压水堆控制棒导向筒内流致振动研究
水力振荡器与旋转导向系统兼容性分析
112“十四五”以来，随着我国海上能源安全战略的发展，大位移井已是海上开发“低、边、稠”油气田的重要手段。
大位移井通过单井筒延伸出较长的水平位移提高油气藏的开发覆盖面积，能够大幅度提高单井产量，提高油气藏的动用系数降低单井开发成本，提高钻井平台的利用率[1]，还可以减少对生态环境的破坏，实现油气开发的可持续性发展[2]，已在边际油田、复杂油气藏及非常规油气开发中取得了较为显著的应用效果。
近年来，由于用海矛盾突出，平台周边滚动扩边需求增多，受到航路、锚地等影响，海上边际油田动用难度较大、开发受限，逐渐要求海上大位移井的水平位移突破6000米。
面对大位移井开发过程中常出现的摩阻扭矩大、长裸眼段钻具托压严重、硬地层机械钻速慢等瓶颈难题，国内外油田企业及科研院所逐步开拓出高攻击性钻头、高性能钻井液、高效率提速工具等多项核心技术提高钻井时效及安全性[3]。
水力振荡器作为一种降摩减阻提速工具，可以通过压力脉冲产生轴向振动，将静摩擦转变为动摩擦，有效解决大位移井复合钻进中的托压问题，减少粘附卡钻并提高机械钻速。
旋转导向技术作为目前石油钻井领域先进的井眼轨迹控制技术，可以使钻具在旋转钻井的过程中按照预设井眼轨道实施钻进[4]。
这两种技术工具的应用对于大位移井钻井的时效提升和定向控制能力提升具有重要意义，但当两种工具同时应用时，水力振荡器提供的振动冲击是否会对旋转导向系统的指向性造成影响，始终被作业者所担忧和质疑。
本文将对水力振荡器及旋转导向系统的技术现状以及两种工具兼容使用的情况进行分析，旨在为大位水力振荡器与旋转导向系统兼容性分析董云峰 中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司 广东 湛江 524057摘要：大位移井能够达到钻遇多套砂体的目的，增大井筒与储层接触面积，在油气田钻井中取得了显著的应用效果。
水力振荡器和旋转导向系统单独应用于大位移井，能够提升钻井时效和定向控制能力，但两种工具同时使用的兼容性尚未得到分析和验证。
抗流致振动的压水堆控制棒导向筒阻流板设计与数值分析
收稿日期:2020-01-03基金项目:国家科技重大专项课题(2012Z X 06004-012)作者简介:张惠民(1984 ),女,山东莱州人,博士研究生,现主要从事反应堆热工水力及结构流体研究 第40卷 第2期核科学与工程V o l .40 N o .22020年4月N u c l e a r S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n gA pl .2020抗流致振动的压水堆控制棒导向筒阻流板设计与数值分析张惠民1,2,陆道纲1,2,张钰浩1,2(1.华北电力大学核科学与工程学院,北京102206;2.非能动核能安全技术北京市重点实验室,北京102206)摘要:压水堆的堆芯上腔室中的控制棒导向筒可使控制棒在其内平滑地被提出或插入堆芯㊂堆芯上腔室内掠过控制棒导向筒的横向流从导向筒壁面的流水孔流入导向筒内部,会诱发控制棒的流致振动㊂流水孔的作用是在控制棒下落时排出导向筒内的水以减少控制棒下落阻力,使控制棒及时落入特定位置从而保证反应堆的安全㊂如果流水孔的尺寸过大,落棒阻力较小,但控制棒的流致振动会增强;反之亦然㊂虽然在常规设计中核算了流水孔尺寸以平衡落棒阻力和流致振动,但是压水堆核电厂还是会经常出现由上述问题引发的落棒延迟或控制棒流致振动过大问题㊂为了解决上述问题,本研究提出了改进设计方案,即在导向筒流水孔的前部设置阻流板,减小通过流水孔进入控制棒导向筒的流体㊂对控制棒周围的流体进行三维数值模拟,根据计算出的控制棒周围的流速,比较和评估改进设计前后控制棒周围的流动特性㊂计算结果表明,与改进设计前相比,改进后设计中控制棒周围的横向流动明显减弱㊂关键词:流致振动;控制棒导向筒;阻流板;数值模拟中图分类号:T L 352.1文章标志码:A文章编号:0258-0918(2020)02-0308-08D e s i g na n dA n a l y s i s o nF l o w -b l o c k i n g Pl a t eM o u n t e do n t h eG u i d e C o l u m no fC o n t r o lR o dA ga i n s t F l o w -i n d u c e dV ib r a t i o n i nP w r Z H A N G H u i m i n 1,2,L U D a o g a n g 1,2,ZH A N G Y u h a o 1,2(1.S c h o o l o fN u c l e a r S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y ,B e i j i n g 102206,C h i n a ;2.B e i j i n g K e y L a b o r a t o r y o f P a s s i v eS a f e t y T e c h n o l o g y f o rN u c l e a rE n e r g y ,B e i j i n g 102206,C h i n a )A b s t r a c t :G u i d e c o l u m n s i n t h eu p pe r p l e n u mof p r e s s u r i z e dw a t e r r e a c t o r (P WR )c a ng u i d e th e c o n t r o l r o d s t o ri s e f r o mo r t o d r o p i n t o t h e c o r e s m o o t h l y.C