摇摆条件下反应堆堆芯内流场演变规律研究

Rolling motion can dramatically change the coolant flow field in the marine reactor core under natural circulation condition,and generate a larger intensity eddy, which affects the core heat transfer characteristics. In this project, PIV and wire-mesh are used to measure the flow field in large scale reactor core slice under rolling condition. The flow field evolution phenomenon and law can be confirmed through the quantitative experimental data. Based on the experimental data, CFD method for simulating the flow field under rolling condition will be optimized. Combining with the experimental data and CFD calculation, the influence mechanism of core size, velocity and mixing grid on flow field evolution under rolling condition will also be analyzed in this project. And finally,, and extract the scene image of global flow field evolution in three dimensional reactor core and obtain quantitative space-time evolution law of stagnation zone and reverse low zone by expanding the CFD simulation to the typical floating nuclear power plants. All the work can provide the reference for the reactor safety assessment of nuclear-powered ships, icebreaker, floating power plants and bathyscaphe.

对于船用反应堆自然循环工况，摇摆运动会显著改变堆芯内冷却剂流场，形成较大强度和尺度的涡流，从而影响堆芯传热特性。本项目通过PIV和盐浓度丝网多重手段测量摇摆条件下大尺度堆芯切片的流场，获得定量的摇摆条件下堆内流场的演变数据，确认摇摆条件下的堆芯内流场演变现象和规律。基于实验数据优化摇摆条件下堆芯内流场CFD模拟方法。结合实验数据和CFD计算，分析堆芯尺寸、流速与交混格架对摇摆条件下流场演变的影响机制。拓展CFD方法到典型浮动核电站，提取全局的流场演变情景图像，获得定量的堆芯冷却剂滞止区和逆流区时空演变规律，为核动力舰船、破冰船、浮动平台和深海探测器等型号的反应堆安全评估提供支撑。

本项目完成了摇摆条件下燃料棒束内流场演变实验，优化摇摆条件下堆芯内流场CFD 模拟方法，并拓展了CFD技术应用到典型的浮动核电站反应堆，提取三维堆芯全局流场演变情景图像，获取三维堆芯内冷却剂滞止区和逆流区的时空演变规律（时间尺度和空间范围），获得结论如下：.（1）掌握了丝网探测器应用于棒束通道交混特性实验技术，并基于实验结果分析了静止条件与运动条件下棒束通道内交混特性。实验表明，在实验参数范围内，摇摆条件下棒束通道交混时均特性基本不改变。.（2）LES方法能够准确预测棒束通道内流速分量时均值，与RANS方法相比，LES方法对速度脉动具有一定的模拟精度，能较准确地预测交混特性，包括湍流交混流率与定位格架所形成的交混因子。.（3）通过对一体化反应堆冷态摇摆工况的计算分析，得到了反应堆在摇摆条件下的内部流场分布情况，在反应堆摇摆过程中反应堆环腔下降段会形成比较明显的流动循环，大部分冷却剂在环腔及主泵段进行流动循环；反应堆堆芯内流动速度较低，同时也会形成两个比较明显的流动循环区域；不同摇摆工况相比，摇摆加速度大的模型SG流量偏大，冷态工况条件下，SG最大流量波动幅值约为35kg/s。.（4）主泵工作条件下，摇摆对反应堆温度场分布存在一定的影响，对SG的质量流量影响不大。.（5）在20%FP功率自然循环条件下，冷却剂经过堆芯后温度上升约60摄氏度，反应堆各SG平均流量约为13kg/s；耦合反应堆摇摆后，堆芯及SG温度分布发生改变，随着摇摆过程温度绕摇摆轴发生偏转；同时在环腔下降段形成明显的流动循环。. 本课题的研究对学科发展和工程应用具有双重意义。在学科发展方面，通过盐浓度丝网测量获得的流场数据，为CFD应用于海洋条件下复杂流场的计算提供必要了验证数据和模型开发数据。在工程应用方面，通过实验与CFD相结合的方法，获取摇摆条件下堆内流场的演变规律，为海洋条件下反应堆热工安全评估提供参考。