邹 鹏 王建军 葛增芳 王怡明

（哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室 哈尔滨 150001）

在核反应堆中，控制棒驱动机构(Control Rod Drive Mechanism, CRDM)是一种步进式的提升机构，用来使控制棒组件在堆芯内提起、插入或保持在适当位置，以实现反应性控制功能。在目前的压水核反应堆中，使用最为普遍、技术最为成熟的是磁力提升式控制棒驱动机构，其结构主要由耐压壳组件、钩爪组件、驱动杆组件、线圈组件、棒位探测器组件和上风罩等部分组成[1]。核反应堆运行经验和有关研究表明，影响控制棒驱动机构寿命及工作性能的主要因素有运行温度、工作压力和工作载荷等[2]。磁力提升式控制棒驱动机构的线圈在通电过程中将释放出热量，另外CRDM与一回路冷却剂接触，也会有一部分热量由冷却剂传给CRDM，如果缺乏合适的冷却措施，可能导致线圈的温度超过线圈组件中线圈所能承受的最高温度，这将使得线圈组件的功能退化或失效，甚至造成线圈烧毁。目前核电厂中主要通过设置风机，利用空气强迫对流换热，来控制控制棒驱动机构线圈的温度[3]，与采用空气自然循环冷却的方式相比，耗能较大且安全性偏低。随着 AP1000、EPR为代表的第三代核反应堆技术的提出和发展，对CRDM的设计也进行了一些改进，例如在EPR设计中，取消了强制通风设备和通风罩，仅通过自然对流散热来实现控制棒驱动机构、特别是线圈的冷却，并能有效地控制线圈温度维持在合理的范围内[4]。

目前国内外只有少数文献对 CRDM群全场进行计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)模拟分析，并且这些文献一般都将单根CRDM简化成柱状几何结构[5]，更为重要的是，这些文献都是针对于强制通风冷却这种方式进行研究。受此启发，本文在对单根CRDM精细建模的基础上，针对于空气自然循环冷却这种方式，首次尝试对压水堆CRDM群进行全场的数值模拟，对CRDM采用自然循环冷却的可行性进行了研究。

1 几何建模与网格划分

考虑所研究的CRDM群在几何上的相似性，本文首先利用PRO/E三维实体建模软件[6]，建立计算区域中单根CRDM的几何模型，并对几何模型的内部结构进行了适当的保守性简化，所建立的单根CRDM几何模型如图1所示。

图1 单根CRDM几何模型Fig.1 Geometry model of a single CRDM.

在图1的几何结构中，为了兼顾考虑计算资源、计算效率和计算目的之间的平衡，本文建立CRDM三维几何实体模型时进行了适当的简化处理：

(1) 考虑到CRDM为一端封闭的结构形式，且固体结构之间的水隙十分狭窄，因此冷却剂在水隙中几乎处于滞止状态[7]，CRDM内各固体部分以及CRDM 与冷却剂之间的热量传递方式主要依靠导热，在几何简化中将水隙中的流体当作固体处理；

(2) 由于金属的热导率远高于冷却剂水，在三维全场几何建模过程中，忽略了CRDM耐压壳内部的磁极和拆卸杆等金属结构，认为局部磁极、拆卸杆等位置处均充满冷却剂；

(3) 考虑到CRDM内部腔室材料界限明显，且种类较少，没有直接对CRDM内部腔室进行几何建模和划分网格，而是通过编写UDF程序的手段，直接将对应几何区域上物质的热物性赋予腔室内的对应物质，从而既简化了几何结构，又充分考虑了不同位置处物质的物性区别。CRDM内部热导率如图2所示。

图2 CRDM内部热导率图Fig.2 Internal thermal conductivity of the CRDM group.

在单根CRDM周围建立四个辅助面，每个辅助面位于相邻CRDM的中间位置上，然后利用ICEM软件，对该几何划分 block块。这些辅助面在FLUENT中将会被定义成 interior边界，因此它们不会对计算结果造成影响。

对如图 3(a)所示的单根 CRDM的几何模型及block块，进行阵列、拉伸，同时通过适当的布尔运算，如图3(b)所示，建立由CRDM群、压力容器顶盖以及附近的空气域组成的计算区域几何模型及block块。

通过对所建立的CRDM进行阵列、拉伸，同时通过适当的几何布尔运算，建立由CRDM群、压力容器顶盖以及附近的空气域组成的计算区域几何模型。基于所建立的计算域几何模型，本文利用ICEM-CFD[8]，对计算区域进行了网格划分。为了确保计算结果的有效性，需要进行网格无关性验证，本文选取三种线圈的平均温度作为评价参数，计算结果如图4所示。

图4 线圈平均温度图Fig.4 Average temperature of coils.

由图 4中的计算结果可知，当网格数约为1677万时，计算结果满足了网格无关性要求，因此在后续计算中本文都采用了该套网格，其网格剖分结构如图5所示。

图5 全场网格图Fig.5 Mesh structure of the whole computational domain.

