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第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议 具有热管冷却的乏燃料池的温度特性分析 郑文龙，耑锐，王文 （上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240） （联系：021-34206096，E-mail：） 摘要 运用商业 CFD 软件对应用了分离式热管完全非能动冷却系统的乏燃料水池进行三维数值模拟， 呈现并分析了分离式热管内工质在四种不同温度下时乏燃料水池内的流体流动和温度特性，证明了当热管内温度小于等于 60时，该方案能保证乏燃料水池长时间处于安全温度以下， 并为下一步离式热管的技术研究设计和设计方案的优化提供了良好的参考和辅助手段 关键词 分离式热管；乏燃料水池；三维数值模拟；完全非能动冷却系统 0.引言 由于目前核反应堆乏燃料水池中还没有非能动冷却设计， 当核电站发生严重事故后乏燃料水池可能会长时间失去能动冷却能力，进而使乏燃料水池水位下降，乏燃料棒暴露于空气中，最终导致大量放射性物质外泄，造成难以估量的核污染，特别是在 2011 年 3 月的福岛核事故造成了放射性物质大量泄漏之后，如何确保核反应堆的固有安全成更为全世界核电发展过程中亟待解决的问题1目前一种方案是将分离式热管运用于乏燃料水池完全非能动冷却系统中， 即使发生事故断电后， 分离式热管热可以带走大量的衰变热，保证乏燃料水池的安全。

由于现阶段还没有建立堆外的模拟装置进行试验， 所以在试验前对乏燃料水池内流场进行数值模拟并分析乏燃料水池中的热工特性是非常必要的，可以为试验方案（分离式热管的设计，热管的排布）的确定提供非常好的技术依据 本文运用商业数值模拟软件在热管内工质温度分别为 40,50,60,70时对乏燃料水池进行三维数值模拟，得出热管内部工质温度的不同对乏燃料水池热工特性的影响 1.设计方案 由于认为乏燃料水池内的排布上下及左右对称， 所以取水池的四分之一进行模拟， 三维模型图见图1将乏燃料水池向四周扩展 1.4m，在扩展区域均匀布置 7 排分离式热管，整个水池周围均匀布置 1540根热管，分离式热管的蒸发端布置在池内，冷凝端延伸至水池外部由空气进行冷却热管间横向和纵向间距分别为 200mm 和 170mm（见图 1（b） ）,热管蒸发端高 7.6m，直径为 0.1m为增强对流换热强度，用隔板将热管布置区域与主体水池区域隔开，隔板的上下方分别留有 1.5m 和 2m 的流水孔洞国核压水堆示范工程燃料组件从反应堆卸载后， 贮存在辅助厂房的乏燃料池中， 由于乏燃料组件的衰变热引起浮力驱动流，向上流动，通过隔板上方的孔洞流入分布在乏燃料水池四周的热管区域，将热量传递给热管，被冷却的流体向下流动，通过隔板下方的孔洞流回热源区，如此循环，使乏燃料水池的温度控制在合适的范围内。

第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议 （a）侧视图 （b）俯视图 图 1 带有非能动冷却系统的乏燃料水池的三维模型图 2.数值模拟 2.1 模型的简化 考虑到燃料组件内部的水流压降主要有三部分组成， 即摩擦阻力引起的沿程压降和流道改变引起的局部压降以及重力压降，为简化模型，将乏燃料水池中每个贮存格架单元定义为多孔介质体热源2，3，在多孔介质区域的流体动量方程中引入动量源项， 在热量一方面通过流过多孔介质的冷却剂带走， 另一方面通过贮存格架单元的壁面传递给外面的流体 2.2 数学模型 连续性方程： ()0iitux+= （1） 动量方程： ()()22jiijMiiituu uSxxx+= + （2） 其中SM为阻力特性源项 适用于多孔介质区域的能量方程 第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议 SSxuJhxxkxhUxhhhshfkiikiieffififissffDtDPjjjTt)1 ()()()1 (+=+ （3） 其中 多孔介质的孔隙率 keff=kksf)1 (+，为介质的有效热传导系数 hf流体的焓 hs固体的焓 Shf流体焓的源项 Shs固体焓的源项 对于多孔介质流动，FLUENT 仍然解标准能量输运方程，只是修改了传导流量和过渡项。

