楊愛民，宋厚德，劉曉晶

海洋工況下海洋小堆熱工水力特性分析

楊愛民，宋厚德，劉曉晶

（上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

海洋的開發(fā)，對核能有很大的需求空間。相較于陸基堆，海洋小堆在堆形的結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備及系統(tǒng)布置等，有著不同的特征。為適應(yīng)船舶艙室與海洋環(huán)境，本文參照某型模塊化小堆的主要設(shè)備結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布置，得到一種改進(jìn)后的海洋一體化小堆設(shè)計方案和設(shè)計參數(shù)。使用添加了海洋工況計算模塊的RELAP5軟件，對其中一個設(shè)計方案，引入海洋工況；通過和船舶設(shè)計單位的深度合作，得知其在產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計中重點(diǎn)關(guān)注的搖擺及傾斜工況：一般設(shè)計角度：22.5°以及極限設(shè)計角度：45°等。在強(qiáng)迫循環(huán)及RELAP5穩(wěn)態(tài)卡中暫未加入控制模塊的情形下，根據(jù)模擬結(jié)果，觀察和分析關(guān)鍵熱工水力參數(shù)的運(yùn)行特性。

海洋小堆；海洋工況；RELAP5；熱工水力

針對海上航行或是錨地錨泊的船舶，考慮的海洋環(huán)境因素主要有風(fēng)、浪、流以及潮汐等。受到上述海洋工況及船體機(jī)動等的影響，裝載于船舶之上的反應(yīng)堆及其系統(tǒng)會產(chǎn)生不同程度的起伏、搖擺和傾斜。進(jìn)而改變：反應(yīng)堆的幾何姿態(tài)、容器水位和冷熱源間有效高度差，同時也會引入附加的加速度等。給反應(yīng)堆的運(yùn)行安全帶來不可忽視的影響，也使得船用反應(yīng)堆必須滿足一些不同于陸上核電廠的特殊要求，即：船用反應(yīng)堆必須具備一定的搖擺、沖擊和振動條件下穩(wěn)定可靠運(yùn)行的能力[1-3]。

本文參考某型一體化小堆的設(shè)備結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布置，設(shè)計出全新的幾何尺寸，得到更適于狹窄艙室環(huán)境的改進(jìn)型海洋小堆概念設(shè)計。以此作為模型基礎(chǔ)，對海洋小堆進(jìn)行RELAP5建模，調(diào)節(jié)參量，得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)。隨后，引入海洋工況，計算和分析在海洋工況下海洋小堆的熱工水力特性變化。

1　海洋小堆初步設(shè)計

1.1　典型模塊一體化小堆介紹

某型一體模塊化設(shè)計的反應(yīng)堆，如圖1所示，其整體結(jié)構(gòu)由反應(yīng)堆壓力容器、直流蒸汽發(fā)生器、屏蔽泵、反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件和一體化堆頂結(jié)構(gòu)等組成。直流蒸汽發(fā)生器位于反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器內(nèi)部，屏蔽泵通過短管嘴直接連接到反應(yīng)堆壓力容器。表1為其主要的設(shè)計參數(shù)[4-6]。

圖1　某型一體化小堆整體結(jié)構(gòu)圖

表1　某型一體化小堆的主要設(shè)計參數(shù)

1.2　初步設(shè)計方案

本文以某型一體化堆形的成熟設(shè)計為參考，按照其主要結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布置原理，初步設(shè)計出了海洋一體模塊化小堆概念圖，如圖2所示，在圖中沿軸向標(biāo)注的A、B和C區(qū)域，將反應(yīng)堆壓力容器分為主要的三個部分。區(qū)域A為上腔室，即壓力調(diào)節(jié)腔室，頂部有汽空間存在；區(qū)域B為壓力容器的中間部分，安裝著各類的設(shè)備和堆內(nèi)構(gòu)件，有：直流式蒸汽發(fā)生器、二回路主給水入口及主蒸汽出口、主泵出入口、控制棒導(dǎo)向管/筒、支撐結(jié)構(gòu)和其他堆內(nèi)構(gòu)件等。區(qū)域C為堆芯所在區(qū)域，布置有燃料組件及其他構(gòu)件，下部支撐結(jié)構(gòu)用以支撐堆芯和上部結(jié)構(gòu)。沿徑向壓力容器主要被分為兩部分，吊籃內(nèi)的區(qū)域和吊籃與壓力容器之間的區(qū)域。16個直流式蒸汽發(fā)生器和4個屏蔽主泵的接口就布置在B區(qū)域中內(nèi)膽和壓力容器之間的區(qū)域。表2為其主要的設(shè)計參數(shù)。

