鄒 鵬 王建軍 葛增芳 王怡明

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001）

在核反應(yīng)堆中，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Control Rod Drive Mechanism, CRDM)是一種步進(jìn)式的提升機(jī)構(gòu)，用來(lái)使控制棒組件在堆芯內(nèi)提起、插入或保持在適當(dāng)位置，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性控制功能。在目前的壓水核反應(yīng)堆中，使用最為普遍、技術(shù)最為成熟的是磁力提升式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要由耐壓殼組件、鉤爪組件、驅(qū)動(dòng)桿組件、線圈組件、棒位探測(cè)器組件和上風(fēng)罩等部分組成[1]。核反應(yīng)堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)研究表明，影響控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命及工作性能的主要因素有運(yùn)行溫度、工作壓力和工作載荷等[2]。磁力提升式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈在通電過(guò)程中將釋放出熱量，另外CRDM與一回路冷卻劑接觸，也會(huì)有一部分熱量由冷卻劑傳給CRDM，如果缺乏合適的冷卻措施，可能導(dǎo)致線圈的溫度超過(guò)線圈組件中線圈所能承受的最高溫度，這將使得線圈組件的功能退化或失效，甚至造成線圈燒毀。目前核電廠中主要通過(guò)設(shè)置風(fēng)機(jī)，利用空氣強(qiáng)迫對(duì)流換熱，來(lái)控制控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈的溫度[3]，與采用空氣自然循環(huán)冷卻的方式相比，耗能較大且安全性偏低。隨著 AP1000、EPR為代表的第三代核反應(yīng)堆技術(shù)的提出和發(fā)展，對(duì)CRDM的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了一些改進(jìn)，例如在EPR設(shè)計(jì)中，取消了強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備和通風(fēng)罩，僅通過(guò)自然對(duì)流散熱來(lái)實(shí)現(xiàn)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、特別是線圈的冷卻，并能有效地控制線圈溫度維持在合理的范圍內(nèi)[4]。

目前國(guó)內(nèi)外只有少數(shù)文獻(xiàn)對(duì) CRDM群全場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)模擬分析，并且這些文獻(xiàn)一般都將單根CRDM簡(jiǎn)化成柱狀幾何結(jié)構(gòu)[5]，更為重要的是，這些文獻(xiàn)都是針對(duì)于強(qiáng)制通風(fēng)冷卻這種方式進(jìn)行研究。受此啟發(fā)，本文在對(duì)單根CRDM精細(xì)建模的基礎(chǔ)上，針對(duì)于空氣自然循環(huán)冷卻這種方式，首次嘗試對(duì)壓水堆CRDM群進(jìn)行全場(chǎng)的數(shù)值模擬，對(duì)CRDM采用自然循環(huán)冷卻的可行性進(jìn)行了研究。

1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

考慮所研究的CRDM群在幾何上的相似性，本文首先利用PRO/E三維實(shí)體建模軟件[6]，建立計(jì)算區(qū)域中單根CRDM的幾何模型，并對(duì)幾何模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)谋Ｊ匦院?jiǎn)化，所建立的單根CRDM幾何模型如圖1所示。

圖1 單根CRDM幾何模型Fig.1 Geometry model of a single CRDM.

在圖1的幾何結(jié)構(gòu)中，為了兼顧考慮計(jì)算資源、計(jì)算效率和計(jì)算目的之間的平衡，本文建立CRDM三維幾何實(shí)體模型時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理：

(1) 考慮到CRDM為一端封閉的結(jié)構(gòu)形式，且固體結(jié)構(gòu)之間的水隙十分狹窄，因此冷卻劑在水隙中幾乎處于滯止?fàn)顟B(tài)[7]，CRDM內(nèi)各固體部分以及CRDM 與冷卻劑之間的熱量傳遞方式主要依靠導(dǎo)熱，在幾何簡(jiǎn)化中將水隙中的流體當(dāng)作固體處理；

(2) 由于金屬的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于冷卻劑水，在三維全場(chǎng)幾何建模過(guò)程中，忽略了CRDM耐壓殼內(nèi)部的磁極和拆卸桿等金屬結(jié)構(gòu)，認(rèn)為局部磁極、拆卸桿等位置處均充滿冷卻劑；

