海洋条件对船用核动力装置冷却系统影响的计算.pdf

收稿日期：!! # $ # % 作者简介：姜春林（%$’—），男，硕士生 ( 海洋条件对船用核动力装置冷却 系统影响的计算 姜春林，贾宝山 （清华大学) 工程物理系，北京) %*+） 摘) 要：本文对船用核动力装置在受到起伏、摇摆等海洋条件影响时堆体一回路系统在额定 和自然循环两种工况下运行特性的计算进行了理论描述。并在 ,-./ 012!% 环境下针对 日本的“陆奥”号压水堆编制了程序进行计算分析，并得出了比较合理的结果。 关键词：海洋条件；起伏；摇摆；一回路；压水堆 中图分类号：345’6( 6) 文献标识码：1) 文章编号：%! # +$6（!5）5 # 6% # 6 舰船在海洋条件下航行，所要考虑的海洋作用主要有：上下起伏、左右摇摆、前后摇 摆、倾斜等。受海洋条件影响，堆内的温度和功率，以及一回路系统冷却剂的流量、温度等 参数都将随之发生变化，特别是当反应堆处于自然循环等低功率工况时更为突出。 本文对船用核动力装置一回路冷却剂系统在海洋条件影响下的运行状况进行了数值 模拟，建立了物理数学模型，分析了冷却剂的受力情况及各种惯性力对冷却剂流动的影 响。并对日本的第一艘核动力船“陆奥”号压水堆进行了计算分析。 ! 物理数学模型 在物理建模时，使用如下基本假设： ! 冷却剂在堆芯和蒸汽发生器内为单流程； 冷 却剂单相流动，二回路工质处于饱和状态； # 在管路同一横截面上的各点参数相同； $ 忽 略流体的可压缩性。 （%）冷却剂流量计算模型) 考虑流体沿任意方向 7 流动的一小段管段的流体有如下 动量方程形式： ! （!） ! # ! （$!!） ! % ’ ! ( ! % ’ ) * 8+ ’ $ , # （%）8% ’ $ （- # .） 8/ 8% （%） 式中 9，1，:，;， % 分别表示冷却剂质量流密度，流道截面积，压降，比容、密度； 为剪切应 力。= ’ （7）为局部作用外力，对应局部阻力压降的微分项；，- 为质量力加速度和惯性力 加速度。由于流道内质量流量 0 !，并且根据水力学的关系式，则可得： ! 0 ! # ! ! % 0 ! $ ( ) ’ ! ( ! % ’ *0 ! ! $ 1 2 ’ ’ 3 40 ! ! $ + 3 ’ $ （- # .） 8/ 8% （!） %6 中国科技论文 统计源期刊 ) ) ) 实) 验) 技) 术) 与) 管) 理) ) ?@AB !) C@B 5) !5) 万方数据 这里 !，，# $ ，% 为摩擦系数，局部阻力系数和流道等效值径和局部阻力有效作用长度。 将一回路冷却剂循环系统分为 ’ 段，对每一段进行上式的积分计算。那么对于一个 闭合环路，上式左边的第二项和右边的第一项积分将为零，并且考虑到冷却剂回路中包含 主循环泵，并假定它的扬程为 ( ) ，那么闭合环路的积分式为： ’ ! # * $ ( ) % + + ! ’ ’ ! # * ( ,% ,( ) , # )* + , ’ ! # * $（) ’ -）·. （-） 式中 . 为每段管道的长度，（-）式左边第二项为阻力损失项，它描述的是摩擦阻力和形状 阻力损失的总和，其中 / 定义为 ( #（ /$ 0 1 . ）’ ’ 2 3 2 。由式（-）可以确定冷却剂流量的变 化趋势。 （,）堆芯分析计算模型0 堆芯的动态计算包括计算燃料芯块温度的复合集总参数模 型和计算冷却剂轴向温度分布的修正单通道模型和计算堆芯功率的点堆动力学方程。 为了计算燃料芯块平均温度、包壳平均温度变化以及冷却剂平均温度的变化情况，可 采用复合集总参数模型。这种方法的主要依据是堆内燃料、包壳和冷却剂的能量平衡。 集总参数的方程为： 45 # 6 7 +8 7 + ! ’ 8 7 , 8 9 : 7) （1） 8 7 , 8 9 : 7) # 6 9 +8 9 + ! ’ 8 9 , 8 / : / （2） 式中：3 4 为芯块热容量，6 7 # # ; , 7 9 +7 7 ，3 0（!·=）；3 5 为包壳的热容量，6 9 # , # ; 9 $ ; 9 6 +9 9 ，6 7（’·8）；9 4: 为芯块和芯块一包壳间隙的总热阻，: 7) #（; # 7 ）, * ’（, # ; 7 *)）, * ［其中 4 是 = , 的热导率，( : 是间隙等效传热系数，? 7（’, ·8）］，9 ! 为冷却剂膜热 阻，: / #（, # ; 9 * / ）, *［其中 ( ! 是传热系数，? 7（’, ·8）］，’·8 7 ?；@ 4 为燃料芯块块 平均温度，8；@ 5 为包壳平均温度，8；@ ! 为冷却剂主流温度，8。 冷却剂轴向温度可利用修正的单通道模型，首先将堆芯沿轴向分为若干子段，然后进 行