模块化RPV支座冷却结构优化设计分析

摘要：压力容器支承支座是反应堆重要组成部分，其主要功能是定位反应堆压力容器并传递工况载荷。受一回路冷却剂高温影响，支座应考虑必要的通风系统，以确保支座混凝土基台的工作温度不超过设计限值。文中以模块化RPV支承支座为研究对象，建立支承支座通风冷却结构的CFD模型进行温度场仿真，研究通风系统对支座温度的影响，完成支座混凝土基台工作温度的评估，结合分析成果给出RPV支座通风结构的优化，为模块化RPV支座的优化设计提供理论依据。

关键词：RPV支座；通风系统；温度场；优化设计

模块化反应堆压力容器（RPV）支座为反应堆压力容器新型支承结构，整个支座采取模块化制造，安装在支承预埋件上，采取四位一体支承方式[1]，结构如图1所示。一回路冷却剂流经反应堆压力容器，温度相对较高，部分热量经容器接管支座直接传入支承支座结构，在反应堆冷却剂载荷作用下，热量经由反应堆压力容器传递给支座并最终传递给支座混凝土基台，使混凝土基台温度升高，降低基台支承强度。板壳型支承结构在M310反应堆压力容器支承中得到较早应用，AP1000反应堆支承技术同样采取类似结构，根据反应堆本体质量及设计工况载荷确定接口，M310支座设有专门的通风通道，循环送风冷却从压力容器传过来的热量，AP1000技术采取自下而上的堆腔通风冷却技术。两种RPV支承结构均从国外引进，目前没有相关热特性理论分析。模块化支座直接和压力容器上的辅助支座接触，且包覆保温层，使得RPV支座温度较高，为避免支座周围混凝土基台工作温度超过限值80℃，因此，有必要对支座内腔进行风量流场分析，全面认识结构在热载荷下的热特性规律，并确定必要的流场参数，从而指导模块化RPV支座的结构优化设计。

1模块化支座冷却结构

图2给出了支座固体域部分。支座底面与压力容器的高温部分接触，热量通过支座传递给侧部垫板和加强筋板。位于支座中部矩形口为通风进口端，冷却风经支座内腔然后从两侧出风口进入堆腔，其支座流体域模块如图3所示。建模中不考虑支座内的垫板、螺栓等，而将垫板、支座等材料的导热系数进行当量化处理。对于支座内侧面，由于实际安装时与压力容器高温部分存在0.4mm的间隙，因此在计算中可以通过施加温度边界考虑该侧面对支承传热的影响。由于支座不涉及流体流动，可以忽略内部垫板对流场分析的影响。

2板冷却流场分析

2.1模块化支座结构网格

模块化支座固体域结构较为规则，所划分的六面体网格单元如图4所示。为检查网格数量对计算结果的影响，固体域网格划分了Scase1、Scase2、Scase3三种方案，冷却空气经送风管道进入支承结构后，经导流板（散热板）与侧板之间的空隙流向出口，而该处的气流流动情况又需要重点关注，为准确捕捉该狭长区域的流动信息，间隙处的网格数量不少于10个。图5为整个流体域的网格单元图，出风口区域气流存在回流，而且气流速度梯度可能较大，对出口处网格进行了加密处理。另外，为了获得准确的计算结果，在流固交界面流体域侧，对网格单元的尺寸进行了控制，以便能准确计算靠近壁面处附面层内的气体流动。

