乏燃料运输容器传热支撑板对卸料过程的影响分析

2017-10-09李其朋马庆俊

发电设备 2017年5期

关键词：热工水温容器

殷勇, 李其朋, 马庆俊

(中广核研究院有限公司，广东深圳 518124)

核电技术

乏燃料运输容器传热支撑板对卸料过程的影响分析

殷勇, 李其朋, 马庆俊

(中广核研究院有限公司，广东深圳 518124)

针对自主设计的乏燃料运输容器卸料冷却过程，开展卸料冷却过程热工分析，研究传热支撑板对卸料冷却过程的影响。分别建立不包含传热支撑板和包含传热支撑板的几何模型，通过对两种几何模型进行简化并取1/4为研究对象，采用k-ε方程湍流模型，利用Fluent完成热工计算。分析结果表明：传热支撑板对卸料冷却总时间的影响达到20%，传热支撑板对乏燃料运输容器卸料热工分析的影响不能忽略。

乏燃料；运输容器；传热支撑板；卸料冷却；热工分析

Abstract： Thermal analysis was conducted on the unloading and cooling process of a self-developed spent fuel transport container with supporting slab, so as to analyze the effects of the slab on heat transfer behavior of the container during unloading and cooling process. Based on models set up respectively for the container with and without supporting slab, taking one-fourth of both the simplified models as an object of study, thermal calculation was carried out usingk-εturbulent model with Fluent software. Results show that the cooling time affected by the supporting slab accounts for 20% of the total during unloading and cooling process, which can not be neglected during thermal analysis of spent fuel transport containers.

Keywords： spent fuel; transport container; heat transfer supporting slab; unloading and cooling; thermal analysis

乏燃料运输容器辅助设备是用于对乏燃料运输容器进行充水排气、充气排水、充气风干的设备，并通过对已装载乏燃料组件的容器进行充水冷却，实现乏燃料组件的安全装卸。其中的卸料冷却模块用于排除容器内乏燃料的余热，冷却过程包括充水排气阶段和热水置换阶段。充水排气阶段向容器缓慢充入冷却水，降低乏燃料组件表面温度。如果此时的出口水温仍大于允许水温，则进入热水置换阶段，继续向容器内连续注入冷却水进行置换，直至出口水温低于允许水温。由于装载有乏燃料组件的运输容器具有放射性，需要保证卸料冷却模块能够尽可能快速地完成冷却功能。

笔者采用大型流体计算软件Fluent，通过对自主设计的乏燃料运输容器卸料冷却过程进行热工分析，分析容器传热支撑板对卸料冷却过程的影响，确定卸料冷却时间以及流程关键时间点的容器内部温度场分布情况，从而及时、快速和经济地得到运输容器的卸料冷却时间参数以及容器内部的温度场分布情况，为后续的结构改进、制定运行程序和试验策略提供重要的参考依据。

1 乏燃料运输容器本体结构

乏燃料运输容器为钢制圆柱形密闭金属筒，主要由外壳组件、外盖组件、内盖组件和吊篮组件组成，结构见图1。吊篮组件主要包括顶板组件、底板组件、贮存套管、传热板、支撑板以及螺杆组成。内盖组件分布在筒体上部，进(排)气、进(排)水孔分布在内盖组件上，其中进(排)水孔会有管道直通到容器底部。

图1 乏燃料运输容器结构示意图

在卸料冷却工艺过程中，外盖组件不安装，冷却水(25 ℃)通过进(排)水孔以及容器内的管道进入容器底部，气体(或者置换水)从进(排)气孔排出。

2 计算程序及方法

笔者采用专业前处理软件ICEM程序创建网格模型，国际通用的计算流体计算软件Fluent求解结果和后处理。首先，通过ICEM对容器、传热支撑板以及流体区域建立了规则的六面体网格，再将网格导入Fluent程序进行瞬态计算。

整个卸料冷却过程中的衰变热主要通过强制对流和辐射效应来进行散热，笔者忽略辐射效应的影响，将乏燃料组件等效为具有均匀等效导热系数的体热源[1-2]。在数值计算中，选择标准k-ε方程湍流模型，增强壁面函数，采用Eulerian多相流的沸腾模型，并考虑了重力的影响，采用coupled算法进行三维模拟瞬态分析，以确定卸料冷却所需时间以及关键时间点的温度场分布。

由于容器内部包括大量的传热板和支撑板，使得容器的几何模型和内部流域非常复杂，分析起来较为困难。报告中采用两种几何模型来进行分析：一是忽略传热板和支撑板；二是建立包括传热板和支撑板的模型。通过比较两种模型的结果，分析有无传热支撑板对卸料冷却计算时间造成的差异，以确定传热支撑板对卸料冷却过程的影响。

