壓水堆環(huán)形燃料結(jié)構(gòu)熱工水力分析方法研究

刁均輝，季松濤，韓智杰（中國原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

壓水堆環(huán)形燃料結(jié)構(gòu)熱工水力分析方法研究

刁均輝，季松濤，韓智杰
（中國原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

摘要：以秦山二期壓水堆為參考堆型，對壓水堆環(huán)形燃料結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱工水力分析方法研究。應(yīng)用SAAF程序分析了從11×11到15×15等5種不同排列方式中不同尺寸的環(huán)形燃料棒的熱工水力性能，綜合最小偏離泡核沸騰比、壓降和燃料芯塊溫度等參數(shù)確定了環(huán)形燃料組件最佳排列方式為13×13。本文研究結(jié)果為相關(guān)專業(yè)分析提供了初始計(jì)算模型。

關(guān)鍵詞：壓水堆；環(huán)形燃料；熱工水力；最佳排列方式

作為一種革新型燃料元件，環(huán)形燃料可使反應(yīng)堆在堆芯體積不變的情況下大幅提高功率密度，提高核電經(jīng)濟(jì)性。環(huán)形燃料的應(yīng)用可大幅降低燃料芯塊溫度，從而顯著提升核電安全性，所以環(huán)形燃料受到國際上的普遍重視。

環(huán)形燃料設(shè)計(jì)首先需明確熱工水力分析的方法思路，并確定壓水堆用環(huán)形燃料組件的結(jié)構(gòu)及尺寸，為后續(xù)研究工作提供初始模型。本文采用自主開發(fā)的環(huán)形燃料熱工水力性能分析程序SAAF［1］，以秦山二期壓水堆為參考堆型，對環(huán)形燃料熱工水力分析方法進(jìn)行研究。

1　環(huán)形燃料棒可能的尺寸組合

以秦山二期壓水堆為參考堆型，該壓水堆主要熱工設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1［2］。

為將新型環(huán)形燃料組件應(yīng)用于參考壓水堆上，需使環(huán)形燃料組件的外形尺寸等于現(xiàn)有17×17實(shí)心燃料組件的尺寸。因此，在環(huán)形燃料組件總尺寸確定的情況下，進(jìn)一步確定環(huán)形燃料排列方式及環(huán)形燃料棒的尺寸。分別分析了按照11×11到15×15范圍內(nèi)的排列方式。

表1　 參考壓水堆設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameter of referenced PWR

在確定每種排列方式的燃料棒尺寸時(shí)，采取如下限定條件［3－4］。

1）外包殼厚度要滿足包殼自立的要求。包殼自立即彈性穩(wěn)定，則選取的包殼壁厚必須使包殼實(shí)際承受的壓力低于臨界倒塌壓力。

2）內(nèi)包殼厚度取0．57mm。目前AFA－3G核燃料已具有成熟的設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)，所以取內(nèi)包殼的厚度與參考壓水堆中所采用的實(shí)心燃料棒包殼厚度相同。

3）內(nèi)外包殼與芯塊間的氣體間隙寬度與參考壓水堆所采用實(shí)心燃料棒氣隙寬度相同，為0．085mm。

4）環(huán)形燃料的體積至少占17×17燃料組件中芯塊體積的90%以上。環(huán)形燃料引入了內(nèi)部包殼，會占用堆芯的一部分體積，導(dǎo)致環(huán)形堆芯中冷卻劑的體積和燃料體積較參考壓水堆堆芯的小。通過限制環(huán)形燃料中芯塊的最小體積，確保堆芯的水鈾比與參考壓水堆相同。

5）環(huán)形燃料棒之間的間隙取1mm作為限值。實(shí)心燃料組件燃料棒之間的間隙為3mm，環(huán)形燃料棒間的間隙要小，但從制造、振動及壓降上考慮是可行的。尺寸大的燃料棒的剛性大，抗振動能力較細(xì)實(shí)心燃料棒要強(qiáng)得多。