圖2　海洋一體模塊化小堆概念設(shè)計圖

表2　海洋小堆主要設(shè)計參數(shù)

有關(guān)一回路冷卻劑循環(huán)回路，首先，冷卻劑由堆芯底部進(jìn)入堆芯，經(jīng)堆芯及內(nèi)部構(gòu)件，沿著吊籃內(nèi)部，一直向上流動，冷卻劑到達(dá)吊籃頂部，也就是區(qū)域B的上部之后；冷卻劑分為兩部分，其中一部分沿著吊籃和壓力容器之間的區(qū)域向下流動；另一部分，則進(jìn)入直流式蒸汽發(fā)生器的一次側(cè)入口，流經(jīng)蒸汽發(fā)生器傳熱管，到達(dá)蒸發(fā)器的一次側(cè)出口，即區(qū)域B下部以及吊籃和壓力容器之間的區(qū)域，在這里兩部分冷卻劑混合后，將由四臺主泵通過中間隔板，輸送到下方C區(qū)域。冷卻劑通過吊籃和壓力容器之間的下降通道，到達(dá)堆芯底部，再通過支撐板向上進(jìn)入堆芯，完成冷卻劑的一次循環(huán)。

2　主冷卻劑系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖建模與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

2.1　主冷卻劑系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖的建立

采用程序RELAP5對主冷卻劑系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)化建模[7]。主要的設(shè)備結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)包括：堆芯，吊籃內(nèi)部，下降段，上腔室、下腔室，直流式蒸汽發(fā)生器，給水管，蒸汽管，主泵，穩(wěn)壓器等。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的劃分，如圖3所示。其中圖3為RELAP5程序展示的三維節(jié)點(diǎn)圖，圖4為主冷卻劑系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖。由于本論文側(cè)重研究海洋工況對熱工水力運(yùn)行參數(shù)的影響，不考慮參數(shù)的空間分布情況，只需關(guān)注堆芯的平均特性，因此堆芯采用平均通道（100）建模方法，暫不考慮堆芯旁流，沿軸向劃分為10個控制體，堆芯熱構(gòu)件也劃分了10個網(wǎng)格，和水力控制體相對應(yīng)。直流式蒸汽發(fā)生器傳熱管沿軸向劃分了10個節(jié)點(diǎn)，其中傳熱管內(nèi)側(cè)為蒸汽發(fā)生器的一次側(cè)（601）；并認(rèn)為蒸汽發(fā)生器殼內(nèi)側(cè)二回路（501）和殼外側(cè)一回路（301、112）存在換熱。

圖3　RELAP5 3D-GUI節(jié)點(diǎn)圖

圖4　海洋小堆主冷卻劑系統(tǒng)計算RELAP5節(jié)點(diǎn)圖

2.2　滿功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

查閱國際標(biāo)準(zhǔn)水蒸氣表可知，在壓力為15.0 MPa，堆芯進(jìn)出口溫度分別是286.5 ℃和319.5 ℃下，對應(yīng)的水的焓值分別為：1 266.4 kg/s和1 450.9 kg/s。根據(jù)此前設(shè)計的反應(yīng)堆熱功率為300 MW，由下式可推出堆芯的流量為：

如表3所示，為堆芯主要設(shè)計參數(shù)和RELAP5軟件模擬結(jié)果比較；圖5為RELAP5堆芯流量和堆芯進(jìn)、出口溫度模擬結(jié)果。

表3　堆芯主要參數(shù)設(shè)計值和模擬值對比

圖5　RELAP 5穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果圖

3　海洋工況的引入及熱工水力關(guān)鍵參數(shù)選取

3.1　搖擺、傾斜角度和周期的選取

衡量船舶承受海洋工況限度的指標(biāo)主要有加速度、縱傾與橫傾角度、縱搖和橫搖角度等。這些安全指標(biāo)在各國造船規(guī)范中均有明確要求，對于核動力裝置而言，不同設(shè)備的要求也各不相同[2]。通過和船舶設(shè)計建造單位研究人員的合作，得知其在工程實際生產(chǎn)設(shè)計中主要考慮的角度有兩個，即通用角度22.5°和極限角度45°，有關(guān)核動力裝置在海洋工況下的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)如表4，表5和表6所示。

