承压热冲击瞬态下反应堆压力容器下降环腔内三维热工水力分析

蒋 兴,贺寅彪,张 明

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

0 引言

当一回路发生破口失水事故(LOCA)时，反应堆安注系统应立即向堆芯注水，防止堆芯裸露，保证燃料元件的充分冷却。当安注系统启动，与反应堆压力容器(RPV)壁面温度相差很大的安注冷水瞬间流过高温容器内壁面时，将导致容器壁温度梯度剧烈增加即羽流(Plume)效应，引发容器壁内产生很高的热应力。本文中的“Plume效应”指的是当冷的安注水流进RPV下降环腔时，会在热的RPV内壁面沿着流动方向自上而下产生一条狭长的低温区。如果同时在系统内存在压力或较高的剩余压力时，通常被称为受压热冲击(PTS)。

但只要容器有足够的断裂韧性，这样的瞬态是不会引起容器的失效。随着核电厂运行接近寿期末，由于快中子辐照导致RPV带区的材料断裂韧性下降，发生承压热冲击(PTS)事件就可能引起内表面附近的缺陷贯穿壁厚，根据事故的发展，这样的贯穿裂纹(TWC)可能导致堆芯大量失水而引起熔化。因此，设计时必须考虑安注时由瞬态流动传热带来的热应力问题。对安注时安注接管口附近及RPV下降环腔内的流动和对瞬态温度变化过程的研究，对于正确设计RPV以及安注系统都是非常有意义和必要的。自20 世纪60 年代以来，很多国家就展开了对RPV在安注时RPV内的流动和传热研究[1-6]。

本文选取一个典型可能引起羽流(Plume)效应的PTS瞬态(稳压器卸压阀卡开事故瞬态),进行RPV下降环腔内三维热工流场分析研究。

1 结构简述

图1示出RPV结构。安注管在离RPV冷段进口管2.788 m处的冷却剂主管道上，它与主管道垂直相交，冷却剂主管道接近RPV冷段处有一个弯头(见图2)。RPV下降环腔高度为5.8 m，环腔间隙(RPV内壁面与吊篮间距离)为0.226 m。当发生电厂失水事故时，冷的安注水从安注管注入冷却剂主管道，与冷却剂主管道中的高温流体混合,当混合不充分的流体流进RPV下降环腔后可能在RPV进口管下方形成羽流(Plume)。

图1 反应堆压力容器结构示意

图2 反应堆压力容器、冷却剂主管道及安注管的布置

2 数学模型

在反应堆压力容器下降环腔的热工水力分析计算时，设流体为黏性不可压缩的湍流流动，采用k-ε湍流模式。流体与固体间为热耦合计算，采用如下传热模型[7]。 固体内的热传导方程为：

式中λ——固体的导热系数；

T,t——固体温度(℃)、时间(s)；

x，y，z——3个相互垂直的坐标轴；

q——固体内的热源，W/m3；

ρ0——固体密度,kg/m3；

cp——等压比热容,kJ/(kg·℃)。

在贴近RPV内壁面处，流体与固体之间热量的对流换热系数可表示为：

式中λ——流体的导热系数；

ΔT——换热面上的温差,℃;

3 分析模型及网格划分

根据某核电站中的压力容器、冷却剂主管道和安注管的设计图(见图1，2)，采用1/2对称建立计算模型，图3为CFD计算模型图。简化的模型包括冷却剂主管道、安注管和压力容器下降环腔中的流体及铁素体压力容器。CFD模型包括687 151个流体网格和311 388个固体网格。在稳压器卸压阀卡开事故瞬态工况中假设为时间t<65 s时所有流体边界条件瞬态值基本保持不变；当t>65 s时，以稳态计算结果作为瞬态计算的初始值。CFD瞬态计算中，在安注管和冷却剂主管道的入口定义的速度和温度值作为进口边界条件，其速度与温度值由热工水力计算程序RELAP通过对整个系统的计算获得。流体进入反应堆压力容器下降环腔后沿容器壁面流动，热量在两种物质间传递，流体流过容器壁面后，在下降环腔底部流出作为出口边界条件。模型假设吊篮为温度不变，在瞬态计算中吊篮壁面对下降环腔温度无影响，采用Realizablek-ε湍流模型,在计算模型中施加了重力影响，水的密度设置成随温度变化。

图3 CFD计算模型及网格划分

4 输入条件

计算区域流体设为不可压缩湍流，采用Realizablek-ε湍流模式。流体物性采用温度为280 ℃，压力15.5 MPa时的值。RPV的材料是国产A-508 Ⅲ铁素体钢。由于容器外壁面覆盖有绝热层，假设不与外界交换热量，因此使用绝热边界条件。吊篮温度使用定常值。压力容器进口与安注管进口的流速是根据反应堆系统热工计算程序RELAP在稳压器卸压阀卡开事故瞬态下的计算获得的，因此压力容器进口管和安注管进口给出随时间变化的速度值。设定压力容器进口管和安注管进口流体随时间变化的温度值。出口则采用压力边界条件,压力值随时间变化。

5 计算结果

瞬态计算过程中典型时刻的温度分布见图4～6。从图4可以看出，在瞬态时间t=180 s时，在RPV内壁面出现明显的Plume现象，平均宽度约为1.25 m。在180 s时，安注流量发生了显著变化，因此Plume出现了偏斜的现象。

图4 t=180 s时RPV内壁面温度分布云图

图5 t=180 s时容器内壁面、主管道和安注管温度分布云图

图6 t=6 125 s时RPV内壁面温度分布云图

图7 t=180 s时安注管内流体温度流线图

图7，8分别示出时间t=180，6 125 s时安注管内流体温度流线图，反映了安注管内冷流体被混合加热的过程。图9，10分别示出时间t=180，6 125 s时，RPV内壁面不同高度处(Z值不同)的温度分布，其中Z值为距离容器下降环腔出口面的垂直距离，容器内壁面的不同高度处温度分布图中的横坐标为模型中Y的坐标值。

图8 t=6 125 s时安注管内流体温度流线图

压力容器内壁面相同高度处(Z值相同，Z值为距离容器环腔下降通道出口面的垂直距离)最大温差随时间变化关系见图9，周向温度分布体现出较大的非轴对称性，最大温差达50 ℃。

图9 压力容器内壁面相同高度处最大温差随时间变化关系

图10 压力容器内壁面、主管道中轴线上关键点

(Z=4.1 m)温度随时间变化关系

处于接管入口区域，压力容器内壁面、主管道中轴线上关键点(Z=4.1 m)温度随时间变化如图10所示。这里的关键点是指压力容器上温度变化对结构影响比较大的部分。

6 结论

通过承压热冲击瞬态下RPV下降环腔内热工水力分析，获得了典型PTS瞬态工况下，RPV内壁面的详细温度分布和流体在容器下降环腔内的流场分布，为PTS下RPV应力分析和完整性提供了热工输入数据。 同时通过计算，瞬态时间t=180 s时，在容器内壁面出现了羽流(PLUME)热工水力现象，此现象对RPV筒身将产生较大的周向应力，对环焊缝及环向缺陷的强度和完整性评估有重要影响。 本文为PTS瞬态下RPV断裂力学分析提供了热工输入依据。