堆芯平均体积功率密度78．69kw／L，燃料元件平均线功率为13．42kw／m。3堆内温度场的数值求解笔者依照先进型压水堆Ac-600为原型，采用一体化方法进行数值模拟。在非结构化网格中，用有限容积法对堆

7、芯热环境进行数值模拟，堆芯的几何尺寸选择圆柱体为日=3．7m和R=1．5m，计算网格单元为12062。3．1恒壁温条件下温度场求解壁温恒定的工况可以认为是反应堆非正常运行，即没有对流换热而只有纯粹导热，其边界条件为：n—rL=rI+二百l(。+肭)，r=屁(5)r懈=L；673K，L帅．=L=593K(6)堆平均功率g．=78．69kw／m3，当量导热系数々=150w／(m·K)。图1、2分别给出了温度场分布云图和沿堆芯轴向不同半径处的温度变化曲线。从图中可以看出，堆芯上部为最高温度区，最高温度约为l2llK。单位：K譬越锺图2沿堆芯轴向不同半径处的温度变化3．2绝热边界

8、条件下温度场求解绝热壁工况可以认为是反应堆失水事故运行时的情况。失水事故一旦发生，熔堆和燃料包壳破裂事件随时可能引发。因此，反应堆的安全设施必须合理设计以杜绝此类现象的发生。顶部和底部的边界条件与第1种工况下边界条件的参数相同，圆柱体周边为绝热壁面。图3、4给出了此参数下，温度场分布云图和沿堆芯轴单位：KI黧图3第2种热边界条件下裸堆的温度场分布囤l第1种热边界条件下裸堆的温度场分布图4沿堆芯轴向不同半径处的温度变化耕诺蝴啪擀嘲咻m”呲眦拼H囵—■■■■_第39卷第l期化工机械7l向不同半径处的温度变化曲线。从图中可以看出，堆