r o s s f l o wo v e r t h e g u i d e c o l u m n s i nt h eu p p e r p l e n u m o f c o r em a y i n v a d e i n t ot h ec o l u m n s t h r o u g h w i n -d o w s o p e n e d a tw a l l o f t h e c o l u m n s ,w h i c hm a y ca u s e f l o w -i n d u c e dv ib r a t i o n (F I V )o f t h ec o n t r o l r od s .F u n c t i o no f t h ew i n d o wi s t od r a i nt h ew a te r i n s i d e t h e c o l u m nt or e -803d u ce t h e d r a gf o r c e o f t h e c o n t r o l r o dw h e n i t d r o p s s o t h a t t h e c o n t r o l r o dc a nd r o p t o t h e s p e c i f i e d p o s i t i o n t i m e l y f o r s a f e t y o f t h e r e a c t o r.I f s i z eo f t h ew i n d o wi s s o l a rg e, th e d r a g f o r c eb e c o m e s s m a l lm e a n w hi l e t h eF I Vo f t h e c o n t r o l r o d sm a y s t r o n g d u e t o t h e l a r g e i n v a d i n g f l o w,a n d v i c e v e r s a.A l t h o u g h a c r i t i c a l s i z e o f t h ew i n d o w i s u s u a l l y d e t e r m i n e d t ok e e p t h eb a l a n c eb e t w e e n t h ed r a g f o r c e a n dF I Vi n t h e c o n v e n t i o n a l d e-s i g n,d r o p t i m e d e l a y o rF I Vd a m a g eo f t h e c o n t r o l r o d s c a u s e db y t h i sk i n do f u n b a l-a n c e p r o b l e mo c c u r r e d i n t h eP WRs o m e t i m e s.I no r d e r t o s o l v e a b o v e p r o b l e m,a c r e a-t i v e d e s i g n i s p r o p o s e d i nt h e p r e s e n t r e s e a r c h,i nw h i c ha f l o w-b l o c k i n g(o r s h a d i n g) p l a t e i s s e t i n f r o n t o f t h ew i n d o wo f g u i d e c o l u m n s o t h a t t h e i n v a d i n g f l o wi s b l o c k e d, w h i l e t h e d r a i n f l o wi s k e p t f l u e n t.I n v a d i n g f l o wa r o u n d t h e c o n t r o l r o d sw a s s i m u l a t e db y ac o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s(C F D)c o de e i t h e rf o r t h e c r e a t i v ed e s ig no r f o r th ec o n v e n t i o n a lde s i g n.A c c o r d i n g t o t h e c a l c u l a t e do u tm e a nf l o wv e l o c i t y a r o u n d t h e c o n-t r o l r o d s,F I Va m p l i t u d e so f t h ec o n t r o l r o d s i nb o t hd e s ig n sw e r ea s s e s s e da n dc o m-p a r e d.R e s u l t s sh o w e d t h a ti n v a d i n g f l o wa r o u n d t h e c o n t r o l r o d s i n t h e c r e a t i v ed e s i g n i sm u c hw e a kc o m p a r e d t o t h a t i n t h e c o n v e n t i o n a l d e s i g n.K e y w o r d s:F l o w-i n d u c e d V i b r a t i o n;C o n t r o l R o