(3) 考慮到CRDM內(nèi)部腔室材料界限明顯，且種類較少，沒(méi)有直接對(duì)CRDM內(nèi)部腔室進(jìn)行幾何建模和劃分網(wǎng)格，而是通過(guò)編寫(xiě)UDF程序的手段，直接將對(duì)應(yīng)幾何區(qū)域上物質(zhì)的熱物性賦予腔室內(nèi)的對(duì)應(yīng)物質(zhì)，從而既簡(jiǎn)化了幾何結(jié)構(gòu)，又充分考慮了不同位置處物質(zhì)的物性區(qū)別。CRDM內(nèi)部熱導(dǎo)率如圖2所示。

圖2 CRDM內(nèi)部熱導(dǎo)率圖Fig.2 Internal thermal conductivity of the CRDM group.

在單根CRDM周圍建立四個(gè)輔助面，每個(gè)輔助面位于相鄰CRDM的中間位置上，然后利用ICEM軟件，對(duì)該幾何劃分 block塊。這些輔助面在FLUENT中將會(huì)被定義成 interior邊界，因此它們不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。

對(duì)如圖 3(a)所示的單根 CRDM的幾何模型及block塊，進(jìn)行陣列、拉伸，同時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)牟紶栠\(yùn)算，如圖3(b)所示，建立由CRDM群、壓力容器頂蓋以及附近的空氣域組成的計(jì)算區(qū)域幾何模型及block塊。

通過(guò)對(duì)所建立的CRDM進(jìn)行陣列、拉伸，同時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)膸缀尾紶栠\(yùn)算，建立由CRDM群、壓力容器頂蓋以及附近的空氣域組成的計(jì)算區(qū)域幾何模型?；谒⒌挠?jì)算域幾何模型，本文利用ICEM-CFD[8]，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。為了確保計(jì)算結(jié)果的有效性，需要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，本文選取三種線圈的平均溫度作為評(píng)價(jià)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 線圈平均溫度圖Fig.4 Average temperature of coils.

由圖 4中的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)約為1677萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果滿足了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，因此在后續(xù)計(jì)算中本文都采用了該套網(wǎng)格，其網(wǎng)格剖分結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 全場(chǎng)網(wǎng)格圖Fig.5 Mesh structure of the whole computational domain.

2 計(jì)算模型

考慮到所計(jì)算區(qū)域內(nèi)空氣的自然對(duì)流流動(dòng)具有低速、壓力變化小等特點(diǎn)，因此在對(duì)CRDM群附近區(qū)域進(jìn)行三維整體流場(chǎng)計(jì)算模擬時(shí)，選擇基于壓力的求解器。空間的離散格式選擇二階迎風(fēng)格式。選擇Body Forced Weighted格式作為壓力插值方案[9]。在自然對(duì)流流動(dòng)中，通常采用 Ra數(shù)作為判別層流向湍流轉(zhuǎn)變的依據(jù)，初步計(jì)算結(jié)果表明，本文所關(guān)心的流場(chǎng)中Ra108，因而本文選用層流模型。

如圖3(b)所示，在CRDM群徑向最外側(cè)即為外部通風(fēng)罩，通風(fēng)罩與壓力容器之間即為空氣的進(jìn)口，本文將其設(shè)置為壓力進(jìn)口；考慮到CRDM貫穿壓力容器，且其內(nèi)部與一回路冷卻劑直接接觸，為保守起見(jiàn)，本文認(rèn)為CRDM與壓力容器頂部相交的面為315 °C的恒溫壁面；此外，鑒于壓力容器頂部覆蓋有保溫層，壓力容器頂部與空氣接觸部分的溫度設(shè)為60 °C。外風(fēng)罩壁面溫度設(shè)為40 °C。空氣流域頂部設(shè)為壓力出口。通過(guò)編寫(xiě)UDF程序的手段，給夾持線圈、移動(dòng)線圈、提升線圈分別賦予相應(yīng)的熱量值。

在低速的自然對(duì)流流動(dòng)中，流場(chǎng)中壓強(qiáng)變化很小，因此空氣的密度可以選擇為Boussinesq模型，空氣的粘度則按照Sutherland定律進(jìn)行求解。水、空氣、奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)均按照分段線性的方式進(jìn)行擬合。

在室溫環(huán)境中，當(dāng)CRDM處于提升、步進(jìn)、下降這三種狀態(tài)中的下降狀態(tài)時(shí)，線圈發(fā)熱量是最大的。為了保守起見(jiàn)，本文將認(rèn)為所有CRDM均長(zhǎng)時(shí)間處于下降狀態(tài)下。

3 結(jié)果分析

當(dāng)CRDM群處于持續(xù)下插狀態(tài)時(shí)，在由CRDM群、周圍空氣流域及壓力容器頂蓋外壁所構(gòu)成的計(jì)算區(qū)域內(nèi)，選取過(guò)壓力容器軸線的橫截面來(lái)研究溫度場(chǎng)的分布特性，圖6給出了該截面上的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果云圖。

圖6 整體溫度場(chǎng)溫度截面Fig.6 Temperature distribution on the computation domain section.