表4　俄羅斯船級社[8]

表5　國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]

表6　船舶建造和設(shè)計單位

綜合考量，本文選取的角度和搖擺周期為：搖擺角度22.5°/30°/45°；搖擺周期：3 s/8 s/14 s。靜傾角度：22.5°和45°。

3.2　搖擺軸和傾斜軸的選取

海洋環(huán)境下船舶受到的作用力通常來自6個自由度方向，這些作用力如圖6所示。這些運(yùn)動主要有：沿軸的搖擺和傾斜，沿軸的搖擺和傾斜以及沿軸方向的平動/起伏。

圖6　船舶在海洋工況下的6自由度運(yùn)動示意圖

與船舶不同的是，海洋小堆采用一體模塊化設(shè)計，反應(yīng)堆壓力容器和堆內(nèi)構(gòu)件具有對稱結(jié)構(gòu)。因而，本文選取軸，作為搖擺和傾斜軸，進(jìn)行搖擺和傾斜相關(guān)的研究。小堆主要設(shè)備及系統(tǒng)的俯視圖與坐標(biāo)軸的位置關(guān)系如圖7所示。

圖7　主系統(tǒng)設(shè)備與坐標(biāo)軸關(guān)系俯視圖

3.3　海洋工況的分類

綜上所述，將海洋工況分為12組進(jìn)行研究。選擇的熱工水力參數(shù)包括堆芯流量、包殼表面溫度；直流式蒸汽發(fā)生器換熱管表面溫度、流量等。詳細(xì)的工況分類如表7所示。

表7　海洋工況分類和熱工水力參數(shù)選取

3.4　RELAP5程序中海洋工況計算模塊的引入

如圖5所示，將復(fù)雜的海洋運(yùn)動劃分為六自由度運(yùn)動，運(yùn)動形式有搖擺、傾斜和起伏等。關(guān)于RELAP5程序中引入海洋工況的二次改造研究，在文獻(xiàn)［3，10，11］中有詳細(xì)表述，本文只做簡單描述。

在RELAP5中引入海洋工況計算模塊主要為以下三種工況。首先，起伏工況，沒有改變系統(tǒng)的幾何姿態(tài)，是在軸方向做平動，對重力加速度產(chǎn)生影響，只引入了重力方向的附加力。其次，傾斜工況，改變了系統(tǒng)幾何姿態(tài)，引起高度變化，系統(tǒng)改造的重點(diǎn)是在傾斜后系統(tǒng)水力學(xué)控制體豎直方向的高度變化，引入坐標(biāo)變換，計算新的坐標(biāo)，同時，通過系統(tǒng)外部接口，旋轉(zhuǎn)軸和傾斜角由用戶給定。最后，搖擺工況，對高度、切向力、法向力和科氏力都產(chǎn)生了影響，不僅改變了幾何坐標(biāo)還引入了附加作用力；為模擬實際運(yùn)行情況，需建立起圍繞搖擺軸的慣性加速度模型，旋轉(zhuǎn)軸、搖擺的振幅和周期需要用戶給定。

海洋工況下RELAP5程序的二次改造非本文研究重點(diǎn)，本文是直接使用引入海洋工況計算模塊的RELAP5程序。

4　模擬結(jié)果

目前，針對海洋工況下反應(yīng)堆熱工水力的研究大都集中在自然循環(huán)方向。對于強(qiáng)迫循環(huán)的研究，一般認(rèn)為，海洋工況（傾斜、起伏和搖擺等）對反應(yīng)堆冷卻劑流量影響很小，基本不影響堆芯輸出功率[11-13]。本文在強(qiáng)迫循環(huán)和穩(wěn)態(tài)卡中不加入控制模塊這兩個條件下，對上述表7中的內(nèi)容進(jìn)行研究，具體如下。

4.1　燃料元件中心/包殼表面溫度變化

在RELAP5熱構(gòu)件建模中，將燃料元件沿軸向自下而上平均分為10份。圖8中給出了搖擺工況、傾斜工況和正常工況下燃料元件中節(jié)點(diǎn)1溫度隨時間變化的分布圖。可以看出，海洋工況對燃料元件中心溫度的影響是十分有限的，隨著時間的變化，并沒有出現(xiàn)溫度波動或者大范圍階躍變化。搖擺工況下，燃料元件中心溫度要比傾斜和正常工況的溫度稍高一些，傾斜工況和正常工況近乎重合。

