鈉冷快堆ALIP核主泵磁流體瞬態(tài)特性與流動(dòng)穩(wěn)定性研究

本項(xiàng)目以第四代鈉冷快堆核主泵可能采用的ALIP電磁泵為研究對(duì)象，針對(duì)其在大型化設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)為研究?jī)?nèi)容，通過(guò)建立二維和三維數(shù)值模型來(lái)模擬泵內(nèi)液態(tài)金屬鈉在交變電磁場(chǎng)耦合作用下瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程，重點(diǎn)研究了泵內(nèi)、外雙側(cè)布置線圈與傳統(tǒng)單側(cè)布線對(duì)速度、磁場(chǎng)、洛倫茲力產(chǎn)生的影響；三維泵內(nèi)流道瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程及非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)（渦流、回流）產(chǎn)生的機(jī)理和時(shí)空演化特性，發(fā)現(xiàn)了雙側(cè)布線可以顯著均化泵內(nèi)流道各物理場(chǎng)沿徑向分布、泵內(nèi)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)產(chǎn)生的臨界流量、泵內(nèi)子午面渦流先從外側(cè)產(chǎn)生逐漸擴(kuò)大、泵內(nèi)周向面渦流的區(qū)域和大小與脈動(dòng)速度和磁場(chǎng)的波長(zhǎng)有關(guān)，在此基礎(chǔ)上提出了兩種泵內(nèi)穩(wěn)流設(shè)計(jì)方案。目前國(guó)際上日本、韓國(guó)、俄國(guó)和法國(guó)針對(duì)此類(lèi)泵都有大量研究，其中日本更是成功研制了一款流量超100方的示范泵。本項(xiàng)目的研究成功填補(bǔ)了我國(guó)在這方面的研究空白，為設(shè)計(jì)大型ALIP電磁泵提供了理論模型和設(shè)計(jì)模擬方法，具有較重要的應(yīng)用價(jià)值。

ALIP電磁泵在大流量下內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定性控制是設(shè)計(jì)和制造第四代鈉冷快堆核主泵最關(guān)鍵的問(wèn)題，研究磁流體在強(qiáng)變化電磁場(chǎng)作用下流動(dòng)穩(wěn)定性是解決該問(wèn)題的基礎(chǔ)研究。本項(xiàng)目將以可冷卻1500 MWe級(jí)鈉冷快堆的ALIP作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立ALIP三維磁-流-熱多場(chǎng)耦合數(shù)值模型，并開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究?jī)?nèi)容有：1）基于LES模擬探明磁流體在外加強(qiáng)交變電磁場(chǎng)作用下通道內(nèi)流動(dòng)特性，掌握在不同流量、不同電磁場(chǎng)強(qiáng)度和遷移速度下通道內(nèi)（特別是在哈特曼邊界層中）流態(tài)特性。2）采用基于RANS方法的MHD模型探究ALIP在大流量下內(nèi)部產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象的機(jī)理，包括泵兩端產(chǎn)生的非對(duì)稱(chēng)磁場(chǎng)對(duì)磁流體的作用，泵內(nèi)沿徑向分布磁場(chǎng)、渦電流對(duì)泵內(nèi)磁流體流動(dòng)的影響等。3）從改變磁場(chǎng)分布和泵內(nèi)結(jié)構(gòu)的角度，提出主動(dòng)控制方案。本項(xiàng)目成果將提高對(duì)磁流體管道流在高雷諾數(shù)和強(qiáng)變化磁場(chǎng)下的認(rèn)識(shí)；在應(yīng)用研究上將為設(shè)計(jì)大流量核主泵提供理論和實(shí)驗(yàn)支撐。

本項(xiàng)目從系統(tǒng)理論研究的角度，對(duì)于多環(huán)路壓水反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)，提出各個(gè)環(huán)路核主泵分別在同時(shí)斷電、部分?jǐn)嚯娂跋嗬^斷電而惰轉(zhuǎn)的過(guò)程中系統(tǒng)流動(dòng)瞬變及核主泵惰轉(zhuǎn)瞬態(tài)特性的系統(tǒng)模型。建立核主泵不同斷電過(guò)程中系統(tǒng)冷卻劑與主泵在慣性作用下堆芯流量衰減與系統(tǒng)參數(shù)、主泵參數(shù)的關(guān)系式，建立核主泵不同斷電過(guò)程中惰轉(zhuǎn)特性的關(guān)系式及與主泵設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系。提出核主泵啟動(dòng)過(guò)程中反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)流動(dòng)瞬變及核主泵啟動(dòng)瞬態(tài)特性的系統(tǒng)模型，建立核主泵啟動(dòng)過(guò)程中冷卻劑在慣性與離心力作用下堆芯流量瞬變與系統(tǒng)參數(shù)、主泵參數(shù)的關(guān)系式，建立核主泵啟動(dòng)瞬態(tài)特性關(guān)系式及與主泵設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系。研究核主泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、系統(tǒng)冷卻劑慣性、機(jī)械損失對(duì)堆芯流量和主泵惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、慣性壓頭、慣性流量的影響。研究主泵斷電惰轉(zhuǎn)和啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中流量、轉(zhuǎn)矩、壓頭與瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。研究核主泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、系統(tǒng)冷卻劑慣性對(duì)主泵啟動(dòng)壓頭、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)流量和轉(zhuǎn)速及堆芯流量的影響。

