異形導(dǎo)向管內(nèi)乏燃料組件換熱特性試驗(yàn)研究

吳增輝 程瑞琪

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610213）

0 引言

快堆換料過(guò)程中，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)是最關(guān)鍵、最復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，如圖1所示。它主要由抓取裝置和異形導(dǎo)向管組成，可到達(dá)乏燃料組件運(yùn)輸容器區(qū)域以及乏燃料儲(chǔ)存等區(qū)域[1]，同時(shí)能運(yùn)輸并旋轉(zhuǎn)燃料組件，使乏燃料組件在反應(yīng)堆堆芯和轉(zhuǎn)運(yùn)桶之間移動(dòng)并到達(dá)指定位置[2]。由于在卸料過(guò)程中，乏燃料組件會(huì)多次暴露于傳熱性能較差的氬氣中，如果轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)因故卡停，將出現(xiàn)傳熱惡化，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致事故發(fā)生。為保證燃料包殼最高溫度低于設(shè)計(jì)限值，防止放射性泄漏以及嚴(yán)重事故發(fā)生[3]，開(kāi)展帶異形導(dǎo)向管的縮放尺寸模擬組件換熱試驗(yàn)，研究其溫度分布及換熱特性。

圖1 燃料抓取機(jī)

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖2所示。壓力容器內(nèi)徑為500 mm，高度為2 000 mm，可模擬封閉氣體大空間；導(dǎo)熱油加熱設(shè)備通過(guò)盤管與壓力容器外壁連接，可通過(guò)內(nèi)部溫度控制系統(tǒng)建立高溫穩(wěn)定邊界條件；真空泵和氬氣瓶可建立氬氣環(huán)境；程控電源通過(guò)密封法蘭與試驗(yàn)段連接，可提供穩(wěn)定加熱；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集壓力、溫度等數(shù)據(jù)。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)段

試驗(yàn)段為37棒模擬組件，被豎直放置于壓力容器中心位置。模擬組件由棒束和組件盒組成，如圖3所示。棒束呈六角形排列，由30根加熱棒和7根測(cè)溫棒組成，測(cè)溫棒不加熱。加熱棒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，棒內(nèi)使用導(dǎo)熱性能較好的MgO粉末填充壓實(shí)。根據(jù)導(dǎo)電率隨溫度的變化關(guān)系，將處于對(duì)稱位置的加熱棒組合，分為5組，即H1~H5，如圖3（b）所示。中心測(cè)溫棒（M1）內(nèi)安裝有4只熱電偶，外圈測(cè)溫棒（M2~M7）分別安裝有2只熱電偶，熱電偶位置信息如圖5所示。組件盒為正六邊形結(jié)構(gòu)，其外壁中線安裝有熱電偶，依次為z=400 mm，500 mm，600 mm，700 mm，800 mm，900 mm處。

圖3 試驗(yàn)段

圖4 加熱棒的結(jié)構(gòu)圖

圖5 測(cè)溫棒內(nèi)熱電偶位置

1.3 導(dǎo)向管

異形導(dǎo)向管由全尺寸轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)簡(jiǎn)化而來(lái)，忽略乏燃料組件轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)上方抓取機(jī)構(gòu)、過(guò)渡接頭等機(jī)械結(jié)構(gòu)以及一側(cè)的鏈條機(jī)構(gòu)，僅保留與模擬組件等長(zhǎng)部分的導(dǎo)向管，如圖6所示，其中，一側(cè)的中空結(jié)構(gòu)表征鏈條軌道區(qū)域。在a、b、c面的中線分別安裝有熱電偶，依次位于z=100 mm，400 mm，500 mm，600 mm，700 mm，800 mm，900 mm，1100 mm處。

圖6 異形導(dǎo)向管

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)過(guò)程中，加熱功率為400~1000 W，邊界溫度為70℃~125℃。當(dāng)任一測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到Ti，且長(zhǎng)時(shí)間（試驗(yàn)以三小時(shí)為基準(zhǔn)）穩(wěn)定在Ti±0.5℃時(shí)，判定試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