6）不同排列方式控制棒導(dǎo)向管數(shù)量不同。

按照以上6個(gè)限定條件編制尺寸迭代程序，初步確定了按照11×11到15×15排列的環(huán)形燃料棒的22種尺寸組合（表2）。表2中：D為直徑；T為厚度；下標(biāo)c和f分別表示包殼和燃料，下標(biāo)i和o分別表示內(nèi)包殼和外包殼，下標(biāo)ii表示內(nèi)包殼的內(nèi)徑。

2　單棒熱工水力性能分析

采用SAAF程序進(jìn)行單棒熱工水力性能分析，計(jì)算時(shí)根據(jù)以下原則確定燃料棒的功率、冷卻劑流量、間隙熱導(dǎo)、定位格架形阻系數(shù)等熱工參數(shù)［3，5］。

1）堆芯中熱棒的功率峰值因子與參考電廠相同（總因子為2．4）；

2）軸向功率分布假定為余弦分布，余弦峰值因子為1．55；

3）每根燃料棒的質(zhì)量流量等于組成環(huán)形燃料堆芯的燃料棒的平均值；

4）燃料棒每一邊的間隙熱導(dǎo)率認(rèn)為是對稱相等的，均取為6kW／（m2·K）；

5）定位格架形阻系數(shù)參照麻省理工大學(xué)（MIT）的研究成果進(jìn)行取值，其中11×11到13×13排列的定為0．6，14×14排列的定為0．7，15×15排列的定為1．0。

單棒計(jì)算模型如圖1所示。由圖1可看出，環(huán)形燃料具有內(nèi)、外兩個(gè)冷卻劑通道，因此環(huán)形燃料元件在熱工水力分析時(shí)存在內(nèi)外通道冷卻劑的流量分配及熱量分配問題，流量分配限定條件是內(nèi)、外通道的壓降相等，熱量分配的限定條件是根據(jù)環(huán)形燃料棒內(nèi)、外環(huán)傳熱計(jì)算確定的芯塊中心溫度相等。

表2　 各種排列方式中環(huán)形燃料棒的尺寸Table 2 Dimension of different arrays for annular fuel pin

圖1　 單棒計(jì)算模型Fig．1 Calculation model of single pin

對于相同的排列方式，由于定位格架形阻系數(shù)相同及冷卻劑流速差別不大等因素導(dǎo)致不同尺寸的燃料棒產(chǎn)生的壓降及芯塊中心溫度相差較小。因此相同排列方式、不同尺寸的環(huán)形燃料棒的篩選是通過最小偏離泡核沸騰比（MDNBR）分析判斷的。

不同排列方式的環(huán)形燃料元件的壓降及芯塊溫度相差較大，因此得到每一種排列方式MDNBR最優(yōu)的燃料棒后，再從壓降及芯塊溫度的角度進(jìn)行比較，從而得出綜合熱工水力性能最優(yōu)的環(huán)形燃料元件結(jié)構(gòu)尺寸。

2．1 從MDNBR角度分析

1）內(nèi)、外間隙熱導(dǎo)率相同

針對表2中不同尺寸組合的環(huán)形燃料棒進(jìn)行MDNBR計(jì)算，并將相同排列方式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如圖2所示。

圖2　 不同排列方式下的MDNBR Fig．2 MDNBR of different arrays

由圖2可看出，對于每一種排列方式，隨著內(nèi)包殼直徑增大，內(nèi)通道的MDNBR逐漸增加。因此可斷定內(nèi)通道流通面積增加后，將有更多的冷卻劑流過內(nèi)通道，雖然進(jìn)入內(nèi)通道的熱量也隨之增加，但流量對MDNBR的影響起主要作用。但對于外通道，流量和熱量對MDNBR的影響隨著排列方式的不同而變化。對于11×11方式排列，其外通道冷卻劑流量減少對MDNBR起主要作用，因此MDNBR隨外通道流通面積的減少而降低。對于其余4種排列方式，進(jìn)入外通道的熱量對MDNBR的影響起主要作用，故MDNBR隨外通道流量面積的減少而增加。