圖8　不同工況下燃料元件中心溫度分布（節(jié)點(diǎn)1）

燃料元件中心溫度沿軸向節(jié)點(diǎn)的分布，如圖9所示?？梢钥闯觯焊鱾€工況下的燃料元件中心溫度都有著相似的分布曲線，并沒有出現(xiàn)某一工況下某一節(jié)點(diǎn)溫度變化過于劇烈的情況；不論是搖擺或傾斜工況，其溫度值與正常工況相比，差值很小，溫度值都在正常涉及范圍內(nèi)，且燃料元件下部的溫度變化是高于頂部的。可以認(rèn)為強(qiáng)迫循環(huán)下，海洋工況并沒有過多的影響到燃料元件中心溫度的值。

圖9　燃料元件中心溫度沿軸向節(jié)點(diǎn)分布

和上述燃料元件中心溫度的研究類似，圖10給出了，搖擺工況、傾斜工況和正常工況下包殼表面節(jié)點(diǎn)1溫度隨時間變化的分布圖。包殼表面溫度的變化呈現(xiàn)和燃料元件中心溫度變化類似的情況。

圖10　不同工況下包殼表面溫度分布（節(jié)點(diǎn)1）

不同工況下，包殼表面溫度沿軸向分布如圖11所示?？芍?，搖擺或靜傾工況下，包殼表面溫度并未發(fā)生大的變化，與正常工況下的包殼表面溫度相比，有著同樣的變化趨勢。在強(qiáng)迫循環(huán)條件下，包殼表面溫度受海洋工況的影響極小。

圖11　包殼表面溫度沿軸向節(jié)點(diǎn)分布圖

4.2　堆芯流量變化

圖1.2（a），搖擺工況（幅值30°，周期8 s）對堆芯流量的影響要小于對蒸汽發(fā)生器支路流量的影響，且對于兩個對稱支路的流量波動和附加加速度之間存在相位差。如圖12（d）所示，在長期靜傾工況（幅值22.5°與45°）下，對堆芯流量的影響極小，可認(rèn)為幾乎沒有影響。

搖擺角度（30°）相同，不同周期（3 s、8 s、14 s）時堆芯流量的變化，如圖1.2（b）所示。隨著搖擺周期的增大，搖擺對堆芯流量波動的影響逐漸減小，搖擺周期越小，流量整體值越小。

搖擺周期（8 s）相同，搖擺幅值（22.5°、30°、45°）不同時堆芯流量的變化，如圖1.2（c）所示。隨著搖擺角度的增大，搖擺對堆芯流量波動的影響逐漸增大，搖擺角度越大，流量整體值越小。

4.3　直流式蒸汽發(fā)生器傳熱管表面溫度變化

本文海洋小堆的設(shè)計方案，是將16個直流式蒸汽發(fā)生器對稱均勻地布置在壓力容器和吊蘭之間的區(qū)域，搖擺和傾斜軸選取的是軸。

1號和9號直流式蒸汽發(fā)生器是布置在距離搖擺軸最遠(yuǎn)的位置上，5號直流式蒸汽發(fā)生器，則是搖擺軸剛好位于其中心線上?；诖?，選擇了1號、5號和9號直流式蒸汽發(fā)生器作為研究對象。分析在工況7、11和12條件下，直流式蒸汽發(fā)生器傳熱管在出、入口節(jié)點(diǎn)的表面溫度及流量分布情況，模擬結(jié)果如圖13所示。傾斜工況（工況11）下，傳熱管表面進(jìn)出口處的溫度和流量都與正常工況（工況12）的數(shù)值基本一致，變化極小。

圖12　海洋工況下堆芯流量計算結(jié)果

圖13　直流式蒸汽發(fā)生器傳熱管表面溫度和流量分布圖

圖13　直流式蒸汽發(fā)生器傳熱管表面溫度和流量分布圖（續(xù)）

搖擺工況（工況7）下，傳熱管壁面溫度，以及蒸汽發(fā)生器一回路流量都產(chǎn)生了波動，且與蒸發(fā)器的布置位置存在著聯(lián)系。1號和9號蒸汽發(fā)生器關(guān)于搖擺軸對稱布置，且距離最遠(yuǎn)。使得兩者在溫度和流量等的變化上呈現(xiàn)出了相似性。對比傳熱管出、入口的溫度，出口的溫度波動變化超過入口的溫度波動變化。