改變模擬組件的加熱功率和環(huán)境溫度，開(kāi)展密封氬氣環(huán)境下模擬組件的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。穩(wěn)態(tài)情況下，對(duì)比M2~M7中位于z=350 mm和z=500 mm處的兩對(duì)熱電偶讀數(shù)，其差值如圖7所示。其中，容器內(nèi)壁6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)讀數(shù)相近，使用環(huán)境溫度均值作為最終邊界溫度參考值。由圖7可知，兩個(gè)高度的熱電偶讀數(shù)在各個(gè)工況下的差值絕對(duì)值均小于1.5℃，在熱電偶測(cè)量誤差范圍內(nèi)，所以，確定兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)間的溫度始終相同。即，異形導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)下，模擬組件內(nèi)溫度場(chǎng)仍呈對(duì)稱分布，溫度分布未發(fā)生明顯偏移。

圖7 M 4&M 7中z=350 mm和M 4&M 6中z=500 mm的溫差

由于模擬組件內(nèi)溫度場(chǎng)仍為對(duì)稱分布，所以，M2~M7內(nèi)的軸向溫度分布一致，從而得到M1、M2~M7組件盒壁面以及不規(guī)則導(dǎo)向管三個(gè)外壁面溫度分布如圖8~12所示。

圖8 M 1內(nèi)溫度分布

由圖8~12可知：

（1）中心棒加熱段內(nèi)溫度變化趨勢(shì)平緩，最高溫度位于M1的z=800 mm處，但與其他三個(gè)測(cè)點(diǎn)差值較??；

（2）非加熱段和加熱段之間存在溫度劇烈變化區(qū)域，由M2~M7中z=1000 mm和z=100 mm處溫度值可知，管內(nèi)存在較強(qiáng)對(duì)流換熱，上半部分溫度明顯高于下半部分溫度；

（3）底端非加熱段溫度接近于環(huán)境溫度，說(shuō)明試驗(yàn)本體軸向?qū)崮芰τ邢蓿?/p>

（4）環(huán)境溫度變化對(duì)組件內(nèi)以及組件表面溫度變化影響較小，環(huán)境溫度為90℃，在±20℃范圍波動(dòng)時(shí)，視作對(duì)組件溫度保持不變，加熱功率為影響其溫度分布的關(guān)鍵因素；

（5）a面溫度呈線性分布趨勢(shì)，說(shuō)明由于側(cè)面中空結(jié)構(gòu)的存在，組件向a面?zhèn)鳠崾茏瑁?/p>

圖9 M 2~M7內(nèi)溫度分布

圖10 組件盒外壁溫度分布

圖11 導(dǎo)向管A面溫度分布

圖12 導(dǎo)向管b&c面溫度分布

（6）b和c對(duì)應(yīng)的不銹鋼壁厚度雖然不同，但其導(dǎo)熱性良好，經(jīng)組件向內(nèi)壁面?zhèn)鳠岷笥山?jīng)導(dǎo)熱傳至外壁面，所以，b和c面的溫度分布相同。

對(duì)比不規(guī)則導(dǎo)向管的a面上同位置的溫度差值，結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，b面非加熱段溫度與a面基本相同，但對(duì)應(yīng)加熱段內(nèi)溫度差值隨著功率的升高而逐步增大，在加熱段內(nèi)，模擬組件向外輻射換熱對(duì)導(dǎo)向管溫度分布的影響明顯，且功率越高，輻射換熱占總熱量份額越大。

圖13 導(dǎo)向管b面與a面溫度差值

3 結(jié)果分析

由于模擬組件內(nèi)溫度場(chǎng)仍為對(duì)稱分布，因此，研究其與周圍環(huán)境換熱機(jī)理時(shí)，可將異形導(dǎo)向管作為圓管狀導(dǎo)向管。由于模擬組件內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于外部環(huán)境，因此，重點(diǎn)研究模擬組件內(nèi)部換熱。

