基于CFD方法的反应堆压力容器下封头内流场分析

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1、基于CFD方法的反应堆压力容器下腔室内流场分析周冰卢向晖崔旭阳[中科华核电技术研究院，518026][摘要]用CFD方法进行容器内与管道内流场的数值模拟已经在电厂热工水力设计中得到广泛应用。分析反应堆压力容器下腔室内流体流动特性是核电厂水力学设计的一项重要内容。它关系到堆内结构设计、堆芯入口流量分配以及核电站的经济性和安全性。本文对国外相关研究进行了介绍，并使用CFD软件FLUENT对国内现役核电站在发生主蒸汽管道断裂事故时的反应堆压力容器下腔室内流体流动特性进行了模拟，并将数值模拟结果与实验结果进行了对比分析，显示理论计算取得了很好的结果。这些结果可为将来核电

2、站改造与新型核电站研发提供参考。[关键词]CFD模拟反应堆流场分析AnalysisofflowfieldinthelowerplenumofpressurevesselbasedonCFDMethod[ZhouBing，LuXiangHui，CuiXuYang][ChinaNuclearPowerTechnologyResearchInstitute,518026][Abstract]ThenumericalsimulationofvesselandtubeinternalflowfieldusingCFDmethodhasbeenwidelyusedinthe

3、thermal-hydraulicdesignofpowerplants.It’sanimportantworktoanalysistheflowfieldinthelowerplenumofpressurevessel.Theanalysisresultisrelatedtothecoreconstructiondesign,theflowdistributionatcoreinlet,theeconomyandsafetyofnuclearpowerplants.Inthispaper,theforeignresearchesareintroduced.Th

4、emethodissupported,whichisnumericalsimulationfortheflowfieldinlowerplenumofpressurevesselatmainsteamlinebreakaccident.TheFLUENTcodeisused.It’soneoftheCFDsoftware.Thesimulationresultsareverysimilartotheresultsobtainedontest.Theresultswouldoffersomeguidelinestotheactivenuclearpowerplan

5、tsimprovementandthenewpowerplantsdesign.[Keyword]methodofCFD;core;analysisofflowfield1前言对于压水堆核电站而言，一回路中各条环路的冷却剂进入压力容器后，首先要经过环腔下降段和下腔室才能进入反应堆堆芯。因此,冷却剂在下腔室内的流动与搅混情况对堆芯入口处流量分配将产生影响,从而影响到堆芯内冷却剂的温度场和流场。尤其是在发生二回路主蒸汽管道断裂事故后，二次侧受影响环路的蒸汽流量迅速增加，导致相应的一次侧环路的冷却剂温度快速降低，如果在下腔室与其它环路的冷却剂搅混不足，将导致堆芯过冷，

6、堆芯在停堆后很可能重返临界并存在发生偏离泡核沸腾的风险，导致燃料棒破裂，严重影响核电站的安全性。所以在任何压水堆核电站设计中，计算压力容器下腔室冷却剂搅混的流量分布和温度分布，都是非常重要的工作。我国的现役核电站以压水堆核电站为主，无论是秦山核电站、大亚湾核电站还是即将投入运行的AP1000三代核电站，均是压水堆核电站。所以对于压水堆核电站压力容器下腔室冷却剂流场分布的研究，无论是对于现役核电站安全性的提升还是新型三代核电站的研发都具有重大意义。2CFD方法在下腔室流场分析中的应用CFD技术在国外应用于工程领域较早，并已经成为一种成熟的的工程设计辅助手段。数值模

7、拟技术的应用大大减少了实验成本，并扩大了实验范围。在法国、美国和日本的新型压水堆核电站设计中均有广泛使用。在法国三代核电站EPR机组的设计中，应用朱丽叶实验得到堆芯入口温度分布，同时使用CFD模拟的理论分析结果与实验结果进行对比，并延伸实验范围得到在不同工况下的堆芯入口温度分布，通过取包络值拟合出计算堆芯入口温度分布的公式。在美国三代核电站AP1000机组的设计中，由于AP1000压力容器下腔室结构较西屋设计的二代压水堆核电站做了很大改变，所以电站设计人员应用Fluent软件对新结构的三维流场、压力分布以及堆芯入口流量分配进行了模拟计算。通过不同工况计算结果的分

8、析，验证了AP1000结