基于开放栅格结构的空间堆三维热工水力特性研究_王志鹏.pdf

文章编号：0258-0926(2023)02-0054-08;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0054基于开放栅格结构的空间堆三维热工水力特性研究王志鹏1,2，赵晶1，石磊11.清华大学核能与新能源技术研究院，北京，100084；2.中国科学院空间应用工程与技术中心太空应用重点实验室，北京，100094摘要：高温气冷堆结合磁流体发电是一种高效的空间电源系统，可以满足空间任务对于大功率、高效率的需求，具有广阔的应用前景。本文参考美国普罗米修斯计划中的开放栅格方案，结合磁流体发电需满足的设计条件，提出了一种由三角形布置、217 根燃料棒构成的堆芯方案。在通过试验数据确定流动模型后，对该空间堆进行了三维建模，并在考虑气隙结构、燃料棒功率分布及堆内辐射的基础上研究其热工水力特性，重点针对环境温度及外壁面发射率展开了热工参数敏感性分析。计算结果表明，该堆芯热工设计满足材料温度、压降限值等指标要求。冷却剂在燃料区横向流动不明显，不存在复杂涡结构，流动现象相对较为简单。稳态热工计算结果对环境温度的改变并不敏感，但发射率的改变影响相对较大。关键词：空间核动力；棒状燃料；热工水力特性；敏感性分析中图分类号：TL3文献标志码：AStudy on Three-dimensional Thermal-hydraulic Characteristicsof a Space Reactor based on Open Lattice StructureWang Zhipeng1,2,Zhao Jing1,Shi Lei11.Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing,100084,China;2.Key Laboratory of Space Utilization,Technology and Engineering Center for Space Utilization,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100094,ChinaAbstract:High temperature gas cooled reactor combined with magnetohydrodynamic(MHD)power generation is an efficient space power system.It can meet the requirements in space tasks forhigh power and high efficiency and thus has broad application prospects.In this paper,a corescheme composed of 217 fuel rods in a triangular arrangement is proposed in accordance with thedesign conditions to be met for MHD power generation and with the reference to the open latticescheme in Prometheus Project.The three-dimensional modeling of the space reactor is carried outafter determining the flow model through the experimental data.The thermal-hydrauliccharacteristics are studied on the basis of taking into consideration the gap structure,the fuel rodpower distribution and the in-reactor radiation.Finally,sensitivity analysis on thermal parameters iscarried out mainly for the ambient temperature and the external surface emissivity.The calculationresults show that the thermal design of the core meets the requirements of material temperature andpressure drop limit.The transverse flow of coolant in the fuel area is not obvious and there is nocomplex vortex structure.The flow phenomenon is relatively simple.The steady-state thermalcalculation results are not sensitive to the change of ambient temperature,but the change ofemissivity has a relatively large impact.Key words:Space nuclear power,Rod-shaped fuel,Thermal-hydraulic characteristics,Sensitivity analysis 收稿日期：2022-05-18；修回日期：2022-06-30作者简介：王志鹏（1994），男，助理研究员，现主要从事空间核动力方面研究，E-mail: 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023 0 引言高温气冷堆结合闭式循环磁流体发电系统是一种很有前景的空间应用技术，可以满足航天任务对大功率、高效率的要求1-2。