鈉冷快堆ALIP核主泵磁流體瞬態(tài)特性與流動穩(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電磁泵為研究對象，針對其在大型化設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動為研究內(nèi)容，通過建立二維和三維數(shù)值模型來模擬泵內(nèi)液態(tài)金屬鈉在交變電磁場耦合作用下瞬態(tài)流動過程，重點(diǎn)研究了泵內(nèi)、外雙側(cè)布置線圈與傳統(tǒng)單側(cè)布線對速度、磁場、洛倫茲力產(chǎn)生的影響；三維泵內(nèi)流道瞬態(tài)流動過程及非穩(wěn)態(tài)流動（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)流道各物理場沿徑向分布、泵內(nèi)非穩(wěn)態(tài)流動產(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)域和大小與脈動速度和磁場的波長有關(guān)，在此基礎(chǔ)上提出了兩種泵內(nèi)穩(wěn)流設(shè)計(jì)方案。目前國際上日本、韓國、俄國和法國針對此類泵都有大量研究，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)鍵的問題，研究磁流體在強(qiáng)變化電磁場作用下流動穩(wěn)定性是解決該問題的基礎(chǔ)研究。本項(xiàng)目將以可冷卻1500 MWe級鈉冷快堆的ALIP作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立ALIP三維磁-流-熱多場耦合數(shù)值模型，并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究內(nèi)容有：1）基于LES模擬探明磁流體在外加強(qiáng)交變電磁場作用下通道內(nèi)流動特性，掌握在不同流量、不同電磁場強(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)生的非對稱磁場對磁流體的作用，泵內(nèi)沿徑向分布磁場、渦電流對泵內(nèi)磁流體流動的影響等。3）從改變磁場分布和泵內(nèi)結(jié)構(gòu)的角度，提出主動控制方案。本項(xiàng)目成果將提高對磁流體管道流在高雷諾數(shù)和強(qiáng)變化磁場下的認(rèn)識；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)的過程中系統(tǒng)流動瞬變及核主泵惰轉(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。提出核主泵啟動過程中反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)流動瞬變及核主泵啟動瞬態(tài)特性的系統(tǒng)模型，建立核主泵啟動過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)動慣量、系統(tǒng)冷卻劑慣性、機(jī)械損失對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)和啟動瞬態(tài)過程中流量、轉(zhuǎn)矩、壓頭與瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。研究核主泵的轉(zhuǎn)動慣量、系統(tǒng)冷卻劑慣性對主泵啟動壓頭、啟動轉(zhuǎn)矩、啟動流量和轉(zhuǎn)速及堆芯流量的影響。

當(dāng)前我國核電的發(fā)展形勢，核主泵的國產(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，建立核主泵啟動無量綱轉(zhuǎn)速和流量特性關(guān)系式，建立了核主泵啟動總的無量綱瞬變壓頭、加速壓頭和克服摩擦的壓頭特性關(guān)系式，建立核主泵啟動無量綱加速冷卻劑轉(zhuǎn)矩，加速核主泵轉(zhuǎn)動部分轉(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)動慣量對主泵啟動轉(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)的無量綱關(guān)系式，研究了系統(tǒng)無量綱參數(shù)、冷卻劑慣性及主泵轉(zhuǎn)動慣量對主泵斷電惰轉(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，上述變量全部無量綱化，對于設(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)，對于水壓閉環(huán)系統(tǒng)瞬變特性的分析亦適用。為我國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)定磁場的作用下，使磁流體充滿于設(shè)定的空間內(nèi)，建立起多級“O型密封圈”，從而達(dá)到密封的效果；每級密封圈一般可以承受大于0.15～0.2個(gè)大氣壓的壓差?？偝袎簽楦骷墘翰钪?，一般設(shè)計(jì)為2.5個(gè)大氣壓，總體耐壓隨液態(tài)“O”形圈的級數(shù)增加而增加。被世界各國廣泛公認(rèn)的“零泄漏”動密封先進(jìn)技術(shù)。