輻照小組件子通道分析

摘 要：文章采用子通道分析程序進(jìn)行輻照小組件的DNBR分析。首先根據(jù)輻照小組件的特殊結(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的子通道分析程序輸入數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)重點(diǎn)影響DNBR的熱工水力參數(shù)進(jìn)行了研究，同時(shí)針對(duì)不同的軸向和徑向功率分布形狀以及峰值因子進(jìn)行了研究。分析結(jié)果可以為實(shí)驗(yàn)方案的確定提供支持。

關(guān)鍵詞：輻照小組件；子通道；DNBR

1 概述

國(guó)產(chǎn)新鋯合金考驗(yàn)小組件將在中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）的輻照考驗(yàn)回路內(nèi)模擬壓水堆條件進(jìn)行輻照考驗(yàn)。CARR堆高溫高壓回路的主回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為17.2MPa，設(shè)計(jì)溫度為350℃，設(shè)計(jì)流量為30m3/h，其運(yùn)行壓力和溫度及水化學(xué)條件可以根據(jù)試驗(yàn)的要求進(jìn)行調(diào)整[1]。

輻照小組件是在AP1000燃料組件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選取4根導(dǎo)向管和12根燃料棒組成的特殊組件結(jié)構(gòu)。可用于輻照試驗(yàn)，驗(yàn)證燃料元件包殼、燃料組件定位格架性能等。

針對(duì)輻照小組件，有研究人員采用子通道分析程序COBRA-IV開展了初步的熱工水力分析[2]，僅針對(duì)穩(wěn)態(tài)結(jié)果開展了計(jì)算；也有研究人員采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）開展了熱工水力分析[3]，重點(diǎn)研究了攪混系數(shù)的影響。文章在輻照小組件初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，合理假設(shè)子通道分析相關(guān)的參數(shù)，建立對(duì)應(yīng)的輻照小組件子通道模型，選取典型的WRB-2M和ABB-NV關(guān)系式，針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)開展研究，獲取輻照小組件的熱工水力特性。

2 輻照小組件子通道建模

輻照小組件子通道分析程序模型是根據(jù)程序用戶手冊(cè)，結(jié)合輻照小組件初步設(shè)計(jì)的參數(shù)完成的。輻照小組件子通道節(jié)點(diǎn)劃分如圖1所示，輻照小組件主要參數(shù)如表1所示。子通道分析程序的主要輸入?yún)?shù)和模型特征如下：

（1）輻照小組件子通道分析程序輸入數(shù)據(jù)集模擬軸向34個(gè)節(jié)點(diǎn)，徑向4×4的棒束，共21個(gè)通道、32個(gè)間隙、12根燃料棒、4根導(dǎo)向管，詳見圖1。

（2）本報(bào)告保守假設(shè)小組件子通道間的熱交混因子為0.0。不模擬動(dòng)量交混，使熱通道計(jì)算的結(jié)果更保守。

（3）為便于建模，在子通道分析程序中，最外圍模擬至外側(cè)棒中心外一半中心距處；而且不模擬四角無燃料棒的通道。假設(shè)流經(jīng)四角的無加熱區(qū)域、外圍矩形環(huán)狀區(qū)域及4根導(dǎo)向管的流量為旁通流量，設(shè)計(jì)值為40.0%。

（4）計(jì)算中軸向第一個(gè)格架位置以上使用WRB-2M經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，軸向第一個(gè)格架位置以下使用ABB-NV關(guān)系式，關(guān)系式的DNBR限值為分別為1.14和1.13。

