CEFR整体冷钠池及其辅助系统温度场三维数值模拟

冯预恒，赵 勇，周志伟，刘一哲，杨红义

(中国原子能科学研究院 中国实验快堆工程部，北京 102413)

中国实验快堆(CEFR)一回路所有设备和构件都安放在钠池内，一回路主冷却系统有两条并联的环路，在热钠池内共用1个通道，通过中间热交换器流出热钠池进入冷钠池后，一回路主冷却系统两条环路各自独立运行。每个环路包括两台中间热交换器、主循环泵吸入腔室、1台主循环泵和两根压力管。一次钠净化系统回钠管和取钠管穿过的一侧为第1、2条环路，与之对应的冷钠池命名为1、2号冷钠池。由于净化系统在两个冷钠池的运行方式不同，导致两个冷钠池的中间热交换器出口流量及主循环泵吸入腔进口流量存在差异。因此，本工作对两个冷钠池共同建模计算，以取得更精确的结果。

在以前的设计文件[1]中，曾对-9.445 m以上冷钠池进行稳态三维数值计算，主要完成了CEFR在额定参数运行工况下冷钠池内的热工流体力学分析。本工作将对CEFR一回路整体冷钠池及其相关辅助系统进行模拟计算和分析，计算范围向下扩展到-11 m以上冷钠池，并包括所有相关辅助系统，以得到整体冷钠池完整的温度场。

1 建模及边界条件

对整体冷钠池及其辅助系统建模。在上冷钠池内、钠泵吸入腔和中间热交换器共建8个模块，水平孔道腔和钠充排腔各建1个模块，下冷钠池内共建16个模块。每个模块均可单独计算。

1.1 冷钠池结构

冷钠池的范围如下：主容器隔热层内表面以内、标高为-6.4 m隔板以下和堆芯支承桶以外的所有空间，以及-6.4 m以上两个泵吸入腔室。冷钠池的具体结构和腔室分布示于图1。

1.2 冷钠池辅助系统

冷钠池的几个重要辅助系统如下：1) 主容器冷却系统；2) 泵支承冷却系统；3) 一回路钠净化系统。

冷钠池内的流动情况较复杂，辅助系统的出口钠温均与冷钠池的平均温度不等，且两者间的温差均在40 ℃以上。由于辅助系统结构差异很大，给结构的网格生成带来很多困难，需在网格构造上予以特别考虑。

1.3 计算模型的主要简化

在建模过程中按1∶1真实模拟快堆冷钠池及其部件的形状和尺寸，但受计算硬件条件限制，对其中部分极小尺寸的部件或不可知流

道进行适当简化，以确保计算的正确性和可行性，被简化的部件如下。

1) 中间热交换器和水平热屏蔽间存在1 mm漏流，因流量和出口温度不可确定，且将极大增加网格的数量，因此计算时将其忽略。

2) 水平孔道所在腔室内，钠在其中的流动性非常差，且冷钠池主流道不经过该腔室。同时，在运行过程中，水平孔道关闭，对整体冷钠池的热工流体参数影响较小。因此，计算时忽略水平孔道的影响。

3) 各类冷钠池肋板、支承板和隔板的厚度不等，但皆尺寸较小且数量庞大，如果在模拟中增加厚度，网格数将可能达到上亿，计算将无法进行。在正常运行时，因各类冷钠池肋板、支承板和隔板皆浸泡在冷钠池内，因此将钢体与周边液体视为一致。

4) 大栅板联箱外屏蔽柱所处区域流动性较差，且屏蔽柱之间相互接触，对温度场影响很小，因此将其忽略。

5) 泵旁路流量计系统对冷钠池及泵入口钠温无影响，因此将其忽略。

1.4 计算中材料及物性的输入参数

流质为钠，流体内压力为常压。为真实模拟额定工况下冷钠池的流动及温度的影响，各物性参数皆随温度而改变。

液态钠的密度ρ、黏度μ、比热容c、导热系数λ具体计算公式如下。

ρ=16.018 5(59.356 6-7.750 4×

10-3(1.8t+32)-0.287 2×10-6(1.8t+

32)2+0.060 3×10-9(1.8t+32)3)

μ=0.123 5ρ1/3exp(697ρ/1.8t)t≤500 ℃

c=41.86(0.389 352-1.105 99×

10-4(1.8t)+3.411 78×10-8(1.8t)2)

λ=1.729 58(54.306-1.878×10-2(1.8t+

32)+2.091 4×10-6(1.8t+32)3)

图1 冷钠池结构(a)和腔室分布(b)