d G u i d e C y l i n d e r;F l o w-b l o c k i n g P l a t e;N u m e r i c a l S i m u l a t i o n控制棒组件是核电厂的核心设备,其完整性和其及时下落功能对核电厂安全至关重要㊂压水堆(P WR)堆芯上腔室中设置了控制棒导向筒,控制棒在导向筒内能够平滑地被提出或插入堆芯㊂控制棒导向筒下部开有流水孔,流水孔在控制棒下落时排出导向筒内的水以减少控制棒下落阻力,使控制棒能够不受延迟地落在特定位置从而保证反应堆的安全㊂同时,从堆芯流出的流体在外部掠过导向筒的流水孔时,可能有一部分冷却剂会通过流水孔进入导向筒内部,从而对控制棒产生横向冲刷,进而引起控制棒组件的振动㊁疲劳甚至磨损变形,直接影响核电厂的安全运行㊂如果流水孔的尺寸过大,落棒阻力会较小,但进入导向筒的流量会增加而导致控制棒的流致振动增强;反之亦然㊂虽然在常规设计中核算了流水孔的临界尺寸以平衡落棒阻力和流致振动,但是压水堆核电厂还是会出现由上述问题引发的落棒延迟或控制棒流致振动过大事件㊂例如大亚湾核电厂就发生过由于法马通的导向筒流水孔设计修改导致1号机组7组控制棒落棒时间超出验收准则的问题[1]㊂国内外学者开展了很多流致振动研究[2-11],对核电厂设备的流致振动研究大多侧重于吊篮㊁蒸汽发生器换热管和燃料组件等设备,而针对核电厂控制棒的流致振动研究在国内外开展较少,尤其针对控制棒导向筒下部流水孔尺寸如何影响控制棒横向流及其导致的流致振动研究国内外几乎没有涉及㊂导向筒下部流水孔的尺寸过大或过小都会直接影响控制棒的流致振动行为和落棒时间,对核电厂的安全运行造成不利影响㊂针对上述问题及研究现状,本研究提出了新型设计方案,即在导向筒流水孔的前部设置阻流板,使堆芯上腔室的冷却剂通过流水孔进入控制棒导向筒的流体受阻,流量减小,同时保证控制棒下落过程中排水顺畅㊂本研究的前期工作[12],已经针对控制棒导向筒周边的流动行为开展了基于简化模型的实验研究,通过可视化技术,测得了控制棒导向筒附近的流场分布,同时针对这一实验模型进行数值模拟,通过实验结果与数值计算结果对比,初步验证了数值计算模型及方法对于求解该问题的适用性㊂为了验证本改进设计的有效性,本文运用上述经过实验验证的计算方法和模型,对控制棒导向筒及内部结构进行了更为精确的建模,并对改进前和改进后的设计方案分别进行了基903于C F D 的数值模拟与分析,获得了改进前与后设计方案下的流场分布特性,通过改进前与后的流场对比分析,判断阻流板的阻流效果,评价该横向流动流速对控制棒流致振动效果的影响㊂1 控制棒导向筒结构及网格划分1.1 控制棒导向筒实验及计算模型结构本研究前期工作中,已经针对控制棒导向筒周边的流动行为开展了基于简化模型的实验研究[12]㊂本文在控制棒流致振动等比例实验台架原型的基础上增加控制棒根数及控制棒导向板数量,更真实地模拟实际反应堆控制棒导向筒内部结构,选取实验段下部为研究对象,采用三维C F D 软件F L U E N T 进行改进前及改进后不同设计方案的数值模拟与分析㊂控制棒流致振动实验段结构图及数值模拟模型如图1所示㊂图1 控制棒流致振动实验台架及数值模拟模型F i g .1 C o n t r o l r o dF I Ve x pe r i m e n t a l b e n c ha n dn u m e r i c a lm o d e l计算模型主要包括三部分主要结构:(1)外部筒体形成实验段冷却剂流动边界,内部流体模拟堆芯上腔室内的冷却剂流动状态,下部外筒体的尺寸为400m mˑ400m mˑ2400m m ;(2)内部导向筒模拟件采用与实堆导向筒相同尺寸设计,上下部导向筒内设置与实堆相同数量的控制棒导向板,下部导向筒的下部设置与原型一致的8个方形流水孔,流水孔尺寸为130m mˑ150m m ;(3)采用8根直径9.5m m 的控制棒模拟件,控制棒数量相比原型减小,但对控制棒导向筒内整体流动特性影响不大㊂外部筒体侧面及控制棒导向筒下部各设置一个进水口,分别模拟实堆中通过控制棒导向筒流水孔的侧方来流,以及由导向筒底部进入的自下而上流动的冷却剂,外部筒体侧面高位处设置出水口㊂1.2 控制棒导向筒及不同设计方案网格划分控制棒导向筒内部结构及外部筒体流体域网格划分示意图如图2和图3所示㊂图2 控制棒导向筒内部结构及新型阻流板方案网格F i g.2 M e s ho f t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e o f c o n t r o l r o d g u i d e c y l i n d e r a n d f l o w -b l o c k i n gp l a t e d e s i gn 控制棒导向筒内部结构较为复杂,控制棒连续导向段及控制棒直径尺寸较小,采用非结构网格进行网格划分;控制棒导向筒周围流场及阻流板区域结构规则,采用结构化网格进行网格划分㊂将两组区域的网格在F L U E N T 中采用I n t e r f a c e 进行连接后实现整体耦合计算,连接方式如图3(d)所示㊂基于以上网格划分方法,选取不同数量的网格进行了敏感性分析,考虑到计算的精确性与经济性,最终采用131081万网格进行数值计算研究㊂本文对三种设计方案分别进行网格划分及计算:(1)原型(改进前)设计方案:控制棒导向筒下部四周8组流水孔外侧均不设阻流板㊂需要说明的是,由于导向筒内部控制棒连续导向段模拟件厚度较厚(17m m )且位于每组流水孔中间,将每组流水孔从中心处再次分隔成左右两部分,起到阻碍流体进入流水孔的效果㊂针对这一结构,在模型建立及网格划分中,将该处每组入口窗分隔为左右两组,以模拟实际冷却剂流动情况,网格划分结果如图3(a)所示,其他设计方案处理方法相同㊂(2)两组阻流板设计方案:在控制棒导向筒侧面正对入口处的两个流水孔外侧10m