CEFR堆芯组件安装方式对组件间流量分配的影响

李 淞，周志伟，冯预恒

（中国原子能科学研究院快堆研究设计所，北京 102413）

CEFR堆芯组件安装方式对组件间流量分配的影响

李 淞，周志伟，冯预恒

（中国原子能科学研究院快堆研究设计所，北京 102413）

为研究堆芯组件安装方式对组件间流量分配的影响，通过CFD数值模拟软件FLUENT，对中国实验快堆（CEFR）1型小栅板联箱上的7盒组件在22种安装情况下进行三维数值模拟。由计算结果可知，组件在22种布置情况下的流量与设计值的相对偏差为0.41%～2.03%。根据计算结果可更准确地预测堆内最热管的流量分配，可为今后CEFR的组件安装方式提供参考。

中国实验快堆；小栅板联箱；数值模拟；组件管脚布置；流量分配

中国实验快堆（CEFR）的堆芯支撑结构采用大栅板联箱和小栅板联箱组合的方式，小栅板联箱尾部插入大栅板联箱套管内，而各类组件插在小栅板联箱混合腔内，一次钠泵将钠打入大栅板联箱，液钠流经小栅板联箱套管侧面开孔，流经小栅板联箱节流件、3个V字型流道，进入小栅板联箱混合腔。大部分液钠经过组件管脚侧面节流孔流入组件内部，在冷却棒束后从组件出口流进热钠池［1］。

为研究现有堆芯的流量分配方式，丁振鑫［2］对1～11型小栅板联箱水力特性进行了试验；冯预恒等［3－4］使用CFX对小栅板联箱节流件及带燃料组件的节流件进行了数值模拟。

为详细了解模拟堆芯组件在小栅板联箱混合腔内的流量分配，本工作采用FLUENT对堆中实际的1型小栅板联箱上的7盒组件在22种布置情况下进行三维数值模拟，以研究组件管脚布置方式对组件间流量分配的影响。

1 计算几何模型

1型小栅板联箱混合腔内插有7盒组件，它在堆芯中的位置示于图1。在CEFR满功率运行时，中间1盒为中子源组件或替代中子源组件的中心钢组件，分配的流量为0.3kg／s，周边6盒组件为流量1区的燃料组件，分配的流量为3.94kg／s［1］。液钠流过节流件后通过组件管脚侧面的开孔分配到不同组件，以达到有效冷却堆芯的目的。

图1 1型小栅板联箱所处堆芯位置Fig.1 Position of type－1distribution header in core

计算几何模型及其尺寸［5－6］示于图2。流体依次流过区域a～g，其中，区域a、c、d、e为环形区域，区域b为逐渐缩小的环形区域。在区域d，沿圆周均匀开有6个大小相同的孔，与区域c相连通。由区域e（小栅板联箱节流件）到f（3个V字型流道）及由区域f到g（小栅板联箱混合腔），流体区域突然扩大。在小栅板联箱混合腔内插有6盒燃料组件管脚和1盒中子源组件管脚。

图2 计算几何模型及其尺寸Fig.2 Computational geometry model and size

组件管脚的布置方式及编号示于图3。其中，中子源组件编号为1，燃料组件编号为2～7。如图所示，小栅板联箱混合腔内安插的7盒组件，每个三角形代表组件的位置，三角形的尖角代表组件的管脚开孔朝向，而实线和虚线三角形分别代表了组件的两种可能的布置方式。由于进入小栅板联箱混合腔的入口是3个V字型流道（如图中灰色区域所示），所以整体结构具有120°的旋转对称性，经过排列组合，总共有22种布置方式。

图3 组件管脚的布置方式及编号Fig.3 Arrangement and number of assembly pins

2 计算条件设置

计算中，流质为温度t＝360℃的液钠，入口流量Q＝23.94kg／s［1］，钠物性由以下公式［7］计算。

液态钠密度ρ：

动力黏度η：

由式（1）、（2）计算得到液钠密度为864.41kg／m3、动力黏度为3.048×10－4Pa·s。

入口边界为一环形区域，入口速度为0.955m／s。出口边界选择为距小栅板出口5mm处的7个圆形截面，周边6盒组件出口压力为0Pa，中间组件出口流量为0.3kg／s。

