某核电站辐射屏蔽组件传热分析

毛飞，李玲，李成武

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

0 引言

在核电站最核心的反应堆压力容器周边，需设置不同类别的屏蔽材料，用于屏蔽中子、光子等。屏蔽材料选用及设计时既要考虑其对射线的防护效果，也需要考虑屏蔽材料的使用温度、体积、重量、材料稳定性、使用寿命等。屏蔽材料距离反应堆压力容器越近，其屏蔽效果越好。

早期，在核电站中非高温区域的中子屏蔽材料常采用混凝土、石蜡、水、聚乙烯等含氢量较高的材料，用于慢化块中子。这些材料使用温度不高，均不能直接用于反应堆压力容器周边。近年来，核电站屏蔽要求越来越严格，需直接在反应堆压力容器外围高温区域设置辐射屏蔽组件。由于高温的硅橡胶材料广泛应用到生活中，在硅橡胶中掺入碳化硼粉末后可以有效的提高材料的屏蔽性能和耐热性，该材料具有很好的慢中子吸收能力和γ射线吸收能力[1-2]。

某核电站反应堆堆压力容器周边的辐射屏蔽组件采用新型屏蔽材料含硼硅树脂。为了减少中子漏束，加强屏蔽效果，辐射屏蔽组件距离反应堆压力容器越近越好。由于目前所研发的含硼硅树脂最高使用温度～200℃，而反应堆压力容器外壁温度接近280℃。为了降低含硼硅树脂屏蔽材料的使用温度，需要其内侧高温区域设置非金属隔热材料。同时，为保证屏蔽材料的填充率，非金属隔热材料的填充并非越多越好。所以，辐射屏蔽组件的结构需进行优化设计，一方面保证有效空间中屏蔽材料的屏蔽效果，另一方面需将屏蔽材料的使用温度降低至其长期使用温度以下。

本文采用ANSYS 作为传热分析软件，基于辐射屏蔽组件结构的有限元模型，评估正常运行工况下屏蔽材料的使用温度，为辐射屏蔽组件的优化结构提供支持，确保屏蔽材料的工作温度在限值范围内。

1 传热分析模型

某核电站辐射屏蔽组件直接位于反应堆压力容器外围一圈，该结构主要包括不锈钢外壳、含硼硅树脂屏蔽材料和非金属隔热材料，非金属隔热材料位于高温侧。辐射屏蔽组件与反应堆压力容器的位置示意图参见图1。

图1 辐射屏蔽组件与反应堆压力容器的位置示意图

辐射屏蔽组件为轴对称布置，其内侧同反应堆压力容器外壁间的传热主要以辐射换热为主，而辐射屏蔽组件内部的传热主要以热传导为主。反应堆压力容器的高温热量，经辐射传热至辐射屏蔽组件内侧，然后经非金属隔热材料、含硼硅树脂屏蔽材料向外侧传递，最后热量经过对流传热释放至屏蔽组件外部的环境空气中。非金属隔热材料作为含硼硅树脂屏蔽材料的温度保温层，需具有良好的隔热效果。

辐射传热是一种电磁波传递能量的现象，是高温物体向周边物体传热的主要方式。辐射传热量与高温温度的4 次方成正比。辐射传热物体间温度越大，辐射传热量也越大。如果仅考虑辐射屏蔽组件同反应堆压力容器间空气的传热，不考虑辐射换热，辐射屏蔽组件内侧的温度将大大低于实际情况，产生较大的误差。根据式辐射传热公式（1）可知，降低法向发生率可有效降低辐射传热量。

辐射传热公式参见式（1）[3]：

式中：

Φ：辐射传热量，W；ε：法向发射率；σ：黑体辐射常数，W/m2·K4；A ：辐射换热面积，m2；T1：高温物体温度，K；T2：低温问题温度，K。

热传导主要在结构内部传递，将内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，是一种线性传热方式，主要与材料的导热系数、隔热材料的厚度相关，导热系数越小，隔热材料厚度越大，传热量越小。

传热计算公式参见式（2）[3]：

式中：

Φ ：传热量，W；：传热面积，m2；λ ：导热系数，W/m·K ；t：温度，K；x：传热距离，m。

2 计算输入

（1）法向发射率

为了降低辐射屏蔽组件的辐射传热量，辐射屏蔽组件由不锈钢外壳采用低法向发射率的镜面板。考虑到寿期内表面氧化、损伤等影响，保守取法向发射率0.35。反应堆压力容器为主要的发热体，为加强其辐射传热能力，保守取法向发射率为1。

（2）输入温度

正常运行工况下，由于反应堆压力容器外壁采用钢材，导热系数较大。计算时不考虑反应堆压力容器的热阻，将其外壁温度近似等于容器中高温水的温度，取值280℃；辐射屏蔽组件外侧空气环境温度取该区域平均温度30℃。

（3）热物性参数

辐射屏蔽组件各部分材料的热物性参数参见表1。

表1 材料热性能参数

3 计算过程及结果

基于ANSYS 建立辐射屏蔽组件的轴对称分析模型，不考虑接触热阻的影响。辐射屏蔽组件内侧面同反应堆压力容器外壁辐射传热，辐射屏蔽组件外侧面的环境空气间对流传热，其他界面采用绝热边界。非金属隔热材料和屏蔽材料在稳态下的温度场分布参见图 2 和图 3。

从图2 中可清楚得知，非金属隔热材料的最高温度约265℃，相比反应堆压力容器外壁温度仅降低15℃，可证明辐射屏蔽组件高温侧受反应堆压力容器外壁辐射传热的影响很明显。非金属隔热材料的温降达到了125℃，非金属屏蔽材料低温侧的温度在140℃～180℃之间，隔热效果明显。

从图3 可知，含硼硅树脂屏蔽材料受外部不锈钢外壳传热的影响，角落处最高温度约188℃，但绝大部分温度在170℃以下。含硼硅树脂屏蔽材料受环境空气冷却的影响，温度较低，最低温度约33℃。从表1 和图3 可知，虽然含硼硅树脂屏蔽材料导热系数比非金属隔热材料的导热系数高，但由于其厚度较大，热阻并不小于屏蔽材料，温将达到了150℃。在保守考虑的前提下，含硼硅树脂屏蔽材料的最高温度低于使用限值，可以满足工程设计要求。

3 结语

本文基于ANSYS 分析软件，建立了辐射屏蔽组件的轴对称分析模型，考虑了辐射屏蔽组件内侧同反应堆压力容器外壁间辐射传热的影响，对辐射屏蔽组件的优化设计结构进行了温度场分析，评估了非金属隔热材料和含硼硅树脂屏蔽材料的使用温度，结果显示：①高温状态下，辐射传热效果明显，辐射屏蔽组件内侧温度相对于反应堆压力容器外壁仅降低了15℃。②非金属隔热材料的隔热效果明显，有限厚度下温降达到125℃，能有效保护含硼硅树脂屏蔽材料。③含硼硅树脂屏蔽材料最高温度约187℃，绝大部分温度在170℃以下，低于其限值温度，满足工程设计要求。

图2 非金属保温材料温度场分布

图3 含硼硅树脂屏蔽材料温度场分布