式中，t为材料的温度。

2 计算结果

2.1 冷钠池的温度场

图2示出冷钠池的温度场。从图2可见，在冷钠池内，中间热交换器泵腔温度相对较低，流动相对较差的钠充排腔(另一环路的水平孔道腔)的温度相对较高，低温区出现在-9.445 m以下区域。

图2 冷钠池的温度场

2.2 主泵吸入腔内的温度分布

图3示出主泵吸入腔内的温度分布。由图3可见，影响泵入口温度的因素如下。

图3 主泵吸入腔的温度分布

1) 温度为400 ℃、流量为12.15 kg/s的泵支承冷却系统出口流量，未在冷钠池内充分冷却即被主泵吸入到泵内套筒间的环形主流道内，直接到达泵入口，对泵吸入腔的入口温度影响较大，这直接导致了泵入口温度的上升，并决定了泵入口的温度分布。

2) 与主泵同处一室的8个主容器冷却系统出口管，其流量为8×0.8 kg/s，温度为400 ℃。尤其是较靠近主泵的5个出口管，此部分流量大部分直接被主泵吸入到泵腔，对泵入口温度影响也较大。

3) 一次钠泵在热屏蔽的偏心设计，导致面向堆芯方向的流道面积远大于其反方向的流道，飘浮在热屏蔽内的高温钠，大部分通过两个背对堆芯方向的钠泵入口流出。因此，主泵的两对钠泵入口的钠温存在差异，其温度分布示于图4。由图4a可知，泵入口温度上高、下低，变化范围约在360.75～364.856 ℃之间，温差约为3 ℃，泵入口平均温度为363.449 ℃，且1、2号冷钠池的泵入口温度基本相同。

a——面向堆芯方向；b——背对堆芯方向

2.3 泵支承冷却系统支承梁的温度分布

钠泵工作环境的设计要求为低于400 ℃，但一回路钠泵贯穿的外热钠池(生物屏蔽柱将热钠池分为内、外热钠池)平均钠温为515 ℃，远高出钠泵的工作环境温度。为保障一回路钠泵的正常运行，在其贯穿热钠池部分，设计泵支承冷却系统，其冷却剂从一回路主冷却系统中引出。即在一回路钠循环泵止回阀前方设计5个支承梁，将泵支承冷却系统和一回路主管道相连。泵支承冷却系统支承梁和支承板布置示于图5，图中中心圆环外的5个肋片为支承梁，外围的水平板为支承板。

图5 泵支承冷却系统支承梁和支承板布置

泵支承冷却系统为一回路主冷却系统的支流，为保证流量既能满足泵支承冷却系统，又不影响堆芯的流量分配，在5个支承梁的流道内，分别设计了3种流道及多种节流装置。

图6示出泵支承冷却系统支承梁的温度分布。由图6可见：每根支承梁温度分布均为下高、上低；5根支承梁中，靠近主容器冷却系统的两根支承梁温度较高，这再次证实主容器冷却系统出口对泵腔入口区域影响较大；每根支承梁上、下温差达4 ℃，内、外梁间相差3.6 ℃，平均温度在361～365 ℃之间。

图6 泵支承冷却系统支承梁的温度分布

2.4 支承板的温度分布

每个主泵吸入腔各有7块支承板，每块支承板高600 mm，宽度各不相同，支承板与泵围桶的最下部相连，分布在泵的四周。

图7示出主泵吸入腔的支承板温度分布。由图7可见：7块支承板对主泵吸入腔的流场及温度分布影响不大，7块支承板的温度分布各不相同，但其温度分布规律为上高、下低，这缘于热钠池向冷钠池的热扩散。影响支承板温度分布的主要因素如下。

图7 主泵吸入腔的支承板温度分布

1) 支承板轴向靠近主泵入口处，其温度分布主要取决于流过四周的流体，支承板温度与流体温度相同。

2) 支承板轴向远离主泵入口处的温度分布为：(1) 如果与φ4.780 m的下生物屏蔽支承筒相连，支承板最高温度出现在此处；(2) 如果与主容器的外壁相连，支承板出现最低温度，这是因为冷钠池向四周散热导致局部温度下降，间接影响到支承板；(3) 在7块支承板中，其最高温度出现在靠近主容器冷却系统出口处，温度为361～373 ℃，平均温度为364 ℃。

总之，主泵吸入腔的支承板对冷钠池内高温钠的滞留作用有限，对冷钠池内温度的分布及流场影响有限。由于与泵壳体和泵热屏蔽未直接接触，且支承板的主要部分均处于冷钠池主流道内，所以，支承板的温度较低。