3 数值模型

3.1 计算模型

乏燃料运输容器的实际结构比较复杂，建立有限元模型时，需要对实际的几何结构进行一定的简化和保守设定，具体简化内容如下：

(1) 因螺栓紧固件等不影响整体传热，忽略所有的紧固件以及细小零部件。

(2) 为保守计算，忽略吊篮组件中螺纹杆的影响。

(3) 因进、排气(水)口位置对传热影响极低，为简化模型，假设进、排气(水)口位于容器轴线上。

(4) 容器堆焊层占比容器壁厚较低，且不锈钢堆焊层与低碳钢相比传热系数更低，忽略容器内层的不锈钢堆焊层。

(5) 筒体、内盖组件以及乏燃料单元组件(包括贮存套管)用均匀固体区域来等效。

(6) 为保守计算，忽略辐射效应对散热的贡献。

(7)采用等效体热源来处理乏燃料组件区域，忽略乏燃料组件区域的对流传热。

(8) 充水排气阶段冷却水缓慢流入容器过程，简化成容器内部一直充满水静置3 500 s。

(9)热水置换阶段将以充满水的容器静置3 500 s后的温度场作为初始条件。

3.2 网格划分

冷却水从下向上流过乏燃料组件和容器内壁之间的间隙，带走衰变热。衰变热传递过程涉及多层结构材料的共轭传热(固体壁面的对流换热和结构材料内部导热)。不考虑容器外部空气域，对整个运输容器的固体区域和流体区域建模。

由于容器几何结构对称，取1/4区域为研究对象，采用ICEM程序创建六面体网格模型(见图2)。

图2 乏燃料运输容器计算域网格

3.3 求解设置

利用Fluent对网格模型进行计算。

流体区域雷诺数：

(1)

式中：ρ为冷却剂密度，1 000 kg/m3；v为冷却剂流速，3.73 m/s；μ为运动黏度，0.001 m2/s；d为流道直径，25 mm。

其中，流体区域是不可压缩的湍流流动，采用k-ε方程湍流模型。固体区域内部主要是热传导，流体内部传热通过建立沸腾模型来实现，流体和固体之间设置交界面。

边界条件：环境温度为30 ℃，入口水温为25 ℃，出口允许水温为36 ℃。

具体条件设置如下：

(1) 对称边界。

(2) 速度入口。

(3) 压力出口。

(4) 容器外壁面设备环境温度30 ℃。

(5) 乏燃料组件区域设置体热源，q=6 235.8 W/m3。

(6) 乏燃料组件、筒体及内盖区域设置等效导热系数，不同区域的等效导热系数见表1。

表1 不同区域的等效导热系数W/(m·K)

4 计算结果及分析

通过建立包含与不包含传热支撑板的两种模型，并分别进行充水和热水置换两个阶段的瞬态计算。按照简化假设，充水阶段简化成初始条件为容器满水，之后静置3 500 s；而热水置换的初始条件则为容器充满水后3 500 s的温度场，直到出口温度降到36 ℃停止计算。

4.1 温度随时间的变化曲线

图3为两种模型在3 500～10 000 s的出口温度随时间的变化曲线，图4为两种模型在0 ～10 000 s的流域温度随时间的变化曲线。分析温度变化曲线发现：模型一(不包含传热支撑板)在经过3 500 s的充水阶段后，出口最高水温达到57 ℃左右，进入热水置换阶段后5 850 s后出口水温小于允许水温(36 ℃)；模型二(包含传热支撑板)在经过3 500 s的充水排气阶段后，出口最高水温能达到100 ℃左右，进入热水置换阶段后7 300 s后出口水温小于允许水温(36 ℃)。其中，模型二出口最高水温比较高的原因是受出口回流的影响，实际出口最高水温小于373 K(100 ℃)。为了减小出口回流的影响，监测温度的出口面选在距离实际出口往容器内部300 mm的位置，相对于模型一，模型二的计算模型更接近真实。

图3 出口水温随时间的变化情况(3 500 s～10 000 s)

图4 流域水温随时间的变化情况(0～10 000 s)

4.2 关键时间点的温度场分布

图5、图6为两种模型在关键时间点计算域内部温度分布云图，左边为充水排气阶段末的温度分布云图，右边为热水置换阶段末的温度分布云图。

图5 模型一关键时间点计算域内部温度分布云图

图6 模型二关键时间点计算域内部温度分布云图

图5显示模型一在充水排气阶段末乏燃料热源区域温度较高、壁面温度满足303.15 K(30 ℃)的恒温条件，入口温度是303.15 K(30 ℃)，出口温度达到330 K(57 ℃)左右温度随着乏燃料区域往外递减，基本满足实际情况，分析结果基本合理。热水置换阶段末，计算域的整体温度和最高温度下降，最高温度位于乏燃料热源区域中心，最高温度约为353.4 K(80 ℃)，出口温度由3 500 s时的330 K(57 ℃)左右下降到306.6 K(34 ℃)左右，满足出口允许水温要求。

图6显示模型二在充水排气阶段末，流域最高温度位于乏燃料热源附近区域(不考虑出口回流高温的影响)，最高温度约为342.3 K(69 ℃)，支撑板的导热系数相对较低，两端水域温度较低，基本满足实际情况，分析结果基本合理。热水置换阶段末，计算域的整体温度和最高温度下降，最高温度还是位于乏燃料热源附近区域中心，最高温度约为338.8 K(66 ℃)，出口温度下降到307.9 K(35 ℃)左右，满足出口允许水温要求。