摘要: 控制棒驱动机构(CRDM, Control Rod Drive Mechanism)是控制反应堆正常安全运行的重要设备。反应堆运行时，受反应堆冷却剂的热虹吸和磁扼线圈通电产生热量的作用，驱动机构在较高的温度下运行，如果磁扼线圈等部件的温度长时间超过其允许的使用温度，会严重影响这些部件的工作寿命，甚至造成失效，影响反应堆的正常运行，因此需要对CRDM进行冷却。文章针对单根控制棒驱动机构，进行计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)数值模拟，在自然对流工况下，对CRDM的传热特性进行了研究，得到CRDM整体和各个关键部位的温度分布情况，并针对不同输入参数对磁扼线圈温度影响进行了敏感性分析，发现线圈发热量和导热系数对线圈的平均温度影响较大，线圈发热量增加68%，提升线圈平均温度提高26%。线圈导热系数提高17.75倍，线圈平均温度减小25%。
Abstract:
Control rod drive mechanism (CRDM) is an important equipment to control the normal and safe operation of the reactor. During the operation of the reactor, due to the thermal siphon of the reactor coolant and the heat generated by the magnetic yoke coil, the CRDM needs to operate at higher temperatures. If their temperature exceeds the allowable temperature for a long time, it will seriously affect the working life of these components, even cause failure, and affect the normal opera-tion of the reactor. So it is necessary to study the heat transfer characteristics of CRDM. In this paper, aiming at the single CRDM, the CFD numerical simulation is carried out, and the temperature distribution of the whole and each key part of CRDM is obtained. The sensitivity analysis of the influence of different input parameters on the temperature of magnetic yoke coil is carried out. It is found that the calorific value and thermal conductivity of the coil have great influence on the average temperature of the magnetic coil. The heating capacity of the coil increased by 68%, and the average temperature of the lifting coil increased by 26%. The thermal conductivity of the coil is increased by 17.75 times, and the average temperature of the coil is reduced by 25%.
1. 引言
控制棒驱动机构(CRDM)是控制反应堆正常安全运行的重要设备。压水堆中，控制棒驱动机构的作用是在垂直方向定位控制棒组件，通过控制棒驱动机构改变或保持控制棒组件在反应堆堆芯中的深度，以实现反应堆的启动、停堆、调节功率、负荷跟踪、以及事故工况下的紧急停堆保护 [1]。
反应堆运行时，反应堆冷却剂系统的热量通过热虹吸等路径传递到CRDM区域，并且磁扼线圈通电过程中也会产生大量的热量。这些热量会使控制棒驱动机构在较高的温度下运行，如果CRDM礠扼线圈等关键部件的温度长时间超过其允许的使用温度，会严重影响这些部件的工作寿命，甚至造成失效，影响反应堆的正常运行。为了避免上述情况发生，需要对驱动机构进行冷却。目前所用冷却方式大部分为强迫风冷，有研究表明未来新型CRDM将无需堆顶通风冷却系统，耐压壳综合性能更优，可降低核电成本和提升安全性，可靠性 [2]。为了简化一体化堆顶结构，需要对CRDM在自然风冷条件下的传热特性开展相关研究。