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)CRDM群處于持續(xù)下降狀態(tài)時(shí)，CRDM群外部流域中的空氣主流溫度變化較小，CRDM群外部空氣主流區(qū)域的溫度大部分低于60 °C。與CRDM群外部空氣主流區(qū)域相比，在上風(fēng)罩內(nèi)的空氣溫度相對(duì)高得多。這主要是因?yàn)樯巷L(fēng)罩的設(shè)置，構(gòu)建了空氣的流動(dòng)通道，有利于風(fēng)罩內(nèi)的空氣與外圍主流空氣形成自然循環(huán)流動(dòng)，促進(jìn)了CRDM熱量的向外傳遞。圖7的計(jì)算結(jié)果表明，在三維全場(chǎng)模擬條件下，線圈的最高溫度約為198 °C，低于線圈的允許溫度限制值(200 °C)[1]。

圖7 線圈溫度截面Fig.7 Temperature distribution on the coil.

如前面所述，本文在幾何建模過(guò)程中，對(duì)CRDM進(jìn)行了適當(dāng)?shù)谋Ｊ匦院?jiǎn)化；此外，CRDM不可能全部都長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)處于下降狀態(tài)。因此，在實(shí)際運(yùn)行情況中，CRDM 線圈最高溫度將不超過(guò)198 °C。

為了進(jìn)一步確定在計(jì)算域內(nèi)溫度最高線圈所在的CRDM位置，沿CRDM高度方向，在夾持線圈、移動(dòng)線圈和提升線圈位置處，分別選取三個(gè)水平截面，圖8給出了這三個(gè)截面上線圈的溫度分布特性。

圖8 夾持線圈(a)、移動(dòng)線圈(b)和提升線圈(c)溫度云圖Fig.8 Temperature distribution of the SGC (a), MGC (b) and LC (c).

圖8中的計(jì)算結(jié)果顯示，從CRDM群徑向位置看，夾持線圈、移動(dòng)線圈的溫度最高值都出現(xiàn)在CRDM群分布區(qū)域的中心位置；提升線圈的溫度最高值出現(xiàn)在中心與邊角處；在三組線圈中，線圈溫度的最低值均出現(xiàn)在中心和外圍區(qū)域之間的位置。計(jì)算結(jié)果同樣表明，處于分布區(qū)域中間位置的CRDM線圈，其線圈溫度反而比外圍線圈的溫度要低一些，其原因主要有三點(diǎn)：

(1) 處于CRDM群分布區(qū)域內(nèi)部的空氣受周圍CRDM線圈加熱，其溫度相對(duì)較高，其密度也相對(duì)低一些，在基本不變的主流空氣溫度作用下，形成的空氣自然對(duì)流相對(duì)比較強(qiáng)烈，其對(duì)流換熱能力略強(qiáng)；如圖9(a)所示，處于分布區(qū)域中心位置的空氣速度最高，超過(guò)0.9m·s?1；在分布區(qū)域的中間位置，空氣速度超過(guò)0.49m·s?1；在CRDM群外圍附近，空氣主流的速度介于0.12–0.49m·s?1；在CRDM群最外圍處，空氣的溫度甚至低于 0.12m·s?1。由于CRDM群外圍的空氣流速較低，空氣自然對(duì)流也相對(duì)較弱，因此位于分布區(qū)域最外圍的CRDM，其線圈溫度偏高。

(2) 另一個(gè)原因在于CRDM的排列方式是中間有部分通流區(qū)域，這為空氣提供了上升通道，促進(jìn)了對(duì)流，這也是位于分布區(qū)域中間位置的CRDM線圈溫度較低的一個(gè)重要原因。

(3) 由于壓力容器頂部接近球形，不同位置處的 CRDM，其線圈與壓力容器頂蓋的距離也會(huì)不同。與位于中心位置處的CRDM相比較，外圍處的CRDM線圈距離壓力容器頂部距離較遠(yuǎn)，冷卻劑通過(guò)導(dǎo)熱傳向線圈的熱量較少，從而影響線圈溫度。位于中心位置處的CRDM，冷卻劑通過(guò)導(dǎo)熱傳向線圈的熱量較高，所以在圖8中，中心位置的線圈溫度是最高的。

圖9 橫截面(a)和縱截面(b)速度分布云圖Fig.9 Velocity distribution on the cross section (a) and vertical section (b).