m 处各设置一组阻流板,共设置2组阻流板,网格划分方式与原型方案相同㊂(3)八组阻流板设计方案:在控制棒导向筒四周共八个流水孔外侧10m m 处均设置一组阻流板,共设置8组导流板,网格划分方式与原型方案相同㊂图3 不同阻流板设计方案及网格划分方式F i g .3 D i f f e r e n t f l o w -b l o c k i n gp l a t e d e s i gn s a n dm e s hd i v i s i o nm e t h o d s1.3 主要边界条件及计算方法(1)不同设计方案中,保证控制棒导向筒两个入口边界流量与实堆流量一致,出口边界采用压力出口;同时考虑到入口㊁出口处的流动稳定性,分别设置一段入口㊁出口管道,长度均为400m m ;(2)湍流模型采用标准k -ε模型,配合标准壁面函数;(3)计算方法采用S I M P L E 算法,动量项差分格式采用二阶迎风格式,其他项均采用二阶格式;(4)对计算域进行稳态计算,收敛精度达到1ˑ10s-5以下㊂2 计算结果分析2.1 控制棒导向筒原型(改进前)方案计算结果分析原型工况下,模拟堆芯上腔室的侧方流量通过控制棒导向筒下部侧面的流水孔流入,同时,来自堆芯上腔室的一部分流量通过控制棒导向筒底部自下而上流入导向筒内部,在二者流量共同影响之下,原型整体流场及速度场如图4所示㊂图4 控制棒导向筒不同位置速度分布图F i g .4 V e l o c i t y di s t r i b u t i o n s i nd i f f e r e n t p o s i t i o n s o f c o n t r o l r o d g u i d e c yl i n d e r 由图4速度分布及流线分布可知,侧方来流由于受到控制棒导向筒的阻挡发生转向,一部分流体沿控制棒导向筒周向发生绕流,然后113转向出口方向流动,一部分流体通过控制棒导向筒下部正对来流方向的流水孔直接流入导向筒内部,对控制棒连续导向段及控制棒造成直接影响,局部横向流速较大㊂此外,少量流体在绕流的过程中,通过导向筒四周的流水孔进入导向筒内,但该部分流体横向流速较小,且在导向筒自下而上流体的带动作用下,向上流动,对控制棒的直接扰动影响较小㊂在上㊁下进水口水平截面处选取关键周向位置监测线C 1㊁C 2,位置如图4(b )所示;在竖直方向选取沿控制棒导向筒内部均匀分布的8根监测线(L i n e 1~L i n e 8),位置如图5所示㊂为定量分析控制棒导向筒内流速分布特性,采用水平方向(L i n e 1到L i n e 6方向为x 正向,L i n e 8到L i n e 3为y 正向,监测线沿远离底部入口方向为z 正向)速度矢量合速度v 水平=v 2x +v 2y 评价侧方流水对控制棒的横向冲刷影响㊂原型设计方案中沿水平周向㊁竖直方向的速度分布如图6所示㊂图5 竖直方向监测线L i n e 1~L i n e 8位置示意图F i g .5 L o c a t i o n s o f v e r t i c a lm o n i t o r i n g Li n e 1-8由定量速度分布图6(a)可知,水平方向,控制棒导向筒上部流水孔入口范围内(-40ʎ~40ʎ)水平合速度较大,最大可达1.53m /s ㊂进入控制棒导向筒内部的流体在控制棒导向板的作用下改变方向,并从导向筒其他流水孔流出,其中在流动侧后方(约ʃ110ʎ)附近,流出控制棒导向筒的速度也较大,出现第二个速度峰值约1.48m /s ,其水平方向合速度矢量分布见图4(d )㊂另外,控制棒导向筒下部流水孔处受到水平侧方来流影响较小,原因是该区域受到来自控制棒导向筒下部入口冷却剂影响较大,主流速度沿竖直方向自下而上流动,带动侧方来流向上流动,减弱了其水平方向的扰动㊂图6(b )进一步对比了竖直方向的不同监测线水平合速度分布规律,可见,在上部流水孔区域约z =0.9~1.05m 处,控制棒受到的侧方来流扰动最为明显,在z =1.4~1.6m 处,流体恰好流出控制棒导向板区域,由不同导向板分隔区域流出的流体在该区域发生一定程度的搅混,使得该区域水平合速度略有增加㊂图6 控制棒导向筒不同位置速度分布图F i g .6 V e l o c i t y di s t r i b u t i o n s i nd i f f e r e n t p o s i t i o n s o f c o n t r o l r o d g u i d e c yl i n d e r 因此,数值计算结果表明,原型设计中,通过侧方流水孔进入控制棒导向筒的流体对控制棒产生明显的横向扰动,其中上部流水孔附近流体水平合流速最大,对该区域控制棒的冲刷扰动作用较为明显㊂2132.2 控制棒导向筒阻流板改进方案计算结果分析本研究所设计的改进方案包括:(1)两组阻流板设计方案:在控制棒导向筒侧面正对入口处的两个流水孔外侧10m m 处各设置一组阻流板,共设置2组导流板;(2)八组阻流板设计方案:在控制棒导向筒四周共八个流水孔外侧10m m 处均设置一组阻流板,共设置8组导流板㊂基于与原型一致的边界条件进行计算,两种设计方案关键区域流场分布结果分别如图7㊁图8所示,图中数据提取位置与图4(b)相同㊂图7 2组阻流板方案流动速度分析F i g .7 A n a l y s i s o n f l o wv e l o c i t y of 2f l o w -b l o c k i n gp l a t e s d e s i gn 由图7分析可知,在靠近入口侧流水孔前设置两组阻流板后,水平流过该流水孔的流体水平合速度明显减小至0.1~0.3m /s ,但是该侧设置阻流板对控制棒导向筒其余三侧流水孔附近的流体水平流速的减弱效果不明显,最大速度峰值约1.1m /s ,相比原型工况变化不大㊂因此,为了减少横向流体的冲刷扰动只在入口侧流水孔前设置两组挡板,虽然能降低单侧控制棒导向筒内横向扰流的冲刷强度,但无法有效减弱其余三侧流水孔附近控制棒的流体水平流速,因此,该两组阻流板方案无法有效改善控制棒导向筒内流体流动特性㊂由图8分析可知,在控制棒导向筒四周设置8组挡板后,控制棒导向筒内流水孔附近的流体横向流速均明显减小,在上㊁下流水孔区域C 1㊁C 2监测线最大水平合速度仅0.4~0.5m /s ,沿高度方向L i n e1~L i n e8速度监测显示,水平和速度在控制棒导向筒流水孔高度区域(z =0.6~1.05m )处达到最大值,约0.3m /s㊂因此,计算结果表明,增加周向8组阻流板后,侧方来流对控制棒的扰动明显减弱㊂图8 8组阻流板方案流动速度分析F i g .8 A n a l y s i s o n f l o wv e l o c i t y of 8f l o w -b l o c k i n gp l a t e s d e s i gn 2.3 不同方案下计算结果对比分析选取原型方案㊁两组阻流板方案㊁8组阻流板方案中,竖直监测线L i n e 1㊁L i n e 3及水平监测线C 2计算结果对比如图9所示㊂由图9不同设计方案对比结果可以看出,原型工况和两组阻流挡板工况下,最大总流速均大于1.4m /s,原型工况下最大流速出现在侧方入口流水孔附近;两组阻流挡板设计中,导向筒靠近侧方入口流水孔处流体水平合速度313明显降低,但是其他三个侧面横向入水口处横向流速与原型设计相比相差不大;增加周向八组阻流板后,导向筒所有流水孔附近最大水平合速度均明显降低至原型设计的20%~30%左右㊂图9 不同设计方案水平合速度对比F i g .9 C o m p a r i s o no f r a d i a l c o m b i n i n gv e l o c i t y o f d i f f e r e n t d e s i g n s 因此,相比于原型设计,增加两组挡板能够有效降低阻流板侧流水孔附近的流速,但是其他未设置阻流板区域的横向流动仍较为明显;在控制棒导向筒周向8个流水孔附近增设八组挡板后,导向筒内部扰流水平合速度明显降低㊂因此八组阻流板设计能够有效降低控制棒导向筒内水平方向合速度,有利于减小控制棒的流致振动振幅,保证事故工况下控制棒安全㊁及时落棒㊂3 结论本文基于控制棒流致振动实验[12],对控制棒导向筒内部结构进行了更为精细的建模,提出了新型阻流板设计方案,并对改进前和改进后的设计方案分别进行了三维C F D 数值模拟研究及对比分析,评价阻流板的阻流效果,主要结论如下:(1)控制棒导向筒原型设计中,侧方来流对控制棒的横向冲刷较为强烈,侧面进水口处的流体水平合速度最大,对该区域控制棒的流致振动影响较为明显㊂(2)相比于原型设计,两组阻流板设计方案能够有效降低设置了阻流板区域的导向筒内横向流速,但是并未降低其他未设置阻流板的区域的横向流速,总体上无法有效减小控制棒流致振动振幅㊂(3)八组阻流板设计方案能够有效降低控制棒导向筒内整体横向流动速度,横向流速仅为原型设计方案水平合速度的20%~30%,有利于减小控制棒流致振动振幅㊂因此,在控制棒导向筒流水孔附近增加阻流板可能是解决压水堆控制棒导向筒内控制棒所受阻力与流致振动之间不平衡问题的一种有效方法㊂致谢本工作由国家重大科技专项经费资助(2012Z X 06004-012)㊂参考文献[1] 付先刚,濮继龙.大亚湾核电站控制棒落棒时间超差问题的安全分析和审评[J ].核动力工程,1997(03):2-8.[2] 喻丹萍,马建中,席志德,等.反应堆堆内构件流致振动试验研究综述[J ].核动力工程,2016(s 2):47-51.413[3]王玺.压水反应堆燃料棒流致振动的仿真研究[D].复旦大学,2012.[4]张晓玲,李天勇,马建中,等.燃料组件流致振动试验研究[J].核动力工程,2016(s2):44-46. 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掌握三代核电技术 推进中国核电发展
掌握三代核电技术推进中国核电发展[摘要]国家确定了“积极发展核电”的方针后，如何加快核电发展成了当前必须解决的问题。
从分析我国核电发展方针发生变化的原因入手，阐述了积极发展核电的主要目标和基本任务，讨论了如何正确处理好批量规模建设和引进开发核电新技术的关系；如何采取措施加快核电的发展，统筹安排好核电建设和技术发展两方面的工作。
To Master Third Generation Nuclear Power Technologies and Promote Nuclear Power Development in ChinaWEN HongjunAbstract: After the guideline of actively developing nuclear power is determined in China，how to expedite nuclear power development becomes the issue which must be solved urgently. By analyzing reasons of change of the guideline, this paper describes the major objective and basic tasks of actively developing nuclear power, discusses realistic issues as to how to properly deal with relations between the batch-scale construction and new nuclear power technology import, how to take measures to expedite nuclear power development, how to arrange nuclear power construction and technology development as a whole.党的十六届五中全会确定了我国“积极发展核电”的方针；国务院又提出了2020年核电总装机达到4000万千瓦的宏伟目标；广为关注的三代核电机型招标于2006年12月16日定案。