由于控制棒驱动机构零件较多，结构复杂，研究难度较大，因此国内外对驱动机构传热特性的研究比较少，研究方法上也有较多的简化假设。其中，李维等 [3] 基于单台控制棒驱动机构流场的计算模型，进行了控制棒驱动机构群全尺寸模型的温场和速度场计算，得到基于自然对流的控制棒驱动机构温场效应，结果表明通过自然对流可以将控制棒驱动机构运行产生的热量完全带出堆坑，不存在堆坑窝热情况。余豪等 [4] 以ACP100反应堆为例，对不同环境温度下的CRDM外部流场进行三维数值模拟，得到其外壁面空气温度及对流换热系数。将上述结果作为边界条件分段施加到单根CRDM上，考虑内部冷却剂的自然对流流动对CRDM进行热流固耦合分析。结果表明，CRDM内部沿轴向及由内向外存在较大温度分布梯度。周肖佳等 [5] 建立了热虹吸自然对流分析模型同时进行验证试验，分析得到热虹吸传质传热是CRDM轴向传热的主要途径。张升等 [6] 通过试验方法在多种通风速度条件下，研究了驱动杆位置对CRDM轴向传热和磁扼线圈工作温度的影响，结果表明驱动杆在全高度棒位时CRDM内部的热虹吸现象更剧烈，冷却空气带走的热量更多。丁宗华等 [7] 通过对控制棒驱动机构工作线圈有限元分析，发现提高浇注料平均导热系数，可以使线圈传热得到明显改善，从而提高其安全可靠性。
综上，目前公开文献多采用试验\数值方法分别对CRDM的自然通风和热虹吸传热进行研究，针对单根CRDM进行的数值分析，大多采用的结构模型较为简单，具有一定的局限性。本文针对自然通风工况，采用CFD分析软件STAR-CCM+对单根控制棒驱动机构传热特性进行了研究，得到CRDM整体的温度分布情况以及磁扼线圈的最高温度，并且通过采用改变湍流模型、调整驱动杆位置、改变线圈导热系数、调整线圈发热量等方式，对不同输入参数对磁扼线圈温度影响进行了敏感性分析，发现线圈发热量和导热系数对线圈的平均温度影响较大。
2. 计算模型
2.1. 几何结构
CRDM结构复杂，特别是钩爪部件的零件数量较多，因此本文对CRDM样机结构进行了一定的简化，忽略了螺钉等紧固件、以及较小的圆角、倒角等特征，建立了控制棒驱动机构和外部空气域的计算模型，计算模型如图1和图2所示。
2.2. 网格模型
对整体模型进行网格划分，与流体域接触的壁面添加边界层，对模型进行网格无关性验证。网格无关性验证结果见图3，网格数量从450万增至1200万，随着网格数量达800万，提升线圈、动爪线圈和定爪线圈的温度变化幅度都很小，可以认为800万网格满足网格无关性要求，因此选取800万网格作为计算网格，最终网格模型如图4所示。
2.3. 计算设置
针对圆形磁扼自然通风工况，边界条件设置情况如图5所示。外部环境温度为23℃，热虹吸流道压力边界温度为240℃，湍流模型为k-ɛ模型。计算考虑重力加速度的作用，考虑空气和水的物性参数随温度变化，提升线圈、动爪线圈、定爪线圈发热量分别为1100 W、400 W、430 W。流体和固体之间建立流固耦合交界面，实现流固耦合换热。
3. 结果分析
3.1. 计算结果分析
采用STAR-CCM+软件进行后处理。计算得到外部空气域的速度分布云图如图6所示。可以发现冷空气从风罩下部进入，与CRDM发生自然对流换热完成后，较高温度的空气从风罩上部流出。
Figure 6. Cloud chart of air flow field distribution
图6. 空气域流场分布云图
计算得到控制棒驱动机构整体温度分布如图7所示，可以发现驱动机构在提升线圈位置附近的温度较高，其他位置整体基本随高度的增加温度逐渐降低。图8和图9分别为礠扼线圈和礠扼线圈壳体表面温度分布，可以发现线圈内外表面存在较大温差，这是由于使用了较为保守的线圈导热系数，并且提升线圈温度高于动爪和定爪线圈，这是因为提升线圈发热功率远大于动爪和定爪线圈。受提升线圈的影响，磁扼壳体温度呈现上高下低的分布。
Figure 7. Cloud chart of overall temperature distribution of driving mechanism
图7. 驱动机构整体温度分布云图
Figure 8. Cloud chart of magnetic choke coil temperature distribution
图8. 磁扼线圈温度分布云图
Figure 9. Cloud chart of magnetic choke shell temperature distribution
图9. 磁扼壳体温度分布云图
3.2. 参数敏感性分析
本节通过采用改变湍流模型、调整驱动杆位置、改变线圈导热系数、调整线圈发热量等方式，对不同输入参数对磁扼线圈温度影响进行了敏感性分析，结果列于表1中，其中工况1为上述分析所用基准工况。分析得出空气域湍流模型由sst k-ω模型变为k-ɛ模型，提升线圈平均温度降低8℃；线圈导热系数由0.8升高到15 W/(m∙K)，提升线圈平均温度降低83℃；驱动杆位置由下部提升到上部，提升线圈平均温度升高了6℃；线圈发热量降低1/3左右，提升线圈平均温度降低了70℃。综上，线圈发热量和导热系数对线圈的平均温度影响较大。
Table 1. Results of parameter sensitivity analysis
表1. 参数敏感性分析结果
4. 结论
本文针对自然通风工况，建立了包含外部自然对流区域和控制棒驱动机构的数值计算模型，并对模型进行了参数敏感性分析，得到结论如下：
1) 整根控制棒驱动机构温度在提升线圈处温度较高，其他位置基本随高度升高而降低，其中提升线圈部位平均温度为270℃；
2) 参数敏感性分析发现，线圈发热量和导热系数对线圈的平均温度影响较大，线圈发热量增加68%，提升线圈平均温度提高26%。线圈导热系数提高17.75倍，线圈平均温度减小25%。