2 计算模型

考虑到所计算区域内空气的自然对流流动具有低速、压力变化小等特点，因此在对CRDM群附近区域进行三维整体流场计算模拟时，选择基于压力的求解器。空间的离散格式选择二阶迎风格式。选择Body Forced Weighted格式作为压力插值方案[9]。在自然对流流动中，通常采用 Ra数作为判别层流向湍流转变的依据，初步计算结果表明，本文所关心的流场中Ra108，因而本文选用层流模型。

如图3(b)所示，在CRDM群径向最外侧即为外部通风罩，通风罩与压力容器之间即为空气的进口，本文将其设置为压力进口；考虑到CRDM贯穿压力容器，且其内部与一回路冷却剂直接接触，为保守起见，本文认为CRDM与压力容器顶部相交的面为315 °C的恒温壁面；此外，鉴于压力容器顶部覆盖有保温层，压力容器顶部与空气接触部分的温度设为60 °C。外风罩壁面温度设为40 °C。空气流域顶部设为压力出口。通过编写UDF程序的手段，给夹持线圈、移动线圈、提升线圈分别赋予相应的热量值。

在低速的自然对流流动中，流场中压强变化很小，因此空气的密度可以选择为Boussinesq模型，空气的粘度则按照Sutherland定律进行求解。水、空气、奥氏体不锈钢的导热系数均按照分段线性的方式进行拟合。

在室温环境中，当CRDM处于提升、步进、下降这三种状态中的下降状态时，线圈发热量是最大的。为了保守起见，本文将认为所有CRDM均长时间处于下降状态下。

3 结果分析

当CRDM群处于持续下插状态时，在由CRDM群、周围空气流域及压力容器顶盖外壁所构成的计算区域内，选取过压力容器轴线的横截面来研究温度场的分布特性，图6给出了该截面上的温度场计算结果云图。

图6 整体温度场温度截面Fig.6 Temperature distribution on the computation domain section.

计算结果表明，当CRDM群处于持续下降状态时，CRDM群外部流域中的空气主流温度变化较小，CRDM群外部空气主流区域的温度大部分低于60 °C。与CRDM群外部空气主流区域相比，在上风罩内的空气温度相对高得多。这主要是因为上风罩的设置，构建了空气的流动通道，有利于风罩内的空气与外围主流空气形成自然循环流动，促进了CRDM热量的向外传递。图7的计算结果表明，在三维全场模拟条件下，线圈的最高温度约为198 °C，低于线圈的允许温度限制值(200 °C)[1]。

图7 线圈温度截面Fig.7 Temperature distribution on the coil.

如前面所述，本文在几何建模过程中，对CRDM进行了适当的保守性简化；此外，CRDM不可能全部都长时间同时处于下降状态。因此，在实际运行情况中，CRDM 线圈最高温度将不超过198 °C。

为了进一步确定在计算域内温度最高线圈所在的CRDM位置，沿CRDM高度方向，在夹持线圈、移动线圈和提升线圈位置处，分别选取三个水平截面，图8给出了这三个截面上线圈的温度分布特性。

图8 夹持线圈(a)、移动线圈(b)和提升线圈(c)温度云图Fig.8 Temperature distribution of the SGC (a), MGC (b) and LC (c).

图8中的计算结果显示，从CRDM群径向位置看，夹持线圈、移动线圈的温度最高值都出现在CRDM群分布区域的中心位置；提升线圈的温度最高值出现在中心与边角处；在三组线圈中，线圈温度的最低值均出现在中心和外围区域之间的位置。计算结果同样表明，处于分布区域中间位置的CRDM线圈，其线圈温度反而比外围线圈的温度要低一些，其原因主要有三点：

(1) 处于CRDM群分布区域内部的空气受周围CRDM线圈加热，其温度相对较高，其密度也相对低一些，在基本不变的主流空气温度作用下，形成的空气自然对流相对比较强烈，其对流换热能力略强；如图9(a)所示，处于分布区域中心位置的空气速度最高，超过0.9m·s−1；在分布区域的中间位置，空气速度超过0.49m·s−1；在CRDM群外围附近，空气主流的速度介于0.12–0.49m·s−1；在CRDM群最外围处，空气的温度甚至低于 0.12m·s−1。由于CRDM群外围的空气流速较低，空气自然对流也相对较弱，因此位于分布区域最外围的CRDM，其线圈温度偏高。

(2) 另一个原因在于CRDM的排列方式是中间有部分通流区域，这为空气提供了上升通道，促进了对流，这也是位于分布区域中间位置的CRDM线圈温度较低的一个重要原因。

(3) 由于压力容器顶部接近球形，不同位置处的 CRDM，其线圈与压力容器顶盖的距离也会不同。与位于中心位置处的CRDM相比较，外围处的CRDM线圈距离压力容器顶部距离较远，冷却剂通过导热传向线圈的热量较少，从而影响线圈温度。位于中心位置处的CRDM，冷却剂通过导热传向线圈的热量较高，所以在图8中，中心位置的线圈温度是最高的。

图9 横截面(a)和纵截面(b)速度分布云图Fig.9 Velocity distribution on the cross section (a) and vertical section (b).

4 结语

本文利用FLUENT软件，对CRDM群及其附近空气区域的流场和温度场分布进行了三维全场模拟，通过分析得到以下结论：

(1) 整体而言，位于中心位置处的CRDM的线圈温度最高，位于最外围位置处的CRDM的线圈温度其次，而位于中心和外围区域之间的CRDM线圈温度最低。影响线圈温度分布的因素主要包括空气自然循环能力、一回路水温以及结构特点等。

(2) 在CRDM群分布区域中预留相应的空气上升通道，能有效促进空气的自然对流，并对通道附近的CRDM进行有效冷却。

(3) 计算结果表明各CRDM群线圈的最高温度不超过198°C，低于限制温度(200°C)，对所研究的CRDM群采用全自然循环冷却方式是可行的。本文分析结果可为新型CRDM群分布设计提供参考。

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