3 輻照小組件主參數(shù)研究

在初步建立的輻照小組件模型基礎(chǔ)上，根據(jù)表2的基準(zhǔn)工況參數(shù)，計(jì)算出一個(gè)相對(duì)合理的輻照小組件最小DNBR結(jié)果。如表3所示，在基準(zhǔn)工況下，ABB-NV計(jì)算的典型柵元最小DNBR為2.623，與關(guān)系式限值（1.13）相比還有56.9%的裕量。冷壁柵元最小DNBR為2.31，與關(guān)系式限值（1.13）相比還有51.1%的裕量；WRB-2M計(jì)算的典型柵元最小DNBR為2.269，與關(guān)系式限值（1.14）相比還有49.8%的裕量。冷壁柵元最小DNBR為2.384，與關(guān)系式限值（1.14）相比還有52.2%的裕量。兩個(gè)關(guān)系式在典型柵元11號(hào)通道的最小DNBR都出現(xiàn)在9號(hào)棒上。兩個(gè)關(guān)系式計(jì)算的冷壁柵元的最小DNBR出現(xiàn)位置不同。ABB-NV關(guān)系式計(jì)算結(jié)果顯示冷壁柵元的最小DNBR出現(xiàn)在17號(hào)通道中的9號(hào)棒上；WRB-2M關(guān)系式計(jì)算結(jié)果顯示冷壁柵元的最小DNBR出現(xiàn)在5號(hào)通道的4號(hào)棒上。

ABB-NV關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在冷壁柵元（17號(hào)通道，9號(hào)燃料棒）；WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在典型柵元（11號(hào)通道，9號(hào)燃料棒）。

在基準(zhǔn)工況的基礎(chǔ)上，針對(duì)系統(tǒng)壓力、總功率、體積流量、平均溫度這幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行研究。在基準(zhǔn)工況假設(shè)的設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上，分別增加和減少一定的份額，以確定該參數(shù)對(duì)輻照小組件最小DNBR的影響。

考慮到在基準(zhǔn)工況下，ABB-NV關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在冷壁柵元上，WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在典型柵元上。計(jì)算結(jié)果表明，各主要參數(shù)的變化沒有改變這一結(jié)果。因此只針對(duì)冷壁柵元的ABB-NV計(jì)算結(jié)果和典型柵元的WRB-2M計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如表4所示。結(jié)果說明如下：

（1）壓力變化對(duì)最小DNBR的影響并不明顯，計(jì)算的最小DNBR都在2.2以上。

（2）總功率的變化直接影響單根棒的線功率密度，對(duì)最小DNBR的影響十分明顯。若功率增加7%左右，最小DNBR降低約0.15，若功率減少13%，最小DNBR增大約0.33。

（3）流量直接影響流速，對(duì)最小DNBR的影響也十分明顯。若流量增加17%，最小DNBR增加約0.2，若流量降低17%，最小DNBR減小約0.2。

（4）平均溫度是通過調(diào)整小組件入口溫度來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)最小DNBR的影響也較為明顯。若平均溫度增加6℃，最小DNBR降低約0.15，若平均溫度降低5℃，最小DNBR增加約0.1。

4 功率分布及峰值因子研究

在基準(zhǔn)工況的基礎(chǔ)上，針對(duì)軸向功率分布形狀、軸向功率峰值因子、徑向功率分布形狀、徑向功率峰值因子這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究。

考慮到在基準(zhǔn)工況下，ABB-NV關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在冷壁柵元上，WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在典型柵元上。計(jì)算結(jié)果表明，軸向和徑向功率峰值因子以及軸向功率分布形狀的變化沒有改變這一結(jié)果，因此這3種工況只針對(duì)冷壁柵元的ABB-NV計(jì)算結(jié)果和典型柵元的WRB-2M計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。但徑向功率分布形狀的變化會(huì)使得WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在冷壁通道上，因此這一工況的WRB-2M關(guān)系式計(jì)算結(jié)果將用冷壁通道的值進(jìn)行比較，如表5所示。結(jié)果說明如下：