计算时采用k－ε双方程湍流模型［8］。由于计算区域复杂，使用结构网格划分网格会使分区复杂，故在保证网格质量和特定区域网格稠密程度的情况下，自动生成四面体非结构网格。网格划分过程中采用了网格一体化、模型分区、使用网格密度函数等技术。

3 计算结果及分析

3.1 计算结果网格无关化

图4示出了数值计算结果的网格敏感性分析。图4中，压降为从入口到小栅板出口的试验件的压降。由图可见，在网格节点数大于500万后，计算的压降变化不大。因此，本工作选择的网格节点数为569万。

图4 网格敏感性分析Fig.4 Analysis of mesh sensibility

3.2 模拟结果与试验结果的对比

对小栅板联箱试验中的试验段（包括小栅板联箱节流件和3个V字型流道）在6种流量（7.68、14.00、19.60、22.12、24.64、27.58kg／s）情况下进行数值模拟，得到6种流量情况下试验段的进、出口压差（测量位置与试验时的相同），与堆外水力试验［3］得到的流量与压差曲线进行对比，结果示于图5。

图5 数值计算结果与试验结果的对比Fig.5 Comparison of numerical and experimental values

从图5可看出，数值计算结果与堆外水力试验的压降结果的差别随流量的减小而减小；数值计算结果总是较试验结果大，且在流量为27.58kg／s时数值计算结果与试验结果的相对偏差达到最大，为6.20%。

3.3 小栅板联箱混合腔内流场分布

对带组件管脚的小栅板联箱（包括小栅板联箱节流件、3个V字型流道和组件管脚）在22种组件管脚布置情况下进行数值模拟。各种组件管脚布置情况下，小栅板联箱混合腔内在组件管脚最上排开孔处水平剖面的流场分布示于图6、7（图中D6、A1等为组件管脚布置方式的编号）。其中，图6为流场分布最均匀和最不均匀情况下的小栅板联箱混合腔内流场分布，图7为其他20种情况下的流场分布。

图6 两种典型的流场分布Fig.6 Distribution of two typical flow fields

3.4 流量分配的结果

为定量表征22种情况下的流量分配结果，引入名为组件流量偏差δ的物理量，其定义如下：

图7 除去典型流量分配情况的流场分布Fig.7 Distribution of flow field except typical flow conditions

组件管脚不同布置情况下的流量相对偏差示于图8。

图8 不同布置情况下的流量相对偏差Fig.8 Flow relative deviations of different assembly installations

由图8可知，组件管脚布置引起组件间流量相对偏差范围为0.41%～2.03%，在第7种组件管脚布置方式下组件间流量相对偏差最大，而在第14种组件管脚布置方式下组件间流量偏差最小。计算结果说明俄罗斯给出的组件间流量的极限相对偏差为5%是合理的，同时也说明俄罗斯的BN系列反应堆中小栅板联箱的流体力学设计是合理的。

第7种和第14种组件管脚布置方式下各组件的流量分配结果列于表1，对应的组件管脚布置方式示于图9。

表1 组件流量分配Table 1 Flow distribution of assemblies

图9 两种典型的布置方式Fig.9 Two typical arrangements

由表1可知，在第14种组件管脚布置方式下（图9a）流量分配结果最接近设计情况下的每个组件流量为3.94kg／s的目标。在第7种组件管脚布置方式中，以2号组件和5号组件为例，由于其组件管脚开孔的朝向不同，导致流入组件内的流量具有明显的差别。造成这样的流量分配差别的原因是：在小栅板联箱的混合腔内，冷却剂的流动方向与组件管脚开孔的方向垂直，所以组件管脚越靠近3个V字型流道，从开孔外围掠过的速度越大，则流入该开孔的流量越小。

3.5 对CEFR燃料组件布置的建议

考虑到CEFR换料的特殊情况（液态钠不透明），结合本工作给出的组件管脚的推荐布置方式示于图10。图中的灰色三角形代表组件管脚，尖角代表组件管脚开孔朝向，在这种组件管脚布置方式中，组件管脚开孔的朝向与组件外包壳的六边形尖角正对。这种组件管脚布置方式虽然不能实现流量分配最均匀，但能有效避免流量分配最不均匀的情况出现，同时不需对目前的换料系统做任何的修改，只需在燃料组件管脚装配时将组件管脚的开孔朝向预先调整到所需的位置。