在多孔介质中，传导流量使用有效传导系数，过渡项包括了介质固体区域的热惯量 2.3 计算方法及边界条件 假定水池中乏燃料棒的发热量 16MW，由于取四分之一水池模拟，所以热源热流量为 4MW考虑到乏燃料组件的几何形状， 多孔介质采用毛细管类型的多孔介质， 并根据毛细管类型的多孔介质确定其相关参数4热管壁面设置为对流换热边界条件，热管内部对流换热系数设为 1500W/(m2 K)水池顶部仍设置为壁面，但考虑到气液界面处表面张力会对水的流动产生影响5，所以在水池顶部壁面处设置表面张力梯度由于该计算涉及到较大的传热量，考到局部温差可能会很大，Boussinesq 假设可能难以适应较大的温差，固拟合了一个 100内水的密度随温度变化的函数，通过 udf 导入计算模型中乏燃料水池四周表面、底面、及隔板壁面为绝热壁面，这样增加了数值计算的保守性 采用稳态隐式求解，压力速度的耦合方式采用 SIMPLE 算法 3计算结果及分析 取图 1（b）中的 BC 方向做一个剖面进行分析，下面分别给出该剖面的等温度线图，等流速线图，以及流向图第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议 （a） (b) (c) (d) 图 2 四种情况下乏燃料水池中的温度曲线 (a)热管温度为 343K.(b)热管温度为 333K.(c) 热管温度为 323K.(d) 热管温度为313K. 第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议 (a) (b) (c) (d) 图 3 四种情况下的等流速曲线图. (a)热管温度为 343K.(b)热管温度为 333K.(c)热管温度为 323K.(d)热管温度为 313K第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议 (a) (b) (c) (d) 图 4 四种情况下的流线图. (a)热管温度为 343K.(b)热管温度为 333K.(c)热管温度为 323K.(d)热管温度为 313K 3.2 结果分析 由图 3、4 可以看出分离式热管内工质取不同温度时乏燃料水池内流体运动规律基本相同，流体由隔板下方的通道流入热源底部，低速通过热源后均匀向上流动，通过隔板上方的通道流入热管区，形成在冷热源区间的有的效流动循环。

第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议 在乏燃料水池中热源上方的空旷区域，由于浮升力的影响，流体向上流动，而且越靠近水池中心流体流速越大在靠近水池顶部时，流体由表面张力引导向温度较低的热管区流动，由于热管排列紧凑，热管区总体阻力较大， 所以有一部分流体并没有通过热管区， 而是沿隔板与乏燃料水池间的区域向下流动，形成流速较低的涡旋（由图 4 流线图可以看出） 流体沿热管向下流动时，由于流体温度逐渐降低使其密度增大以及重力的作用， 流体流速沿流动方向逐渐增大， 而且越在靠近热管壁面处体现的越明显通过热管区的流体沿隔板下方的通道向热源区流动， 一部分流体以较大的流速直接通过贮存格架 （热源区）与隔板间的空隙直接向上流动，流向热源上方的区域，对该区域的流场会形成一定的扰动作用，另一部分由热源底部垂直向上通过热源，由于热源内部阻力较大，通过热源区的流体的流速最小 乏燃料水池中，由热源引起的浮升力是引起流体循环流动的主要原因，由图 2 可以看出，四种情况下乏燃料池中冷热源之间的温差几乎相等，均在 28左右，所以产生的浮升力效果相差不大，水池中流体流速大小变化不大， 流体流速在热源上部区域和热管下端壁面处较高， 热源上部区域流速最大能达到 0.22m/s，热管下端壁面附近流速最大可达到 0.2 m/s，热管区流体的平均流速在 0.04-0.05 m/s 之间。