核反应堆压水堆控制绪论课件PPT
核反应
在一定条件下，一个原子核与另 一个原子核发生相互作用，导致 原子核发生变化的过程。
链式反应
在核反应过程中，一个中子在裂 变过程中释放出多个中子，这些 中子又继续引发其他原子核裂变 ，形成持续的裂变链。
压水堆的工作原理
压水堆
利用高压水作为冷却剂和慢化剂的反 应堆。
工作原理
在压水堆中，燃料棒在高温高压下发 生裂变反应，释放出能量，同时产生 中子。中子与下一个燃料棒发生链式 反应，维持反应堆的持续运行。
核反应堆压水堆控制绪论 课件
• 引言 • 核反应堆基本原理 • 压水堆结构与系统 • 核反应堆控制 • 核反应堆安全与监管 • 未来核能发展与挑战
01
引言
核能简介
01
02
03
核能
核能是通过核反应从原子 核释放的能量，具有清洁、 高效、可再生的特点。
核能应用
核能主要用于发电、推进、 研究等领域，具有广泛的 应用前景。
反应堆的启动与停堆
启动
在反应堆启动时，需要引入中子源，使链式反应开始进行。
停堆
当反应堆需要停止运行时，可以引入控制棒或化学抑制剂， 吸收中子，使链式反应停止。
03
压水堆结构与系统
反应堆压力壳
总结词
反应堆压力壳是压水堆的核心部分，它包含了核反应堆的活性区域和控制组件。
详细描述
反应堆压力壳是一个厚重的钢制容器，内部装有核燃料组件和控制组件。它承 受着高温高压的反应堆冷却剂，并保持其密封性，以防止放射性物质泄漏。
控制系统的组成与功能
控制系统组成
核反应堆控制系统由传感器、控制器 和执行机构等组成，用于监测和控制 反应堆的运行状态。
控制系统功能
控制系统的功能包括调节反应堆功率、 控制反应性、稳定反应堆运行等，以 确保核反应堆安全、经济和高效地运 行。
压水反应堆燃料棒流致振动的仿真研究
核燃料元件及其组件作为核电厂的一个关键部件和第一道安全屏障,其寿命和可靠性是保证和提高核电安全性和经济性的一个重要因素。导致燃料元件破损的主要原因之一就是由于反应堆冷却剂流动造成燃料棒的微幅振动即流致振动,从而诱发燃料元件与格架间的微动磨损。
近三十年来,对燃料棒流致振动进行有效的分析和预测一直是反应堆结构动力学研究和关注的热点。本文将压水反应堆中的单根燃料棒作为分析对象,建立其力学模型,利用实测数据识别模型中的等效参数,进而分析了燃料棒在反应堆冷却剂作用下的动力学响应。
第三,基于上述流场作用下的燃料棒动力学模型分析其动的层流转化为附加质量,不稳定的紊流作为随机的脉动载荷施加到结构上。
采用Ansys进行PSD谱分析,得到冷却剂作用下燃料棒微幅振动的响应。本文的主要创新之处有：1、建立了燃料棒多跨弹性支撑的连续梁模型,给出了一阶频率与弹性支撑等效线刚度之间的关系,从而可以利用实测数据识别定位格架的约束参数;2、提出了基于Stokes’变换的求解多跨弹性支撑连续梁固有振动特性的半解析级数求解方法,基于此获得了理想流体的附加质量形式。
其次,为了对流场中的燃料棒进行动力学分析,提出了基于Fourior级数展开的多跨弹性支撑Euler梁振动的半解析求解方法。将多跨连续梁的振型函数展开成正弦Fourior级数和的形式,应用Stokes’变换得出特征方程,求解得到多跨梁的固有振动频率和振型。
通过与多跨连续梁简支情形的精确解和弹性支承的Ansys数值解的对比,表明本文提出的基于Stokes’变换的半解析级数求解方法的有效性。进一步将流场作用下的多跨连续梁假设为弱耦合体系,采用半解析级数求解方法求出流场作用力的附加质量。
主要工作有：首先,研究燃料组件定位格架的弹性支撑与燃料棒固有频率的关系。采用多跨连续梁振动理论,求解燃料棒一阶固有频率随定位格架弹性支撑等效线刚度的变化规律,并根据实验测量的燃料棒固有频率数据确定格架弹性支撑的等效刚度系数。
压水堆M 3 1 0核电机组调试振动测量的创新管理
工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald69DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.18.069压水堆M310核电机组调试振动测量的创新管理李建发1 冯志超2 鲁冰才2 刘明媚1(1.中国核电工程有限公司 北京 100080;2.万纳神核控股集团有限公司 浙江嘉兴 314399)摘 要：压水堆M310核电机组调试阶段振动测量工作，从第一个系统调试开始，至机组100%核功率结束。
长期开展的工作特性为以往质量控制带来极大的困难。
本文作者依据两台M310核电机组的调试经验，进行大数据分析，在后续机组中推进系统的管理思路和全新的管理方法，有效提高了M310核电机组振动测量工作的质量控制。
关键词：M310 振动测量 管理思路 质量控制中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)06(c)-0069-03在现代化生产中，机械设备的故障诊断技术越来越受到重视。
设备故障诊断有多种方法，如直观检测、温度监测、振动监测、噪声谱分析、油液光谱分析等。
在现代化生产中，转动设备在线状态监测与故障诊断，往往以振动分析法为主，相应配合以上其他方法，综合工艺及运行参数的监测与分析一起进行分析。
核电厂的设备，由于机械系统的复杂性、安装以及运行环境的特殊性，以及设计、安装和运行状态等影响，经常会产生各种故障。
