燃料有热管冷却的乏燃料池自然对流换热特性分析

第卷第 期 原 子 能 科 学 技 术    年月   

有热管冷却的乏燃料池自然对流换热特性分析

郑文龙王 文耑 锐匡以武

上海交通大学制冷与低温工程研究所上海  

摘要将分离式热管作为长期非能动冷却系统应用于 乏燃料池分离式热管的蒸发端布置在乏燃料池四周。本文运用数值模拟方法对具有热管冷却的乏燃料池内温度场和流场特性进行数值分析并研究布置在池内的各排蒸发管管外对流换热强度。研究表明当能动型冷却系统停止工作后仅靠该非能动冷却系统可成功带走池内衰变热并保证池内不沸腾 内排蒸发管束外侧的对流换热系数高于外排蒸发管束 可达到外排管束的 倍蒸发管上、下端的对流换热系数较大中间段对流换热系数最小。研究结果对分离式热管运用于乏燃料池具有一定参考意义。

关键词分离式热管乏燃料池完全非能动冷却数值模拟速度场流场特性对流换热系数

中图分类号 文献标志码 文章编号   

 

 

 

 

                                        

       

收稿日期 修回日期

基金项目 中国博士后基金资助项目        上海市博士后基金资助项目        

作者简介郑文龙   — 男山东德州人硕士研究生低温与制冷专业

第期 郑文龙等 有热管冷却的乏燃料池自然对流换热特性分析 

核电目前是世界上公认的安全、经济、绿 的非能动余热排出系统在发生核事故后通过色、低碳的高效能源也是解决低碳经济、减排 布置在堆芯周围的水冷壁将衰变热带走。文献问题与降低环境压力最好的选择  对核电站 研究了乏燃料池内的一些能动冷却方内的乏燃料池而言冷却系统至关重要。 案。目前随着热管工业技术的快速发展热管乏燃料池用来贮存由反应堆中卸载出来的乏燃 被越来越多地应用于余热回收等领域如文献料此时乏燃料仍有较大衰变热使池内温度过 研究了环路热管及分离式热管在余热高影响乏燃料池安全正常情况下衰变热由池 回收方面的应用而文献则概述了热管在内的冷却系统带走而目前该冷却系统为能动 空间核电源、核废料冷却事故条件下安全壳保冷却系统当发生大的灾害事故致使断电时能 护等方面的应用情况。

动性冷却系统将无法工作从而导致乏燃料池内 本文主要研究将分离式热管应用于乏燃料温度过高最终导致福岛核事故般的灾难因此 池的非能动冷却方案热管蒸发端布置在乏燃如何确保核电站的固有安全成为全世界关注的 料池周围吸收乏燃料衰变热后将热量传递给安问题。 全壳外侧的冷凝端冷凝端布置在安全壳外的

西屋公司的核电机组考虑了将 冷却塔内被自然冷却 由于池内流体的自然对非能动冷却系统运用于核反应堆该非能动冷 流循环会影响蒸发管外侧以及乏燃料棒和流体却系统通过降压装置、余热排出换热器等方式 的对流换热过程从而影响整个乏燃料池内的冷却堆芯提升了核电系统的安全性措施。文 温度场。因此本文针对上述方案采用数值计算献提出将环路热管应用于核反应堆的紧 方法对具有分离式热管非能动冷却的乏燃料池急堆芯冷却系统在事故发生后堆内的核燃料 进行温度场与流场以及自然对流换热特性分析。衰变热被环路热管带出安全壳理论上论证了

环状热管可保证堆芯温度不超出允许范围。文  非能动冷却系统及数值模型

献研究了一种应用于模块式高温气冷堆 非能动冷却系统如图 所示实际的烟囱

———具有分离式热管非能动冷却的乏燃料池侧视图 ———原乏燃料池俯视图 

———原乏燃料池侧视图 ———具有分离式热管非能动冷却的乏燃料池俯视图

图 乏燃料池非能动冷却系统示意图

   

 原子能科学技术 第卷

设置在安全壳外侧布置位置高于乏燃料池顶 低热源总散热量为×为了增加计端 。在乏燃料池中乏燃料组件放置在乏燃料 算的保守性将高热源布置在乏燃料池中心。贮存格架单元图中而贮存格架单元排放  在模拟过程中将高低热源区以及贮存在乏燃料贮存格架上图 多个贮存格架排 格架的上下管座区假设为多孔介质区域假设布在乏燃料水池底端乏燃料贮存格架与池壁 贮存格架之间无间隙这样就减小了流体流向之间有空隙可使流体流过。在不影响燃料棒进 下腔室的流通区域。

出的情况下将水面以下的蒸发管高度的空间  模拟过程中热管蒸发端管内简化为具向四周扩展形成扩展区域图来布置蒸发 有对流换热特性的第三类边界条件。

管束由于热源和蒸发管束之间存在温差和高 此外考虑到简化后乏燃料池的对称性本度差从而在池内更易形成以贮存格架为热源 、 文仅取整个乏燃料池的为计算模型图 蒸发管管束为冷源、流体为传热介质的自然对 该计算区域中换热管即热管蒸发端总数为流循环池内热源的衰变热通过流体对流换热  根光管 分为排均匀分布在乏燃料池的扩以及蒸发管管壁导热传递给热管蒸发端内的工 展区域相邻蒸发管间距为  ×  管质蒸发端内工质吸热后蒸发并汇集流入上联 长 均匀布置在乏燃料池扩展区域上板箱后再由上升管流至冷凝端。冷凝端布置在可 孔高  下板孔高  。

被空气自然对流冷却的烟囱内 工质在冷凝端

图 乏燃料贮存格架    

   

