一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法技术

本发明专利技术属于核燃料组件试验方法技术领域，具体涉及一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法。本方法首先假设一个芯块内部绝缘面，将环形燃料以芯块内部绝热面为界分为内、外两环，以芯块绝缘面为界，内环计算芯块向内包壳及内流道的传热，外环计算芯块向外包壳及外流到的传热，在严重事故下，燃料处于非稳态，环形燃料的绝热面半径是随时间节点不断变化的。本专利方法适用于严重事故下环形燃料堆芯热工水力分析，可以通过假设的芯块绝缘面求解向内、向外的传热，通过反复迭代确认绝缘面的最终位置。

【技术实现步骤摘要】
一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法
本专利技术属于核燃料组件试验方法
，具体涉及一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法。
技术介绍
核电站反应堆运行过程中，核燃料的性能是影响反应堆安全性和经济性的重要因素。因此国际上一直将燃料元件的研究放在十分突出的地位，通过优化燃料元件设计、采用先进结构材料、改进元件制造工艺等方法，不断提高核燃料元件的各种性能，促使核电向更安全和更经济的方向发展。全性和经济性是核电发展的基础，几乎所有的核电技术发展都以增加核电安全性和经济性为目标。燃料元件作为核电厂反应堆核心部件，其性能是核电安全性和经济性最主要影响因素之一，因此国际上一直将燃料元件的研究放在十分突出的地位，通过优化燃料元件设计、采用先进结构材料、改进元件制造工艺等方法，不断提高核燃料元件的各种性能，促使核电向更安全和更经济的方向发展。目前压水堆核电厂普遍采用棒状燃料，可通过加深组件卸料燃耗、延长换料周期，降低电厂运营成本，提高核电经济性。压水堆燃料组件的平均设计燃耗从早期的10～15GWd/tU逐步提高，至今已达到60～70GWd/tU，换料周期也相应地从12个月延长至现在的18或24个月。燃料组件燃耗加深也带来诸如裂变气体释放量增大、包壳腐蚀和吸氢增加、燃料芯块肿胀、燃料元件和组件辐照生长加剧等一系列问题。如何解决这些问题，一直是国际压水堆燃料元件研究的重要任务，例如，研发抗腐蚀性能好的先进包壳，采用低裂变气体释放率的芯块。此外，通过改进定位格架设计，增加组件临界热流密度等途径，也提升了反应堆堆芯的整体安全性。总的来说，棒状燃料组件结构和参数是近50年发展不断优化的结果，以棒状燃料为基础的技术改进对于提升核电经济性和安全性的潜力已非常有限，因此，近些年来，采用其他几何结构的燃料元件成为一种新的发展思路。对于新型几何结构的燃料元件至少满足以下五个基本要求：1)能提高燃料的“表面积/体积”比；2)能减小芯块厚度；3)有足够的刚度；4)能降低堆芯压降；5)组件要有开式栅格设计。美国麻省理工学院最早提出的轻水堆用环形燃料元件的概念，很好地满足了上述5个要求。所谓环形燃料是将燃料芯块制成环状，在芯块内、外表面加装包壳管，使得冷却剂可以从内、外两个流道同时对元件进行冷却与传统的实心圆柱状燃料相比，环形燃料的好处是在很高的线性密度下，燃料中心的温度仍然很低，燃料内的储能较少，裂变气体释放较少。可预期正常运行和瞬态条件下燃料性能较好。环形燃料作为一种结构上完全革新的先进燃料元件，可大幅度提高燃料元件的传热效率，降低燃料芯块温度，能显著提升反应堆的安全性和经济性，已成为压水堆先进燃料组件的重要发展趋势之一，受到国际上业界的重点关注。美、韩等国相继进行了环形燃料的研发，研究表明环形燃料具有很好的应用前景。目前，针对环形燃料堆芯的严重事故分析刚刚起步，国际上得到广泛认可的严重事故分析软件，比如MAAP、MELCOR、ICARE、ASTEC等，仅适用于传统棒状燃料堆芯，没法模拟具有内外冷却剂通道的环形燃料堆芯。国内开展过相关的严重事故分析工作，采用截面积相等、传热面积相等的原则，将环形燃料棒等效为传统棒状燃料，可以近似模拟环形燃料棒的传热特性，研究环形然燃料氢气行为等。环形燃料的结构特性导致其在严重事故下的行为特性与棒状燃料不同，因此，国内外通用的严重事故分析软件不能直接应用于环形燃料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于研制设计一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，解决环形燃料内外包壳整体堆外性能实验研究的问题。本专利技术的技术方案如下所述：一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，包括以下步骤：(1)设定环形燃料内、外冷却剂通道的热量分配因子分别是FHin和FHout，其中：FHin+FHout＝1，0＜FHin＜1，0＜FHout＜1；(2)设定环形燃料内、外冷却剂通道的流量分配因子分别是FLin和FLout，其中：FLin+FLout＝1，0＜FLin＜1，0＜FLout＜1；(3)计算内冷却剂通道的压降差DPI＝PIcorein-PIcoreout，其中，PIcorei表示内冷却剂通道堆芯入口压力；PIcoreout表示内冷却剂通道堆芯出口压力；(4)计算外冷却剂通道的压降差DPO＝POcorein-POcoreout，其中，POcorein表示外冷却剂通道堆芯入口压力；POcoreout表示外冷却剂通道堆芯出口压力；(5)确定收敛条件一如果内外冷却剂通道的压降差满足收敛条件一，则进行步骤(6)的传热计算；如果内外冷却剂通道的压降差不满足收敛条件一，则返回修改流量分配因子直到压降差满足收敛条件为止；(6)计算内、外冷却剂通道在该流量分配下的实际热量分配因子FHDin和FHDout；(7)确定收敛条件二如果步骤(6)得到的计算值FHDin、FHDout和步骤(1)设定的假设值FHin、FHout满足收敛条件二，则结束计算，得到绝热面位置关系；如果计算值FHDin、FHDout和假设值FHin、FHout不满足收敛条件二，则返回修改热量分配因子，直至FHDin、FHDout和FHin、FHout满足收敛条件二为止；进一步的，如上所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，步骤(5)中，收敛条件一是：|DPI-DPO|/max(DPI，DPO)≤0.01。进一步的，如上所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，步骤(5)中，修改流量分配因子的具体方法是：如果DPI＞DPO，则减小内通道流量分配因子FLin；如果DPI＜DPO，则增大内通道流量分配因子FLin。进一步的，如上所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，步骤(7)中，收敛条件二是：|FHDin-FHin|/max(FHDin，FHin)≤0.01，且|FHDout-FHout|/max(FHDout，FHout)≤0.01。进一步的，如上所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，步骤(7)中，修改热量分配因子的具体方法是：如果FHDin＞FHin，则减小内通道热量分配因子FHin；如果FHDin＜FHin，则增大内通道热量分配因子FLin。进一步的，如上所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，步骤(5)中，收敛条件一是：|DPI-DPO|/max(DPI，DPO)≤0.01；步骤(5)中，修改流量分配因子的具体方法是：如果DPI＞DPO，则减小内通道流量分配因子FLin；如果DPI＜DPO，则增大内通道流量分配因子FLin；步骤(7)中，收敛条件二是：|FHDin-FHin|/max(FHDin，FHin)≤0.01，且|FHDout-FHout|/max(FHDout，FHout)≤0.01；步骤(7)中，修改热量分配因子的具体方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，其特征在于：包括以下步骤：/n(1)设定环形燃料内、外冷却剂通道的热量分配因子分别是FH