图10 推荐的组件管脚布置方式Fig.10 Recommended assembly pin arrangement

4 结论

本工作对由节流件、小栅板联箱及燃料组件管脚组成的一体结构在22种情况下进行三维数值模拟，得到的结论如下。

1）使用本文的方法对节流件及小栅板的压降进行三维数值研究，与之前小栅板联箱流动阻力特性试验符合得很好，说明本文的研究方法基本可靠。

2）组件管脚在22种布置方式下，由于组件管脚布置方式引起的流量相对偏差范围为0.41%～2.03%，验证了俄罗斯BN系列反应堆中小栅板联箱在流体设计中的合理性。

3）结合本工作，给出了CEFR中燃料组件管脚的一种推荐布置方式。

［1］ 杨福昌.平衡态氧化铀堆芯稳态热工设计［R］.北京：中国原子能科学研究院，2002.

［2］ 丁振鑫.CEFRⅠ－Ⅱ型小栅板联箱流动阻力特性实验［R］.北京：中国原子能科学研究院，2003.

［3］ 冯预恒，胡文军，乔雪冬，等.CEFRⅠ－Ⅱ型栅板联箱节流件的数值模拟［J］.原子能科学技术，2008，42（增刊）：150－154.

FENG Yuheng，HU Wenjun，QIAO Xuedong，et al.Numerical simulation forⅠ－Ⅱtypes of distribution header throttle structure in CEFR［J］.Atomic Energy Science and Technology，2008，42（Suppl.）：150－154（in Chinese）.

［4］ 冯预恒，胡文军，乔雪冬，等.CEFR小栅板联箱及其节流件数值模拟［J］.原子能科学技术，2008，42（增刊）：463－467.

FENG Yuheng，HU Wenjun，QIAO Xuedong，et al.Numerical simulation for distribution header and throttle structure in China Experimental Fast Reactor［J］.Atomic Energy Science and Technology，2008，42（Suppl.）：463－467（in Chinese）.

［5］ 尤吉堃.小栅板联箱设计图册［R］.北京：中国原子能科学研究院，2002.

［6］ 张学锋.Ⅰ－Ⅱ型小栅板联箱水力特性实验实验加工图册［R］.北京：中国原子能科学研究院，2003.

［7］ 赵兆颐，朱瑞安.反应堆热工流体力学［M］.北京：清华大学出版社，1992：289－290.

［8］ 赵洪章，岳春国，李进贤，等.基于Fluent的导弹气动特性计算［J］.弹箭与制导学报，2007，27（2）：203－205.

ZHAO Hongzhang，YUE Chunguo，LI Jinxian，et al.A missile’s aerodynamic characteristic calculation based on Fluent［J］.Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance，2007，27（2）：203－205（in Chinese）.

Impact of CEFR Core Assembly Installation on Flow Rate Distribution among Core Assemblies

LI Song，ZHOU Zhi－wei，FENG Yu－heng
（China Institute of Atomic Energy，P.O.275－95，Beijing102413，China）

In order to study impact of the core assembly installation on flow rate distribution among core assemblies，three－dimensional numerical simulation was carried out with CFD code FLUENT to investigate the flow rate distribution of 7assemblies installed on China Experimental Fast Reactor（CEFR）type－1distribution header.The calculation results show that the relative deviations of calculated flow rates and their design values under 22kinds of assembly arrangements are 0.41%－2.03%.Not only the flow distribution in the hottest tube can be more accurately determined，but also the reference for the assembly installation in CEFR is figured out according to simulation results.

China Experimental Fast Reactor；distribution header；numerical simulation；assembly pin arrangement；flow distribution

TL331

A

：1000－6931（2015）02－0207－05

10.7538／yzk.2015.49.02.0207

2014－08－29；

2014－10－22

李 淞（1989—），男（彝族），贵州毕节人，硕士研究生，反应堆热工水力专业