钠冷快堆堆芯捕集器设计优化数值研究.pdf
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1、第 卷第期原子能科学技术V o l ,N o 年月A t o m i cE n e r g yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA p r 钠冷快堆堆芯捕集器设计优化数值研究曹胜,张斌,王文鹏,单建强,(西安交通大学 能源与动力工程学院,陕西 西安 ;西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室,陕西 西安 )摘要:堆芯捕集器是为有效分散堆芯熔融物并防止压力容器下封头与熔体大规模接触而被破坏的非能动预防和缓解装置.在钠冷快堆(S F R)中,堆芯捕集器的结构直接影响碎片床的堆积形状和分布,进而影响碎片床的再临界性和长期衰变热去除能力.本文针对堆芯捕集器的结
2、构设计优化开展数值研究,重点关注其烟囱结构设计对碎片床形成和分布的影响机理及规律.基于无量纲刚度系数和无量纲阻尼系数改进离散元法(D EM),通过改变堆芯捕集器烟囱顶盖垂直投影边长、顶盖倾斜角度和烟囱间距,研究碎片颗粒的运动和碎片床的形成行为.结果表明,堆芯捕集器的烟囱顶盖垂直投影边长、烟囱顶盖倾角和烟囱间距对碎片床的堆积形状和分布均有重要影响,碎片颗粒的二次散射对于改善碎片床的均匀性至关重要.关键词:钠冷快堆;堆芯捕集器;离散元法;碎片床中图分类号:T L 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:;修回日期:通信作者:张斌d o i:/y z k y o u x i a n N u m e r
3、 i c a l S t u d yo nD e s i g nO p t i m i z a t i o no fS o d i u m c o o l e dF a s tR e a c t o rC o r eC a t c h e rC AOS h e n g,Z HANGB i n,WANG W e n p e n g,S HANJ i a n q i a n g,(S c h o o l o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n
4、,C h i n a;S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM u l t i p h a s eF l o wi nP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n ,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ee v e n t o f c o r ed i s a s s e m b l ya c c i d e n t(C D A)i nas o d i u m c o o l e d f a s t r e a c t
5、o r(S F R),t h em o l t e n m a t e r i a lf r o mt h ec o r em i g r a t e sa n di n t e r a c t sw i t ht h el o w t e m p e r a t u r ec o o l a n t i nt h e l o w e rp l e n u m,r e s u l t i n gi nt h ef o r m a t i o no fc o r ed e b r i st h a te v e n t u a l l ys e t t l e st of o r m sad e
6、 b r i sb e d I m p r o p e rp l a c e m e n ta n di n a d e q u a t ec o o l i n go ft h ed e b r i sb e dc a nr e s u l t i nt h e f a i l u r eo f t h ep r e s s u r ev e s s e l T oe f f i c i e n t l yd i s p e r s e t h ec o r ed e b r i sa n dm i n i m i z ec o n t a c tb e t w e e nt h e l o
7、 w e rh e a do f t h ep r e s s u r ev e s s e l a n dt h em o l t e nm a t e r i a l,a c o r e c a t c h e rw a s s p e c i f i c a l l yd e s i g n e da s ap a s s i v ep r e v e n t i v e a n dm i t i g a t i n gd e v i c e T h e s t r u c t u r eo f t h e c o r e c a t c h e rd i r e c t l y i m
8、 p a c t s t h e s h a p e a n dd i s t r i b u t i o no f t h ed e b r i sb e d,w h i c hs u b s e q u e n t l ya f f e c t s i t sr e c r i t i c a l i t ya n dl o n g t e r md e c a yh e a tr e m o v a lc a p a b i l i t y T h i ss t u d ya i m st o p e r f o r m a n u m e r i c a li n v e s t i