（1）如圖2所示的軸向功率分布形狀的變化對(duì)最小DNBR影響十分明顯。因?yàn)锳BB-NV關(guān)系式計(jì)算第一個(gè)格架以下的部分，WRB-2M關(guān)系式計(jì)算第一個(gè)格架以上的部分，軸向功率峰值的變化使得出現(xiàn)極限計(jì)算結(jié)果的關(guān)系式發(fā)生變化。余弦分布時(shí)，WRB-2M關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果最小，但兩個(gè)關(guān)系式計(jì)算結(jié)果相差不大；軸向功率峰值在下部時(shí)，ABB-NV關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果最小，且與WRB-2M計(jì)算結(jié)果相差很大；軸向功率峰值在上部時(shí)，WRB-2M關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果最小，且與ABB-NV計(jì)算結(jié)果相差很大。

（2）如圖3所示的軸向功率峰值因子的變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較為明顯。軸向功率峰值因子的變化是在保證整個(gè)軸向功率份額之和維持不變的情況下實(shí)現(xiàn)的，因此峰值因子的變化將影響其余節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率因子。余弦形狀分布的功率峰值對(duì)應(yīng)的位置是WRB-2M關(guān)系式的計(jì)算范圍，因此軸向功率峰值因子變化對(duì)WRB-2M關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果影響十分明顯。相比基準(zhǔn)工況的1.60，軸向功率峰值為1.45時(shí)，最小DNBR增加約0.23，軸向功率峰值為1.72時(shí)，最小DNBR減小約0.13。

（3）如圖4所示的徑向功率分布形狀的變化對(duì)最小DNBR的影響十分明顯。尤其對(duì)于ABB-NV關(guān)系式，因?yàn)榛鶞?zhǔn)工況時(shí)其最小DNBR已經(jīng)出現(xiàn)在冷壁，當(dāng)徑向功率分布形狀改變使得熱棒向外側(cè)移動(dòng)時(shí)，ABB-NV關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR減小十分明顯。同時(shí)由于熱棒移到外側(cè)，因此WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR也出現(xiàn)在冷壁。

（4）徑向功率峰值因子的變化直接影響焓升熱管因子，對(duì)最小DNBR的影響也十分明顯。當(dāng)徑向功率峰值因子減小為1.20時(shí)，最小DNBR增加約0.2；當(dāng)徑向功率峰值因子增加為1.50時(shí)，最小DNBR減小約0.3。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章使用子通道分析程序進(jìn)行了輻照小組件的DNBR分析。在輻照小組件輸入數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，選取典型的WRB-2M和ABB-NV關(guān)系式，針對(duì)重點(diǎn)影響DNBR的系統(tǒng)壓力、流量、功率、平均溫度等主要參數(shù)對(duì)DNBR的影響進(jìn)行了研究。同時(shí)針對(duì)不同的徑向和軸向功率分布形狀和峰值因子進(jìn)行了研究。

根據(jù)上述研究，文章主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議：

（1）功率和流量對(duì)輻照小組件最小DNBR的影響都十分明顯，

需要平衡考慮。

（2）軸向功率分布形狀對(duì)于不同的CHF關(guān)系式計(jì)算的最小DN

BR影響十分明顯，需要根據(jù)對(duì)應(yīng)的軸向功率分布形狀選擇合適的關(guān)系式。

（3）徑向功率分布形狀對(duì)于最小DNBR出現(xiàn)的位置影響十分明顯，需要合理設(shè)計(jì)，盡量避免最小DNBR出現(xiàn)在冷壁。

（4）軸向和徑向功率峰值因子對(duì)最小DNBR影響明顯，需要盡量使得功率分布均勻，以免最小DNBR過小。

參考文獻(xiàn)

[1]張培升，張愛民.國(guó)產(chǎn)新鋯合金小組件輻照考驗(yàn)[J].中國(guó)原子能科學(xué)研究院年報(bào)，2012（1）：154-155.

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[3]尹皓，鄒耀，劉興民.CARR輻照壓水堆小組件熱工水力分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2015（6）：1069-1074.