【技术特征摘要】
1.一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)设定环形燃料内、外冷却剂通道的热量分配因子分别是FHin和FHout，其中：FHin+FHout＝1，0＜FHin＜1，0＜FHout＜1；
(2)设定环形燃料内、外冷却剂通道的流量分配因子分别是FLin和FLout，其中：FLin+FLout＝1，0＜FLin＜1，0＜FLout＜1；
(3)计算内冷却剂通道的压降差DPI＝PIcorein-PIcoreout，其中，PIcorei表示内冷却剂通道堆芯入口压力；PIcoreout表示内冷却剂通道堆芯出口压力；
(4)计算外冷却剂通道的压降差DPO＝POcorein-POcoreout，其中，POcorein表示外冷却剂通道堆芯入口压力；POcoreout表示外冷却剂通道堆芯出口压力；
(5)确定收敛条件一
如果内外冷却剂通道的压降差满足收敛条件一，则进行步骤(6)的传热计算；
如果内外冷却剂通道的压降差不满足收敛条件一，则返回修改流量分配因子直到压降差满足收敛条件为止；
(6)计算内、外冷却剂通道在该流量分配下的实际热量分配因子FHDin和FHDout；
(7)确定收敛条件二
如果步骤(6)得到的计算值FHDin、FHDout和步骤(1)设定的假设值FHin、FHout满足收敛条件二，则结束计算，得到绝热面位置关系；
如果计算值FHDin、FHDout和假设值FHin、FHout不满足收敛条件二，则返回修改热量分配因子，直至FHDin、FHDout和FHin、FHout满足收敛条件二为止。


2.如权利要求1所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，其特征在于：步骤(5)中，收敛条件一是：|DPI-DPO|/max(DPI，DPO)≤0.01。


3.如权利要求1所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，其特征在于：步骤(5)中，修改流量分配因子的具体方法是：
如果DPI＞DPO，则减小内通道流量分配因子FLin；
如果DPI＜DPO，则增大内通道流量分配因子FLin。


4.如权利要求1所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，其特征在于：步骤(7)中，收敛条件二是：|FHDin-FHin|/max(FHDin，FHin)≤0.01，且|FHDout-FHout|/max(FHDout，FHout)≤0.01。


5.如权利要求1所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，其特征在于：步骤(7)中，修改热量分配因子的具体方法是：
如果FHDin＞FHin，则减小内通道热量分配因子FHin；
如果FHDin＜FHin，则增大内通道热量分配因子FLin。


6.如权利要求1所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，其特征在于：步骤(5)中，收敛条件一是：|DPI-DPO|/max(DPI，DPO)≤0.01；
步骤(5)中，修改流量分配因子的具体方法是：
如果DPI＞DPO，则减小内通道流量分配因子FLin；
如果DPI＜DPO，则增大内通道流量分配因子FLin；
步骤(7)中，收敛条件二是：|FHDin-FHin|/max(FHDin，FHin)≤0.01，且|FHDout-FHout|/max(FHDout，FHout)≤0.01；
步骤(7)中，修改热量分配因子的具体方法是：
如果FHDin＞FHin，则减小内通道热量分配因子FHin；
如果FHDin＜FHin，则增大内通道热量分配因子FLin。


7.如权利要求6所述的一种用于环形燃料堆芯严重事故下热工水力计算的方法，其特征在于：步骤(6)中：
环形燃料内、外冷却剂通道传热计算步骤如下：
(一)环形燃料外环传热计算
环形燃料外环沿径向传热可分为燃料芯块导热，气隙热传导，包壳导热以及包壳外表面与流体对流换热；
(1)外环芯块导热方程
在热力学计算模块中，忽略轴向导热以及环向温度变化，将导热基本方程简化为：



其中：ρ——平均密度，kg/m3；
Cp——平均比热容，J/(kg·K)；
DT——芯块...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓磊，魏严凇，季松涛，何晓军，史宝磊，邹远方，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11