9、g a t i o nt oo p t i m i z e t h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ec o r ec a t c h e r,w i t has p e c i f i cf o c u so nt h em e c h a n i s m sa n d l a w so f t h ec h i m n e ys t r u c t u r eo f t h ec o r ec a t c h e ro nt h e f o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no f t h ed e
10、 b r i sb e d T h e i m p r o v e dd i s c r e t e e l e m e n tm e t h o d(D EM),w h i c h i sb a s e do nd i m e n s i o n l e s ss t i f f n e s sa n dd i m e n s i o n l e s sd a m p i n gc o e f f i c i e n t s,w a se m p l o y e dt on u m e r i c a l l ys i m u l a t e t h e f o r m a t i o np
11、 r o c e s so f t h ed e b r i sb e do nt h ec o r ec a t c h e r T h i sm e t h o di n c o r p o r a t e ss o u r c et e r m si n t ot h em o m e n t u me q u a t i o no fd e b r i sp a r t i c l e st oa c c o u n tf o rt h ei n f l u e n c eo fc o o l a n to nt h e i r m o t i o n V a l i d a t i
12、o ne x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e dt ov e r i f yt h ec a p a b i l i t yo f t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na l g o r i t h mu s e di no p t i m i z i n gt h ed e s i g no f t h ec o r ec a t c h e r I nt h i sp a p e r,t h ee f f e c t so f t h r e e f a c t o r so np a r t
13、 i c l em o t i o na n dd e b r i sb e df o r m a t i o nm e c h a n i s m sw e r ei n v e s t i g a t e db yv a r y i n gt h ev e r t i c a lp r o j e c t i o ns i d e l e n g t ho f t h ec h i m n e yc o v e r,i n c l i n a t i o na n g l eo f t h ec o v e r,a n ds p a c i n gb e t w e e nc h i m
14、n e y s T h er e s e a r c hf i n d i n g ss u g g e s tt h a tt h es e l e c t i o no fa p p r o p r i a t ev a l u e s f o r t h e s ep a r a m e t e r sh a s as u b s t a n t i a l i m p a c t o nt h e s h a p ea n dd i s t r i b u t i o no f t h ed e b r i sb e d T h e r e f o r e,i t i s r e c
15、o mm e n d e d t oe s t a b l i s hr e a s o n a b l e c h i m n e yd e s i g np a r a m e t e r s t oa c h i e v eo p t i m a lp e r f o r m a n c e i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s F u r t h e r m o r e,t h i ss t u d yr e v e a l s t h a td u r i n gt h ef o r m a t i o no f t h ed e b
16、 r i sb e d,t h ed e b r i sp a r t i c l e sd e m o n s t r a t eas e c o n d a r ys c a t t e r i n ge f f e c t,w h i c hp l a y sav i t a l r o l e i ne n h a n c i n gt h eu n i f o r m i t yo f t h ed e b r i sb e d T h i ss t u d yw i l lp r o v i d ev a l u a b l ee n g i n e e r i n gr e f
17、e r e n c e sf o ro p t i m i z i n gt h ed e s i g no f t h ec o r ec a t c h e r K e yw o r d s:s o d i u m c o o l e df a s t r e a c t o r;c o r ec a t c h e r;d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d(D EM);d e b r i sb e d钠冷快堆(S F R)堆芯解体事故(C D A)可能对堆内构件和压力容器造成严重损害,是放射性包容与纵深防御的重要安全隐患.当熔融物下降并与下腔室中