该动力系统主要包括核反应堆、磁流体发电机、回热器、压气机、热辐射器等。氦气由于具有较好的电离特性和化学惰性，因此通常作为该系统的循环工质3-4。笔者在前期工作中对该动力系统进行了研究，开发了系统性能分析程序，开展了兆瓦级热功率下动力系统的综合性能分析及参数优化设计，最终给出了一套适用于 1 MW 热功率下的设计参数。该系统循环效率及质量功率比等性能参数较好，在未来太空应用中具有较强的竞争力5。在此性能指标下，相配套的反应堆入口温度要求达到1100 K，出口温度为1800 K，运行压力为0.4 MPa。该反应堆属于新型核能系统，且要求较高，目前尚处于研究阶段。因此，与系统相匹配的超高温反应堆设计成为新的挑战。美国 Wollman MJ 等人在普罗米修斯研究计划中提出了可匹配布雷顿动态转换系统的多个气冷堆方案6-7，包括开放栅格方案、环形流道方案以及模块化金属陶瓷燃料方案等，可为应用于磁流体发电的核反应堆设计提供参考。安伟健等人基于 CERMET 燃料和堆芯方案，提出了可应用于磁流体发电的热功率 25 MW、寿期 2 a 的堆芯概念设计8。同样，赵泽昊等人基于可耐 3000 K高温的 CERMET 燃料设计了发电系统热功率1 MW、寿期 10 a 的堆芯方案9。然而 CERMET燃料尚未进行过长期的超高温测试，制造工艺也有很大难度，因此堆芯设计还有待进一步研究和实验考证。孟涛等人参考了开放栅格方案，结合俄罗斯兆瓦级空间反应堆设计理念，设计了一种由 534 根燃料棒、13 根控制棒构成的空间气冷反应堆方案。通过对该方案下堆芯流动换热进行仿真计算10-11，发现该反应堆设计具有良好的热工水力特性，能满足相应技术指标。笔者在前期工作中也参考普罗米修斯计划中的开放栅格方案，结合磁流体发电需满足的设计条件，提出了一种由三角形布置、217 根燃料棒构成的堆芯方案12。对该方案燃料区进行简化分析后，发现计算结果可初步满足设计指标要求。然而，该分析未考虑燃料棒的轴向及径向功率分布，也未置于全堆芯尺度进行精细计算。因此，本文将考虑堆芯功率分布，并在反应堆三维精细结构下对该空间堆热工水力特性进行研究。1 堆芯设计方案基于开放栅格结构，反应堆堆芯活性区由217 根燃料棒组成，燃料棒内装载有半径为0.688 cm 的 UN 芯块，235U 富集度为 75%，包壳材料为金属铼（Re），厚度为 0.085 cm。芯块和燃料棒包壳之间设有气隙，活性区高度 50 cm，活性区与上下反射层之间均有 2 cm 高的空腔。冷却剂流动路径示意图如图 1a 所示，1/12 反应堆全堆芯在 x-y 平面的局部投影如图 1b 所示。空腔部分设计有直径 0.2 cm 的端塞以进行燃料棒的轴向固定。堆内反射层材料均为 BeO，其中轴向反射层高度为 8 cm，位于堆芯底部和顶部，径向反射层位于堆芯径向外围，端塞材料也为 BeO。为做简化建模暂不考虑控制鼓结构，反应堆主要参数见表 1。a 堆芯轴向结构及冷却剂流动路径示意图b 1/12 反应堆全堆芯在 x-y 平面的局部投影 图 1 棒状燃料空间堆结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Rod-shaped Fuel SpaceReactor Structure 氦气作为冷却剂，进入压力容器内侧环隙后到达底部，并通过下流道流入带有开孔分布的轴王志鹏等：基于开放栅格结构的空间堆三维热工水力特性研究55 向底反射层，形成分流。流出底反射层后氦气在下空腔汇合，并继续流入燃料区开放栅格结构内。在燃料区进行加热后，流体流入上空腔区域。经过燃料区及上下空腔区的混合后，氦气继续流入带有开孔布置的轴向顶反射层形成分流，最终流出顶反射层孔道，在上流道再次汇合并流出反应堆。2 流动模型确定开放栅格结构流动模型的确定主要基于清华大学核能与新能源技术研究院开展的“MHD 用反应堆设计及热工水力学试验”，在棒束试验段，氮气以给定流量流经 37 根给定功率且按三角形排列的加热棒。其中加热棒棒径为 0.775 cm，棒间距为 1.79 cm，与 217 根棒组成的氦气冷却反应堆原型尺寸（棒径 0.775 cm,棒间距 1.75 cm）相当。通过试验未发现流动中出现复杂流动现象，如强烈搅混或复杂涡结构等，因此可认为该试验确定的流动模型在 0.4 mm 偏差的棒间距范围内具有适用性。本试验方案通过了基于原型参数的失真结果分析，集中体现在工质普朗特数与原型基本相似、工质雷诺数与原型完全相同，以及试验段与原型尺寸线性几何相似。同时该试验方案经过了严格的热工水力学比例分析论证，因此可以通过分析该试验中棒束试验段的温度测量数据来评估适用于原型堆芯结构的湍流模型。本文主要利用试验获得的棒束试验段非基准工况中的温度数据，来进一步验证适用于原型堆芯结构数值计算的湍流模型。试验加热段根据测温点的不同分成 A、B 两类，如图 2a、图 2c 所示，相应模拟件如图 2b 所示。将每根加热棒的 4 个测温点按从顶部到底部的顺序排列为 1、2、3、4，若以靠近底部的测温点 4 作为高度基准，则从整个棒束试验段来看，存在 5 个测温面（Z0Z4），相对高度分别为 0、125、250、375、500 mm。在前期已发表的试验数据相关论文中，针对基准工况下的流动换热过程，考虑了几种不同常见流动模型下的计算结果，包括层流模型、标准 k-增强壁面模型、标准k-模型、SST k-模型、RSM 模型等。通过与试验数据进行对比，得出了 SST k-模型为最佳模型12。本文通过试验后续补充的其他工况，进一步验证 SST k-模型能否较好地模拟试验测量值，不同工况条件见 表 2。测量值与模拟值的拟合结果如图 3 所示，其中点表示平均处理后的测量值，线表示用 SST k-模型得出的模拟值。可见 表 1 棒状燃料空间