一环路和二环路7块支承板的温度分布基本相同。

2.5 水平孔道腔和钠充排腔内流场及温度分布

水平孔道腔和钠充排腔内流体温度分布示于图8。由图8可见，中间热交换器部分出口流量的温度较低，从支承肋板开孔底部进入水平孔道腔和钠充排腔后，与腔室内滞留的流体相互搅混，部分通过支承肋板开孔上部回流到中间热交换器出口腔。因此，水平孔道腔和钠充排腔内的流体流动杂乱无序，且流速较低。

图8 水平孔道腔(a)和钠充排腔(b)内的流体温度分布

但水平孔道腔和钠充排腔对冷钠池的影响不能忽略。因腔内储存了大量从中间热交换器出口来的低温钠，且回流到中间热交换器出口腔，直接降低了中间热交换器出口腔的温度；在加入到主流道后，更是影响了泵入口的钠温。此次模拟证明，水平孔道腔和钠充排腔，尤其是水平孔道腔，其体积是冷钠池各腔室中最大的一个，它们对冷钠池的影响不能忽略。

从图8可发现，钠充排腔内的平均温度较水平孔道腔的高。计算结果为：水平孔道腔内的平均温度为359 ℃，钠充排腔内的平均温度为368 ℃。

2.6 -9.445～-6.4 m之间的支承肋板温度分布

CEFR冷钠池内设计并安装了大量支承肋板，其主要功能为承担冷、热钠池内液态钠及池内设备导致的重力载荷。CEFR冷钠池内的支承肋板共有3类，每类支承肋板又有两种型号，即支承肋板和支承肋隔板，其空间分布规律为：第1类支承肋板分布在-9.445～-6.4 m，第2、3类支承肋板共同分布在轴向-9.445～-11 m，纵向上，在φ4.780 m以外为第2类支承肋板，以内为第3类支承肋板。

CEFR在-9.445～-6.4 m之间共设计8块第1类支承肋板，支承肋板的开孔为高2.115 m、宽0.65 m，四边倒脚。

将第1类8块支承肋板根据其所处腔室分3种情况进行研究：1) 主泵吸入腔与旁边的两个中间热交换器出口腔室间的支承肋板；2) 中间热交换器与水平孔道腔之间的支承肋板；3) 中间热交换器与钠充排腔之间的支承肋板。

一环路、二环路主泵与中间热交换器之间的支承肋板温度分布示于图9。由图9可见，两者温度相差较大，说明两个环路不对称，这对运行是不利的。

2.7 主容器内壁温度分布

本次计算只模拟了冷钠池内-6.445～-11 m间的主容器内壁温度分布(-6.445～-3.75 m间的主容器内壁温度分布由主容器冷却系统的三维数值模拟完成)。-9.445 m之上一环路、二环路方向主容器内壁温度分布示于图10。-9.445 m之下一环路、二环路方向主容器内壁温度分布示于图11。由图10、11可见，温度分布的总体趋势是上高、下低，大体可分为高温区、平均温度区和低温区。除主泵吸入腔以外，-7.095 m之上为高温区，在-7.095～-9.445 m之间为低温区，-9.445 m之下为平均温度区。导致其分布的主要原因如下。

图9 一环路(a)、二环路(b)主泵与中间热交换器之间的支承肋板温度分布

1) 上部的高温区出现在-7.095 m附近，这是因为主容器冷却系统出口钠温较高，热钠池向冷钠池热扩散，以及高温钠因密度较小而漂浮在冷钠池上方。

2) 低温区出现在中间，其最高点与中间热交换器出口最上沿基本一致，是中间热交换器出口区低温钠经过并部分滞留所致。低温区下边界之所以在-9.445 m，是因为该处为堆内水平中板，将上、下冷钠池隔离，同时也阻止了冷钠下沉，并将冷钠滞留至此区域。

3) 平均温度区即为360 ℃钠温区，除钠净化出口区域和水平中板漏流区域，基本分布在下冷钠池。由此处温度分布可看出，下冷钠池内流体流动性较差，基本保持在静止状态。

图10 -9.445 m之上一环路(a)、二环路(b)方向主容器内壁温度分布

图11 -9.445 m之下一环路(a)、二环路(b)方向主容器内壁温度分布

3 结论

应用大型三维商业软件CFX进行冷钠池计算，获得了整体冷钠池各腔室内温度的分布，冷钠池计算结果表明：冷钠池内存在热分层和热分区现象，将冷钠池视为一同温区或简单按照标高等划分温区的方法是不正确的；流入冷钠池的冷钠并不是与整个冷钠池的钠搅混，冷钠池上板的高温区确实存在；泵腔室上部的温度较其他区域的高，这一点已被堆上的运行数据证实。以上计算结果对反应堆调试和运行具有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 张建涛，孙琦. 堆内支承结构热工计算[R]. 北京：中国原子能科学研究院，2002.