當(dāng)前我國(guó)核電的發(fā)展形勢(shì)，核主泵的國(guó)產(chǎn)化自主化設(shè)計(jì)制造，需要做一些服務(wù)于設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)題的研究。本項(xiàng)目從反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究的角度出發(fā)，研究核主泵瞬變工況下核主泵瞬態(tài)特性及堆芯流量瞬變的研究。從系統(tǒng)理論的角度，提出了反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)核主泵啟動(dòng)瞬變工況下主泵瞬態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，建立核主泵啟動(dòng)無(wú)量綱轉(zhuǎn)速和流量特性關(guān)系式，建立了核主泵啟動(dòng)總的無(wú)量綱瞬變壓頭、加速壓頭和克服摩擦的壓頭特性關(guān)系式，建立核主泵啟動(dòng)無(wú)量綱加速冷卻劑轉(zhuǎn)矩，加速核主泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)矩和克服冷卻劑摩擦轉(zhuǎn)矩特性關(guān)系式。研究了系統(tǒng)參數(shù)、冷卻劑慣性及主泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)主泵啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、流量、壓頭和轉(zhuǎn)矩的影響。提出了反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)核主泵斷電瞬態(tài)特性及堆芯流量的數(shù)學(xué)模型，建立了主泵斷電惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及流量與系統(tǒng)參數(shù)及主泵設(shè)計(jì)參數(shù)的無(wú)量綱關(guān)系式，研究了系統(tǒng)無(wú)量綱參數(shù)、冷卻劑慣性及主泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)主泵斷電惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及流量的影響。與秦山和大亞灣主泵斷電惰轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了比較，包括流量和轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行了比較，亦與Yokomura發(fā)表的研究型反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)泵的惰走試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，與Tsukamoto的試驗(yàn)泵啟動(dòng)流量、轉(zhuǎn)速和壓頭進(jìn)行了比較，結(jié)果非常吻合，證明所建立的主泵啟動(dòng)和斷電非穩(wěn)態(tài)特性關(guān)系式的正確性。上述建立的特性關(guān)系式?jīng)]有采用離心泵特性關(guān)系式，上述變量全部無(wú)量綱化，對(duì)于設(shè)計(jì)新型壓水堆冷卻系統(tǒng)和核主泵均適用，不僅僅適用于壓水堆冷卻系統(tǒng)，對(duì)于水壓閉環(huán)系統(tǒng)瞬變特性的分析亦適用。為我國(guó)核主泵及壓水堆冷卻系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)及制造提供理論依據(jù)。 2100433B

磁流體是一種膠體溶液。作為密封用的磁流體，其性能要求是：穩(wěn)定性好，不凝聚、不沉淀、不分解；飽和磁化強(qiáng)度高；起始磁導(dǎo)率大；粘度和飽和蒸氣低，其他如凝固點(diǎn)、沸點(diǎn)、導(dǎo)熱率、比熱和表面張力等也有一定的要求。

影響磁流體穩(wěn)定的主要因素有：微粒力度大小、表面活性劑和載液以及它們的合理配比。穩(wěn)定性是磁流體各種特性存在的前提。

磁流體密封裝置是由不導(dǎo)磁座、軸承、磁極、永久磁鐵、導(dǎo)磁軸、磁流體組成，在均勻穩(wěn)定磁場(chǎng)的作用下，使磁流體充滿(mǎn)于設(shè)定的空間內(nèi)，建立起多級(jí)“O型密封圈”，從而達(dá)到密封的效果；每級(jí)密封圈一般可以承受大于0.15～0.2個(gè)大氣壓的壓差。總承壓為各級(jí)壓差之和，一般設(shè)計(jì)為2.5個(gè)大氣壓，總體耐壓隨液態(tài)“O”形圈的級(jí)數(shù)增加而增加。被世界各國(guó)廣泛公認(rèn)的“零泄漏”動(dòng)密封先進(jìn)技術(shù)。