振动水平是核电厂衡量机械设备能否持续可靠运行的重要指标，核电厂调试阶段作为对现场安装状态及设备本体状态联调的首次验证，振动故障更为常见问题。
以往由于经验不足等因素，在紧迫的调试工期环境下,导致了漏诊事件的发生，由此带来额外的设备启动工作，造成了人力和经济的浪费。
为了从根本上解决M310核电机组调试阶段设备振动漏诊问题，降低测振工作对个人经验水平的依赖程度，提高管控手段，减少人因失误，本文依据两台M310机组（某核电厂1、2号机组）的调试测振经验总结，并经过系统的数据分析，创建了一套完善的管理思路，在后续M310核电机组调试阶段予以推进，取得了非常显著的效果。
反应堆控制保护系统棒控棒位故障处理及现象分析
反应堆控制保护系统棒控棒位故障处理及现象分析摘要：反应堆堆芯反应性或中子注量率的控制是通过移动含有中子吸收体的控制棒束在堆芯中的位置，控制棒由Ag（80%）、In（15%）、Cd（5%）合金组成，其吸收中子能力强、响应快，主要用于调节与补偿较快的核反应性变化。
每个控制棒组件由一个星形架连接24根中子吸收体，插入燃料组件的导向管中。
控制棒组件上端与驱动杆连接，驱动杆由控制棒驱动机构CRDM带动，从而实现控制棒束在堆芯的上下移动。
控制棒的故障都可能导致堆内功率分布的畸变，更甚者使其停堆停机，现对此系统常见的故障进行分析，为反应堆安全运行提供保障。
关键词：压水堆；控制棒；棒控；棒位；RGL1、引言：反应堆控制目的是使一回路所产生的功率与二回路所吸收的功率相等，同时保证一、二回路的温度、压力等热工参数及堆芯功率分布等参数能满足各方面要求。
棒控棒位系统（RGL）通过控制驱动机构实现控制棒的提升、插入、保持，并测量每个棒束在堆芯的高度；在需要紧急停堆时，手动释放控制棒落入堆芯，使反应堆进入次临界状态而停堆。
在反应堆自动运行时，通过调节控制棒的提升或者下插来调节反应堆功率，控制棒控制反应堆功率是压水堆反应性控制的主要方式，它的特点是控制速度快、使用灵活性较高，利用控制棒来控制反应堆功率也比较可靠。
RGL是控制棒系统的简称，控制棒系统由控制棒控制系统和控制棒棒位监测系统共同构成，RGL系统异常工作直接影响反应堆与机组正常和安全运行。
2、棒控系统：2.1棒控系统组成：设备组成：逻辑机柜、电源柜、产生闭锁逻辑以及功率棒和温度棒自动控制信号的反应堆功率控制柜（CCS机柜）。
逻辑柜和电源柜都由PLC控制，电源柜由保持、传递、提升三个电源机箱，机箱内装有MDP卡件驱动控制棒驱动机构（CRDM）用以控制控制棒的提升下插或保持；反应堆功率控制机柜接受来自反应堆保护（RPR）、反应堆核测（RPN）系统的相关闭锁信号，根据汽机负荷等信号产生温度棒组和功率棒组的自动动作信号，自动动作信号通过硬接线送往RGL逻辑柜，完成反应堆自动控制相关功能。
压水堆本体结构
另外，控制棒组件应能克制反应堆可能出现旳氙振荡。
三、可燃水中毒硼物浓组度旳件大小对慢化剂温度系数有明显
影响。伴随硼浓度旳增长，慢化剂负温度系数旳
压降水低绝 旳 小堆反对，密值故度中应减越反采堆小来应用旳越性，功硼小增单率溶。 长位因 。体峰液积为 当值化水： 水因学当 中中子控水 硼含，制旳 浓硼温 度旳加可核度 超深降升 出数卸低高 某也料控时 一相燃制，值应水时减耗棒，。旳数量，
水冷却剂从上孔板流出，并在箱型空腔内混合后流向 堆芯上栅板。与上管座相连接旳压紧弹簧其所具有旳 压紧力能克服组件旳水力提升力，预防组件旳水力振 动，并补偿燃料组件和堆内构件之间旳轴向膨胀差。 上框架与上孔板用螺钉紧固。上管座旳角上开有定位 销孔，以便和上栅板旳销钉相应定位。
(4) 下管座
下管座由下孔板和下框架构成。它是燃料组件
(1) 弹性定位格架 燃料组件全长有八个定位格架。其中位 于活性区旳6个定为格架旳条带有突出旳混流 翼，以利于在高热负荷区加强冷却剂旳混合； 燃料组件上、下两端两个弹性定为格架旳条 带上没有混流翼，而其他方面完全与前一种
弹簧定位格架是压水相堆同燃。 料
组件旳关键部件之一。定位 格架设计得好，能够提升反 应堆出力或增长反应堆热工 安全裕量。
五、中子源组件
反应堆首次开启和再次开启都需要有起“点火”作用旳中子源。
人工中子源设置在堆芯或堆芯邻近区域，每秒钟放出107l08个中
子。依托这些中子在堆芯内引起核裂变反应，从而提升堆芯内中 子注量率，克服核测仪器旳盲区，使反应堆能安全、迅速地开启。
中子源组件源棒有初级源和次级源两种。带有初级中子源棒旳中
3) 因为棒径小，所以控制棒提升时所留下旳水隙对功率 分布畸变影响小。不需另设挤水棒，从而简化堆内构 造，降低了反应堆压力容器旳高度。
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压水堆控制棒导向筒内流致振动研究
作者：张惠民陆道纲王园鹏汪喆
来源：《科技创新导报》2017年第09期
摘要：控制棒组件是核电站的关键设备之一，细长控制棒在冷却剂流动中产生振动甚至磨损变形，严重时将影响落棒时间，进而影响核电站安全运行。
该文使用ANSYS软件对上腔室下部导向筒内外流场进行数值模拟，获得流场的流速分布，得到导向筒内部的流致振动特性，对下一步进行控制棒流致振动实验起到了提供了预分析和指导意义。
关键词：压水堆控制棒流致振动数值模拟
中图分类号：TL341 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0027-03
1 引言
1.1 该研究的意义
流致振动问题的存在最早是由于设计的不足，因为在核电站的最初设计时并没有将流致振动问题考虑在内，直到后来一些较大事故的发生才使得流致振动问题受到广泛的关注。
其中比较著名的有：日本东海村、瑞典林哈尔斯-3核电站等的蒸汽发生器管束振动；美国的扬基罗等吊篮组件的热屏蔽结构、堆芯围板、反应堆内测量通道经常发生流致振动引发的松动脱落[1]等。