3.1 模擬組件棒束間自然對(duì)流

受加熱段影響，棒束軸向方向存在溫度差，導(dǎo)致內(nèi)部的氬氣在軸向方向上存在密度差，進(jìn)而推動(dòng)氬氣在棒束間的流動(dòng)，與外部形成自然循環(huán)。忽略進(jìn)出口由于形狀突變產(chǎn)生的壓降，可知[4]：

公式（1）~（2）中，各個(gè)物理量的含義見(jiàn)表1。

表1 符號(hào)的意義

基于以上分析，可得到不同特征溫度條件下的氣體流速，進(jìn)而求得棒束間自然對(duì)流帶走的熱量，QFA：

結(jié)合公式（1）~（3），可求得各個(gè)工況下的氣體流速、自然對(duì)流傳熱量及其占比。結(jié)果表明：功率升高導(dǎo)致溫差逐步加大，棒束間氣體流速及其自然對(duì)流散熱量均逐步增加，但自然對(duì)流占比較小，最大僅為1.5%。

3.2 模擬組件內(nèi)部換熱

由于模擬組件內(nèi)部棒束數(shù)量較多，且均有繞絲結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以，換熱模式雖然簡(jiǎn)單，但進(jìn)行定量的機(jī)理分析難度較大。為評(píng)估其內(nèi)部的換熱機(jī)理，此處，借鑒Manteufel[5，6]的換熱模型，即對(duì)兩區(qū)域模型進(jìn)行分析，開(kāi)展相關(guān)分析。

最終，通過(guò)理論分析獲得兩區(qū)域內(nèi)的等效輻射熱導(dǎo)率，得出利用組件盒壁面溫度快速推算中心棒最高溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下：

式中，各個(gè)物理量的含義見(jiàn)表2。

經(jīng)過(guò)處理，上述方程組可簡(jiǎn)化為：

符號(hào) 物理意義 符號(hào) 物理意義Q 發(fā)熱功率 σ 斯忒藩-波爾茲曼常數(shù)F peak[7，8] 軸向功率峰因子 d 燃料棒直徑L a 加熱段長(zhǎng)度 Lc 組件截面周長(zhǎng)S 截面導(dǎo)熱因子 F cond，w 壁面導(dǎo)熱因子F cond[9] 導(dǎo)熱修正系數(shù) f 燃料棒體積份額k gas 氣體導(dǎo)熱率 w 最外圈棒的中心到壁面的距離Tm 中心棒溫度 Tw 組件盒壁溫度T e 虛擬邊界溫度 p 棒間距C rad 內(nèi)部輻射換熱系數(shù)

式中，ε為棒的表面發(fā)射率。

由計(jì)算可知：虛擬邊界溫度Te與組件盒壁溫度Tw溫差值基本為0，為方便計(jì)算可直接使用Tw替代Te求解模擬組件內(nèi)最高溫度Tm。經(jīng)過(guò)棒表面發(fā)射率的敏感性分析，ε在[0.3，0.35]范圍內(nèi)時(shí)，模型理論值與實(shí)驗(yàn)值較為一致，此時(shí)，模型適用性良好。

4 結(jié)論

針對(duì)快堆燃料抓取機(jī)卸料過(guò)程中卡停故障的典型工況，開(kāi)展帶異形導(dǎo)向管的37棒模擬組件換熱試驗(yàn)。得到如下結(jié)論：

（1）環(huán)境溫度的波動(dòng)對(duì)組件內(nèi)最高溫度無(wú)明顯影響，加熱功率是影響其變化的關(guān)鍵因素。

（2）異形導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)下，模擬組件內(nèi)溫度場(chǎng)仍為對(duì)稱分布，導(dǎo)向管橫截面形狀對(duì)內(nèi)部溫度分布無(wú)明顯影響，可將其視作管狀導(dǎo)向管進(jìn)行換熱特性分析。

（3）基于Manteufel等建立的模型，分析得到利用組件盒壁面溫度推算中心棒溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。結(jié)果表明：當(dāng)發(fā)射率時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值吻合較好，此時(shí)模型較為準(zhǔn)確。