18、较低温度的冷却剂接触后,会骤冷形成放射性碎片,最终沉降在反应堆下腔室形成碎片床.若碎片床没有被妥善地滞留和冷却,可能导致压力容器失效.因此,钠冷快堆中设计了堆芯捕集器作为预防与缓解装置,用于收集和容纳熔融物碎片,以尽可能地实现对碎片床的长期冷却,确保主容器的完整性.目前已有不少学者研究了碎片床的冷却特性和堆芯捕集器的性能.S u d h a等通过数值传热分析估算了钠冷快堆在无保护失流事故(U L O F A)和热阱丧失事故(P L OH S)下熔融物转移到堆芯捕集器的最短和最长时间,这些估算时间对于堆芯捕集器的性能设计具有重要的参考意义.D a v i d等分析了S F R池内自然对流的瞬态发
19、展,并评估了不同堆芯熔化场景下堆芯捕集器底板的最高温度.R o y c h o w d h u r y等使用一维模型证明了印度原型快堆(P F B R)能够安全消除 个组件融化带来的放射性衰变热.V l a s i c h e v等使用S T O B E O代码对B N 捕集器上的碎片床开展了数值分析,并评估出碎片床内的最高温度低于燃料沸腾温度.在许多研究中碎片床的形状是任意选择的,如圆柱形、圆锥形、高斯形、堆状、圆锥状或同向堆积.然而,碎片床的形状和分布很重要,它是防止碎片床重返临界和衰变热长期冷却的关键影响因素.一些快堆在设计和建造阶段就依据反应堆特征对堆芯捕集器进行了优化.例如,英国D
20、o u n r e a y快堆的下腔室中设计了燃料分散锥和防溅板,以避免堆芯熔融物结块,并将熔融物引导至 堆 芯 捕 集 器 ;英 国 商 业 示 范 快 堆(C D F R)采用多个垂直管道焊接成圆锥形管板收集堆芯碎片,并连接到一个中央烟囱以促进冷却剂的自然对流 ;俄罗斯B N 和B N 所配备的堆芯捕集器,采用个垂直引流管以增强自然对流;欧洲快堆(E P R)配备了箱式结构的堆芯捕集器,并采用双烟囱结构以更好地分散堆芯碎片,.此外,还有采用多托盘的堆芯捕集器,将堆芯碎片分开进行冷却 ,采原子能科学技术第 卷用多层托盘的堆芯捕集器设计,消除了冷却剂对堆芯捕集器部件长期侵蚀和腐蚀的隐患,.这些
21、设计通过工程实践对堆芯捕集器的结构及组件进行了优化.烟囱作为堆芯捕集器的主要结构之一,不仅影响冷却剂的自然对流,而且对碎片床的堆积和分布具有重要影响,因此亟需进行详细的研究与设计优化.针对目前堆芯捕集器烟囱结构设计优化研究不足的现状,本文采用改进离散元法(D EM)作为数值模拟工具,以中国实验快堆(C E F R)为原型,对碎片床在堆芯捕集器上的形成过程进行数值模拟.通过改变堆芯捕集器托盘上的烟囱顶盖垂直投影边长、烟囱顶盖倾角以及烟囱间距,研究堆芯捕集器烟囱结构对碎片床堆积形状和分布的作用机理和影响规律,为碎片床的传热性能分析和长期可冷却性评估提供前提条件,并对钠冷快堆堆芯捕集器的设计及优化提
22、供工程参考.数值模型本文采用D EM模拟堆芯捕集器上碎片床的形成过程.在D EM计算中,将熔融物碎片假设为粒子,其运动遵循牛顿定律.碎片颗粒的运动分为平移和旋转,并通过以下控制方程分别进行求解:miduidtFi()IididtTi()式中:mi和Ii为颗粒i的质量和转动惯量;ui和i为颗粒i的平移速度和旋转速度.两粒子碰撞时粒子i的受力如图所示,其中Fi和Ti分别为作用在粒子i上的力和力矩,由方程()和()求解.Fij(Fni jFsi j)Fb u o y,iFd r a g,iFg,i()Tij(RiFsi jTri j)()式中:Fni j和Fsi j为粒子i和j的法向接触力和切向接触
23、力;Fb u o y,i为粒子i受到的浮力;Fd r a g,i为粒子i受到钠冷却剂的曳力;Fg,i为粒子i的重力;Ri为粒子i的等效半径;Tri j为颗粒i和j由于弹性滞后损失和黏性耗散导致的滚动摩擦力矩.图粒子i与粒子j碰撞的受力示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f f o r c eo nc o l l i s i o nb e t w e e np a r t i c l eia n dp a r t i c l ej粒子间和粒子与壁面间碰撞产生的法向接触力Fn和切向接触力Fs采用弹簧阻尼模型计算,如式()、()所示,图为弹簧阻尼模型示意
24、图.Fnknncndndt()Fs m i n(ksscsdsdt,Fn)s i g n(ksscsdsdt)()式中:为粒子接触点的相对位移;k为刚度系数;c为阻尼系数;为摩擦系数.图线性弹簧阻尼模型的粒子碰撞示意图F i g P a r t i c l ec o l l i s i o n i l l a s t r a t i o nu s i n g l i n e a rs p r i n g d a m p i n gm o d e l法向刚度系数kn和阻尼系数cn分别由式()和式()计算.kn m(t nt)()cnc nm kn()式中:t n为无量纲刚度修正系数;c n为无量
25、纲第期曹胜等:钠冷快堆堆芯捕集器设计优化数值研究阻尼修正系数;t为数值模拟中的时间步长.数值模拟中,首先确定无量纲刚度系数、无量纲阻尼系数 和时间步 长的数值.在D EM中,时间步长的选取需要考虑计算效率和计算精度,并结合计算机的运行性能满足公式t(m/kn)/.通过单个颗粒自由落体后的回弹高度确定无量纲刚度系数t n的值.通过计算组颗粒沉降算例,限制粒子堆积的重叠度小于颗粒直径的,确定无量纲阻尼系数c n.使用t n、c n计算kn和cn后,通过式()、()计算切向刚度系数ks和阻尼系数cs.kskn()()cscn()()式中,为泊松比.在均匀等向性材料中,剪切模量G、杨氏模量E与满足GE
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