 控制方程与边界条件

在对具有分离式热管非能动冷却的乏燃料 计算过程中采用假设 即池进行三维数值模拟时 本文所讨论乏燃料池 除动量方程的浮升力项外该模型在所有解的尺寸为  × ×   长×宽× 决的方程中将密度视为常数动量方程中的高 。其运行参数和结构还具有以下特点  浮升力项为

由于池内不同燃料组件的衰变热不同 ρρρβ 

第期 郑文龙等 有热管冷却的乏燃料池自然对流换热特性分析 

系数℃。 特性将计算区域根据对称面对称显示计算结

连续性方程为 果主要展示图中的剖面和剖面上的温

  度、流场分布。

ρ 图为剖面上的流动迹线可看出流体

动量守恒方程为 在乏燃料池内形成了高热源蒸发管束高热源

能量守

项λ为导热系数 · 为比定压热

图 剖面的流动迹线

ΔΔ

 由图还可看出乏燃料池内的最高流速式中Δ为流动压差  Δ为流动方向上多 出现在高热源上方大水池中央最高可达

量源项的方式加入到能量方程中。 在低热源上方的大空间内流体流速很小但

网格采用非均匀网格在每根热管周围进 会形成一些局部漩涡。产生以上流动特点的原因行网格加密并通过调整热管周围网格尺寸来 是高热源的热流密度远大于低热源 因此高热源调整整个模型的网格数量通过对比高热源的 内流体升温较快密度快速降低所受浮升力较最高温度来进行网格敏感性分析当网格总数 大从而流体上升速度较大而流经低热源的流体分别为  万、   万和万时高热源最高 温升较小流体所受浮升力较小流体上升不明温度分别为 、  和 最终 显从而在低热源上方会形成一些局部漩涡。选取网格总数为  万的模型进行计算分析。 由于低热源的热流密度较小流体流过时

计算为稳态层流计算速度与压力耦合采 温升较小从而该区域流体浮升力较小上升速用算法。 度不大而从扩展区域流出的低温流体一部分

通过低热源区向下流动一部分在低热源上方

 原子能科学技术 第卷

图为水平面以下 、、 分别以 的范围内扩展区的低温流体再次以横向冲刷 、  、 标注的水平剖面位置示意图图为水 管束的方式流入大水池沿着流动方向流体流平剖面 、  、 上部分蒸发管外侧流体的流动矢 量逐渐增大因此流体横向流动速度也逐渐增量图。由图 可知在水面附近大水池内的 大此时流体的流动为垂直管排方向流动 表现高温流体主要以横向冲刷管束的方式进入扩展 为横掠顺排管束的流动特性。

区流体以约   的速度冲刷第排蒸发

流体的纵向流速距管壁开始从逐渐增大至最 图 距水面 、、 的水平剖面位置示意图大后又逐渐减小而在远离管壁处流体纵向流        速很小。由图 可知在蒸发管最下端  

与水面距离 ——— ——— ——— 

图 扩展区域水平截面上速度矢量图

   

图为剖面和剖面上的温度分布。可 上端热源区最高温度可达小于此处水看出乏燃料池内的最高温度分布在高热源区 的饱和温度 说明该设计工况下分离

式热管可顺利地带走乏燃料衰变热并保证不发

第期 郑文龙等 有热管冷却的乏燃料池自然对流换热特性分析 

排数的增大而减小这是由于在上板孔附近热  结论

流体横向冲刷管束越往后排冲刷扰动性越差  本文运用三维数值模拟软件对具有热管冷所以换热量越小而在下板孔附近被冷却后流 却的乏燃料池进行三维数值模拟得出了具有体横向冲刷管束流出扩展区域越往前排流体 热管非能动冷却的乏燃料池内的温度场和流场流量越大对热管横向冲刷越强因此前排热管 分布特性

换热量越大。  在此非能动冷却系统下乏燃料池内可

形成以乏燃料为热源分离式热管的蒸发端为

图 各排蒸发管热流密度对比 换热系数较小因此蒸发管的中间段需进行管

    外强化设计。

热系大管外对流换热系数越小 这归因于蒸发管热  核技术    

流密度随排数的增大而减小。而管外平均对流    换热系数在蒸发管的最上端和最下端最大 中       间段则呈由上到下逐渐减小的趋势 这是由于           在热管最上端和最下端热流体主要以横向冲刷  

管束的方式与热管进行对流换热 且横向冲刷      速度大于纵向冲刷速度 所以在这两处管外对         流换热系数最大而在中间段高温流体主要以       

轴向冲刷管束的方式与热管进行对流换热 随   着流体沿轴向逐渐由初始发站段过渡到充分发 展段管外对流换热能力逐渐降低 。  

∥  

处即为乏燃料池顶端     

图 蒸发端各排管束外侧对流换热系数的变化                  

     

 原子能科学技术 第卷

 尹清辽徐钊吴莘馨模块式高温气冷堆预应     力混凝土压力容器余热排出系统设计  原子       能科学技术      

                                                                    李晓伟张丽吴莘馨高温气冷堆余热排出系    统空冷塔内流场数值计算核动力工程                                                                

 李灿凌星核电站乏燃料贮存水池失去最终热 张光玉张红涂善东等热管在核电工程中的应阱时的安全分析 核动力工程    用 原子能科学技术                                                   

  陶文铨数值传热学 西安西安交通大学 出版社 

  徐红 外部灾害情形下乏燃料池缓解策 邓斌陶文铨管壳式换热器壳侧湍流流动与换略研究原子能科学技术  增刊  热的三维数值模拟 化工学报      

                                               史国宝恰希玛核电厂乏燃料自然循环冷却分       

析 核动力工程      

   