在水池顶部，表面张力也会对流体产生较大的流速，此处流体最大流速可达到 0.1 m/s 左右流速在热源区域最低，最低可达 0.02m/s 由图 2 可以看出几种情况下乏燃料水池内的整体温度场 在热源区的上端温度最高， 热管壁面处温度最低在热源上方的区域，高温流体沿主流方向向上流动并由顶部表面张力的作用向热管区流动，在该主流方向上流体整体温度较高，而且由于主流区流体流速较高，所以流体温度分布比较均匀在隔板内侧的涡旋区，流体温度较低在热管区域，沿热管向下，流体温度逐渐降低，并在热管底部流体温度达到最低水池中最高温度和最低温度之差为 28 由图 2（a） ，当热管内工质温度为 70时，水池内最高温度为 371K，小于水的饱和温度，水不会发生沸腾，热管下端处主流区流体温度为 363K，热源上方区域水的平均温度在 365K 左右,虽然水池内水不会发生沸腾，但水池内整体温度超过 353K，会造成部分放射性物质散发到大气流过热管区的流体流量为 554Kg/s热管带走的热量为 3790000W 由图 2（b） ，当热管内工质温度为 60时，水池内最高温度为 363K，小于水的饱和温度，热管下端处主流区流体温度为 353.5K，水热源上方区域水的平均温度大约为 355.5K，考虑到数值计算的保守性，可以认为当热管内工质温度为 60时，乏燃料池可以仅靠非能动冷却保持水池内温度长时间处于安全温度以下。

流过热管区的流体流量为 530Kg/s热管带走的热量为 3815000W 由图 2（c） ，当热管内工质温度为 50时，水池内最高温度为 352K，小于水的饱和温度，热管下端处主流区流体温度在 343K 左右，热源上方区域水的平均温度大约在 345K 左右，流过热管区的流体流量为 504Kg/s热管带走的热量为 3780000W，基本能够满足冷却要求 由图 2（d） ，当热管内工质温度为 40时，水池内最高温度为 343K，小于水的饱和温度，热管下端处主流区流体温度在 333K 左右，热源上方区域水的平均温度大约在 335K 左右，流过热管区的流体流量为 490Kg/s热管带走的热量为 3774000W，基本能够满足冷却要求 在该种设计方案下，流体流过热管区降温不大，大约在 2左右，但流过的流体质量较大，属于大热流量小温差现象当热管内工质温度小于等于 60时，该完全非能动冷却方案能保证乏燃料水池在第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议 较长时间内处于安全状态热管内工质温度越高，水池整体温度越高，流过热管区的质量流量越大，在一定程度上增大了流动阻力热管内工质温度越低，水池内整体温度越低，乏燃料水池安全性越高，流过热管区的质量流量也较小， 在一定程度上会减小流动阻力， 但工质温度的降低也会增大热管设计的难度。

而且，通过三维数值模拟可以看出，气液界面处的表面张力对流体流动的影响是不可忽略的 4.结论 本文将分离式热管完全非能动冷却系统应用于乏燃料水池，在热管内工质处于 40，50，,60,70四种不同温度时对乏燃料水池进行了三维模拟与分析，呈现出不同情况下乏燃料水池内的温度分布特性与流动特性 在四种情况下， 乏燃料水池内均能形成在乏燃料和热管间的有效流体循环，热管区流体平均流速在 0.04-0.05 m/s 之间，流体流过热管区后温度降低 2左右，属于大流量小温差流动传热得出当热管内温度小于等于 60时该完全非能动冷却方案能满足冷却要求热管内工质温度越高水池整体温度越高，通过热管区流体质量流量越大，热管内工质温度越低，水池内整体温度越低，流过热管区的质量流量也较小，但热管内温度太低会增大热管设计的难度通过本次模拟也可以看到流体表面张力对流体流动的影响 本次数值模拟也为下一步的分离式热管设计和乏燃料水池内热管排布的优化提供了参考 参考文献 1. 廖智杰，任玉新，沈孟育.中国实验快堆事故停堆后余热排放过程的数值模拟J.核科学与工程，1999 年，第 19 卷，第 3 期：201-210. 2. 王金华，薄涵亮，姜胜耀，郑文祥.池式反应堆对内流场数值模拟J.原子能科学技术，2005 年，第 39 卷，第 4 期：322-325. 3. 于立章，孙立成，孙中宁.骨架发热多孔介质通。