这些因流体的激振力引发的结构振动严重影响了核电设备的正常有效运行，流致振动也成为了核电安全中的一个重要问题。
由于控制棒的结构较为复杂，测量方式局限性较大，至今控制棒的流致振动机理还是一个难题，因此，对控制棒流致振动的实验和数值计算研究还很重要。
1.2 流致振动研究现状
法国和美国在蒸汽发生器换热管流致振动的实验研究中做了大量的工作，并获得了蒸汽发生器换热管振动及磨损实验的数据，提出了换热管在一定运行工况下的流致振动的特性；国内如上海核工程研究设计院秦山核电厂压水堆吊篮组件流致振动实验，成都核动力院秦山核电厂（Ⅱ期）压水堆吊篮组件流致振动实测实验[2-4]等。
这些实验基本都是针对个别部件的工程验证性实验，关于流致振动的基础性研究及机理性研究在国内尚未广泛开展，所以从实验计划到结果分析及实堆应用都存在一定的局限性。
针对控制棒组件流致振动的研究相对来说就更少，法国和美国的一些研究主要是缩比模型实验；国内的控制棒组件流致振动研究也是多采用缩比模型进行落棒过程中的阻尼[5-6]等研究。
压水堆内上腔室中的冷却剂流动对悬挂状态下的控制棒组件的流致振动影响研究鲜见，而控制棒导向筒内的冷却剂流动对控制棒的振动影响是比较显著的，因此，探究导向筒内部的流
致振动特性也极为重要。
控制棒组件在悬挂状态下的流致振动研究能够针对性分析流体的脉动压力对控制棒振动特性的影响，而且从对数值计算的验证来说，悬挂状态下的控制棒流致振动实验有效减小了测量难度，对于流致振动机理的研究很有帮助。
1.3 该文的主要研究内容
建立控制棒导向筒内外相关结构模型、选取等比例长度控制棒导向筒模型进行数值模拟。
根据压水堆核电站运行工况，选取合理的上腔室内冷却剂流动参数作为边界条件。
使用ANSYS软件计算控制棒导向筒内外部流场的流速及压力分布情况，模拟改变横向流和纵向流流量时控制棒组件周围流场的工况，得出流场的变化及对控制棒流致振动的影响。
为后续搭建等比例模型实验做预分析基础。
该文工作对前述研究现状的弥补：前人很少做过控制棒导向筒周围流场和控制棒的流致振动研究，都是计算方法的研究比较多。
而且全尺寸控制棒的研究比较少。
该文选取等比例长度建立控制棒组件和导向筒模型，实验模型符合流致振动实验的相似定律，斯特罗哈数满足实验对比要求。
2 理论与方法
2.1 数值模拟的方法
关于流致振动计算的数值模拟方法主要有两类：即经验模型和直接流场模拟。
经验模型法不考虑具体流场结构，将流体及其中的振荡物体视作一个整体系统，然后用一组适宜的模型方程对其进行描述，以便求解后可以较好地再现系统的运动特性。
直接流场模拟包括直接求解N-S方程的各种差分法、有限元法、谱方法和基于边界层方程的各种正、反解法以及粘性、无粘性干扰方法等。
在流场计算中，应用较多的为涡方法和有限差分解法。
直接流场模拟结果与实验有比较好的一致性，该文采用直接流场模拟方法。
2.2 模型和方程
该文中的流体为水，采用LES（Large Eddy Simulation，大涡模拟）对湍流流场进行求解[7]。
得到大涡的控制方程：
（1）
（2）
3 建模与计算分析
该文采用数值模拟分析，使用ANSYS软件对悬挂在导向筒内部的控制棒流致振动现象进行分析。
首先使用Solidworks建立上腔室、控制棒导向筒、控制棒及流体模型，再使用workbench 平台进行CFX和流固耦合模拟，最后分析结果得到对实验较为有指导意义的结论。
3.1 模型的简化
在流致振动分析中，模型结构比较复杂，而且模型尺寸比较大，如果完全按照模型进行建模，后期的网格划分和计算都将是巨大的工作量，并且很难得到计算结果，见图1。
在该文研究之前已经做过简化的上腔室流场模拟，得到的结果靠近冷却剂出口处的流场较为紊乱，流体的脉动压力较大，是流致振动应当着重关注的部分。
控制棒导向筒内的多层导向板和连续导向段等结构，与控制棒的间隙很小，控制棒的流致振动受导向筒外部流场的分布影响比较小。
控制棒导向筒上部流场较下部更为稳定。
因此，该文选取单根控制棒下部导向筒周围流场作为重点观测部位。
改变横向流和纵向流入口流量，模拟流致振动现象。
使用Solidworks进行简化模型建立，见图2。
3.2 网格的划分及计算
将建好的模型导入ANSYS workbench中，进行流体和结构体的布尔计算，建立合理有效的实体模型。
进行网格划分，该文计算的网格数1 082 422个，节点个数268 544。
最小尺寸1.2459e-003 m，最大0.249 m。
在具体的操作中，本文先对流体的网格进行划分，后对控制棒结构进行网格划分，见图3。
先用CFX计算出进出口流量改变时，对应的流体速度和脉动压力分布。
横向流与纵向流均选取200 t/h时的速度分布图见图4。
然后将CFX计算出的最大脉动压力分布作为控制棒结构单元的输入载荷，计算得出流体作用下，控制棒的振动数据。
3.3 计算结果对比分析
使用上述同样方式，更换横向流和纵向流的进口流量，模拟多种工况下的流致振动。
对比多种工况下的控制棒导向筒附近冷却剂流场的流速，获得流体搅浑最为剧烈的区域。
观察横向流和纵向流的改变对控制棒振动位移的影响，获得横向流和纵向流对振动的影响特性。
4 结论与展望
该文探究了悬挂状态下控制棒在冷却剂流场中的流致振动特性，着重模拟了进出口即横向流和纵向流流量改变条件下的控制棒振动特性，其中涵盖了实堆流场中控制棒的流致振动工况。
通过模拟计算，找出振动最大的部分下阶段重点研究。
其中模拟结果显示，在流场变化中，横向流的流量改变对控制棒振动特性的影响较为显著，纵向流对流致振动的影响小于横向流；控制棒下端的振动较上部更为显著，导向筒下部流水口附近的振动响应最为剧烈。
这些结论对于该文作者下一阶段的控制棒流致振动实验台架的测量和数据分析都提供了重要基础，对进一步研究流场对振动的影响提供了一定指导。
参考文献
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