2.2流场温度场仿真

2.2.1边界条件1）进口边界条件。设定进口流速为13.8m/s（即体积流量为1000m3/h），进口空气温度设定为15℃。2）出口边界条件。设定为Opening边界，给定出口静压为0Pa，考虑到有回流，根据计算得到的出口温度设定回流的温度；设定的函数关系如下：OutT1=areaAve(T)@out1OutT2=areaAve(T)@out2其中，areaAve(T)表示针对出口截面out1或out2上的温度取面积平均。3）壁面边界条件。所有壁面均设置为无滑移边界；每个压力容器支承表面的温度计算结果设定为200℃，其他壁面（除了与热源相邻或相接部分）均不考虑传热，即设置为绝热边界。4）流固交界面。流体域和固体域的交界面上，考虑传热，设定为ConservativeInterfaceFlux[2]。5）固体材料。RPV支承结构所采用的材料主要有Q235、20钢、Q345、42CrMo、15MnNi等，不同材料的导热系数有所不同，主要物性参数如表1所示[3]。2.2.2温度场仿真为验证网格无关性，分别按case1、case2、cese3等3种分网方案进行温度场仿真，图6为支座侧板外表面温度场云图，在3种方案仿真结果中，最大温度为74.2℃，最低温度为27.4℃，3种网格方案仿真结果变化较小，由此可见，以上网格划分对仿真结果影响较小，网格划分满足计算要求。图7为3种网格方案下的支座底板温度场仿真结果，支座底板支承在混凝土上，最高温度为31.5℃，最低温度为23.3℃，整个底板温度相对较低，对混凝土基台的影响较小。

3结构优化分析

3.1结构优化

RPV支座采取单独的冷却系统，通过分析，支座侧板和混凝土接触区域最高温度达到74.2℃，不超过混凝土温度设计限值要求，但结构中应单独为RPV支座提供通风通道，使通风结构系统复杂。另外，为满足整个反应堆温度设计要求，在堆腔中设计有由堆底到堆顶的通风系统，可带走RPV保温层表面及堆顶结构的温度，因此RPV支座冷却通风系统可取自这部分通风量进行支座冷却，并将支座通风口改向内侧，上部加装导流板，可将部分堆坑通风引向支座内腔进行冷却，相应结构变化如图8所示。

3.2温度场仿真

图9给出了冷却空气进风口流速为5m/s、空气温度为30℃时RPV支承结构流场分布矢量图。由图9可以看出，来自反应堆底部的冷却空气在上挡板的阻挡下，一部分气流经过附加区域的两个侧面流向反应堆上方，这部分气流流速较高，大部分在5m/s以上；另一部分气流进入RPV支承结构内容，腔内气流流速相对较低，大部分不超过4m/s。在中间导流板作用下，分为两股气流分别流向支承结构的2个出风口，在出风口处气流流速增大，而且气流主要集中在出风口上部流出。支承结构腔内气流流动较为复杂，存在漩涡。图10给出了模块式RPV支承结构整体温度分布云图。可以看出，在热源面设定为125℃时（计算中将基准温度设置为273K，因此实际施加摄氏温标时的温度值为124.85℃），结构整体上上部温度高，下部温度低，中间温度较高，两侧温度较低。支座大部分区域的温度不低于94℃，而下盖板大部分区域温度不超过56℃，支座两侧与混凝土接触区域温度将近77℃，已逼近混凝土设计许可温度限值。

4结论

1）如单独给RPV支座设计通风系统，由于进口温度较低，对支座的冷却效果较好，很容易满足支座的冷却要求，但设计单独的通风系统会增加反应堆辅助冷却系统的复杂性。2）优化后的RPV支座结构，采取进风口流速为5m/s、空气温度为30℃时RPV支座流场能较好地满足冷却要求，因此在设计中应在堆腔侧部设计较大的引流槽，相应改变支座内侧导流板的结构，使更多的冷却空气进入支座，最大限度地降低支承支座两侧温度，确保不超过混凝土设计温度限值。3）在优化方案中，由于采取堆坑通风系统，不需要设计独立的通风冷却系统，使得模块化压力容器支座结构紧凑，反应堆制造及运行成本降低。

[参考文献]

[1]甘斌，陈数，谭波，等.一种反应堆压力容器模块式支座支承：201220267462.6[P].2013-01-02.

[2]许洋，党沙沙，胡仁喜，等.ANSYS11.0/FLOTRAN流场分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]戴锅生.传热学[M].北京：高等教育出版社，1999.

作者：何震 田俊科 陈富财 陈树 谢永奇 单位：中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室