比較1號和5號蒸汽發(fā)生器傳熱管出口溫度，1號蒸汽發(fā)生器遠(yuǎn)離搖擺軸，溫度整體值較小，但波動幅值更大。對于蒸汽發(fā)生器一回路流量，5號蒸汽發(fā)生器靠近搖擺軸，波動幅值較小。

5　結(jié)論

本文使用三維建模軟件UG和熱工水力分析程序RELAP5，概念設(shè)計出了一種海洋一體化小堆設(shè)計方案，對其建立了全尺寸三維模型。調(diào)研和總結(jié)了海洋工況，并用添加海洋工況計算模塊的RELAP5程序，模擬和分析了在海洋工況下關(guān)鍵熱工水力參數(shù)的變化情況，得出結(jié)論：

（1）在強(qiáng)迫循環(huán)，穩(wěn)態(tài)卡未添加控制模塊條件下，海洋工況下對堆芯流量和燃料元件中心溫度，包殼表面溫度，傳熱管表面溫度等關(guān)鍵熱工水力參數(shù)的影響較小，波動影響并未超出限值。

（2）搖擺角度相同，隨著搖擺周期的增大，搖擺對堆芯流量波動的影響逐漸減小，搖擺周期越小，流量整體值越小。

（3）搖擺周期相同，隨著搖擺角度的增大，搖擺對堆芯流量波動的影響逐漸增大，搖擺角度越大，流量整體值越小。

（4）搖擺工況下，對蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流量產(chǎn)生影響較小，且與蒸汽發(fā)生器的布置位置相關(guān)。

［1］ 吳家鳴．船舶與海洋工程導(dǎo)論［M］．廣州：華南理工大學(xué)出版社，2013.

［2］ 彭敏?。昂藙恿ρb置［M］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.

［3］ 王冰．海洋條件下核反應(yīng)堆熱工水力分析程序開發(fā)［D］．哈爾濱工程大學(xué)，2017.

［4］ 宋丹戎，秦忠，程慧平，等．ACP100模塊化小型堆研發(fā)進(jìn)展［J］．中國核電，2017，10（02）：172-177+187.

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［6］ 中國小型核電站加速走向海外中核再推ACP100S技術(shù)［J］．中國電業(yè)（技術(shù)版）2014（04）：4.

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［8］ RS-Rules for the Classification and Construction of Nuclear-Powered Vessels and Floating Facilities（2018）［EB/OL］．https：//rs-class.org/

［9］ 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第23部分：搖擺和傾斜試驗：GJB/150.23A［S］．2009.

［10］程坤，譚思超，陳瑩瑩，等. 海洋條件反應(yīng)堆熱工水力系統(tǒng)分析程序開發(fā)及驗證［J］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2017，38（08）：1223-1230.

［11］程坤，譚思超．海洋條件下反應(yīng)堆熱工水力特性研究進(jìn)展［J］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2019，40（04）：655-662.

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Analysis of Thermal and Hydraulic Characteristics of a Small Marine Reactor under Ocean Conditions

YANG Aimin，SONG Houde，LIU Xiaojing

（School of Nuclear Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The development of the ocean has a great demand for the application of nuclear energy. The structure design，equipment and system layout of the small marine reactor are different from those of the land-based reactor. In order to adapt to the ship cabin and marine environment，this paper takes the main equipment structure and system of a modular small reactor as a reference，to obtain an improved design scheme and design parameters of the marine integrated small reactor.Using the software RELAP5，which is modified by adding the calculation module of the ocean condition，to introduce the ocean condition into one of the design schemes.And through deep cooperation with the ship designer，we can get the swing and incline conditions that the ship designer focuses on in the production design，the general design angle：22.5° and the ultimate design angle：45°. Under the condition that the control module is not added to the forced circulation and the steady state，the operation characteristics of the key thermal and hydraulic parameters are observed and analyzed according to the simulation results.

Marine small reactor；Ocean conditions；RELAP5；Thermal hydraulics

TL333

A

0258-0918（2022）01-0034-11

2020-04-09

楊愛民（1992—），男，甘肅天水人，碩士研究生，現(xiàn)主要從事核能與核技術(shù)工程方面研究