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用FLUENT軟件，對(duì)CRDM群及其附近空氣區(qū)域的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了三維全場(chǎng)模擬，通過(guò)分析得到以下結(jié)論：

(1) 整體而言，位于中心位置處的CRDM的線圈溫度最高，位于最外圍位置處的CRDM的線圈溫度其次，而位于中心和外圍區(qū)域之間的CRDM線圈溫度最低。影響線圈溫度分布的因素主要包括空氣自然循環(huán)能力、一回路水溫以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。

(2) 在CRDM群分布區(qū)域中預(yù)留相應(yīng)的空氣上升通道，能有效促進(jìn)空氣的自然對(duì)流，并對(duì)通道附近的CRDM進(jìn)行有效冷卻。

(3) 計(jì)算結(jié)果表明各CRDM群線圈的最高溫度不超過(guò)198°C，低于限制溫度(200°C)，對(duì)所研究的CRDM群采用全自然循環(huán)冷卻方式是可行的。本文分析結(jié)果可為新型CRDM群分布設(shè)計(jì)提供參考。

1 蘇林森, 楊輝玉, 王復(fù)生, 等. 900 MW 壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M]. 北京: 原子能出版社, 2004: 70–72

SU Linsen, YANG Huiyu, WANG Fusheng, et al. The system and equipment of the 900 MW pressurized water reactor nuclear power plant[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2004: 70–72

2 鄭海峰, 鐘艷敏, 王源, 等. 先進(jìn)堆長(zhǎng)壽命控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)熱態(tài)壽命考驗(yàn)[J]. 核動(dòng)力工程, 2002, 23(2): 70–73

ZHENG Haifeng, ZHONG Yanmin, WANG Yuan, et al. Longeval control rode drive mechanism hot life test for advance pressurized water reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2002, 23(2): 70–73

3 彭航, 許厚明, 李紅鷹, 等. 600 MW 核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)風(fēng)冷試驗(yàn)[J]. 核動(dòng)力工程, 2000, 21(3): 193–196

PENG Hang, XU Houming, LI Hongying, et al. Air cooling test of control rod drive mechanism principle sample on 600 MW NPP[J]. Nuclear Power Engineering, 2000, 21(3): 193–196

4 蘭銀輝, 熊少陽(yáng), 尤磊, 等. 壓水堆核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)金屬材料設(shè)計(jì)[J]. 熱處理技術(shù)與裝備, 2011, 32(6): 24–28

LAN Yinhui, XIONG Shaoyang, YOU Lei, et al. The metallic material design of pressurized water reactor control rod drive mechanism[J]. Heat Treatment Technology and Equipment, 2011, 32(6): 24–28

5 于浩, 翁羽, 馮少東, 等. CAP1000 一體化堆頂組件風(fēng)冷系統(tǒng)流場(chǎng)分析[J]. 核技術(shù), 2013, 36(4): 040624

YU Hao, WENG Yu, FENG Shaodong, et al. CAP1000 integrated head package airflow system fluid field analysis[J]. Nuclear Techniques, 2013, 36(4): 040624

6 張瑞萍. Pro/ENGINEER Wildfire 5.0中文版標(biāo)準(zhǔn)教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2011: 252–284

ZHANG Ruiping. Pro/ENGINEER Wildfire version 5.0 standard tutorial[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2011: 252–284

7 Brian Paul Coombs. An investigation of alternative cooling methods for a control rod drive mechanism coil stack assembly[D]. Rensselaer Polytechnic Institute, 2009

8 ANSYS INC. Introduction to ANSYS ICEM CFD[CP]. Pennsylvania USA, 2010, 12

9 ANSYS INC. ANSYS 14.0 FLUENT User’s Guide[CP]. Pennsylvania USA, 2011, 10: 813–818