將每一種排列方式MDNBR最大的尺寸組合進(jìn)行比較，可確定環(huán)形燃料的排列方式及最佳尺寸。不同排列方式下MDNBR的比較如圖3所示。從圖3可看出，13×13方式排列的內(nèi)包殼的MDNBR最大。

2）內(nèi)、外間隙熱導(dǎo)率不同

在反應(yīng)堆實(shí)際運(yùn)行過程中，燃料芯塊存在膨脹、開裂、腫脹和重定位等輻照行為，使得內(nèi)、外間隙熱導(dǎo)率不相同。環(huán)形燃料芯塊在熱膨脹過程中有可能使芯塊和外包殼發(fā)生接觸，從而導(dǎo)致外部間隙熱導(dǎo)率增加。間隙熱導(dǎo)率的變化不僅影響燃料的溫度，且通過影響熱流密度來影響通道MDNBR。

圖3　 不同排列方式環(huán)形燃料棒的MDNBRFig．3 MDNBR of annular fuel pin for different arrays

以13×13方式排列的MDNBR最大的燃料棒為計(jì)算模型，分析了不同工況下內(nèi)、外冷卻劑通道的偏離泡核沸騰比（DNBR），結(jié)果如圖4所示。

由圖4可明顯看出，當(dāng)內(nèi)、外間隙熱導(dǎo)率不相等時(shí)，DNBR的變化較大。當(dāng)外間隙熱導(dǎo)率增加時(shí)，外通道的MDNBR逐漸降低，而內(nèi)間隙熱導(dǎo)率減少導(dǎo)致內(nèi)通道的MDNBR卻逐漸增加。DNBR隨間隙熱導(dǎo)率的這種變化趨勢同樣適用于其他4種排列方式。因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行過程中不同排列方式芯塊的變化趨勢相同，外間隙熱導(dǎo)率增加必然增加了進(jìn)入外通道冷卻劑的熱量，熱量的增加將使外通道DNBR降低。對內(nèi)通道而言，間隙熱導(dǎo)率減小導(dǎo)致熱量減少，DNBR增加。因此要求環(huán)形燃料外通道應(yīng)具有較大的DNBR裕量。

圖4　 間隙熱導(dǎo)率的敏感性分析Fig．4 Sensitivity analysis of gap conductance

結(jié)合內(nèi)、外間隙熱導(dǎo)率相同和不同兩種情況下的MDNBR分析，由圖3可看出，對于13×13排列的環(huán)形燃料棒，其內(nèi)通道MDNBR最大，外通道的MDNBR留有較大裕量，因此為最佳排列方式。

2．2 從壓降及芯塊溫度角度分析

通過圖2可確定每一種排列方式MDNBR最大的環(huán)形燃料棒的尺寸，以這些最佳燃料棒為計(jì)算模型進(jìn)行環(huán)形燃料之間及環(huán)形燃料與實(shí)心燃料之間的壓降和芯塊溫度比較，從而確定環(huán)形燃料的最佳結(jié)構(gòu)尺寸。

圖5　 不同排列方式對應(yīng)的堆芯壓降Fig．5 Core pressure drop for different arrays

1）壓降比較

100%功率條件下壓降隨組件排列方式的變化如圖5所示。由圖5可看出，冷卻劑流過燃料棒產(chǎn)生的壓降隨燃料組件中燃料棒數(shù)目的增加而增加。12×12、13×13排列的燃料組件的壓降較接近于參考的17×17壓水堆燃料組件，因此組件按12×12、13×13排列是較合適的選擇。

2）芯塊溫度比較

燃料芯塊溫度是影響核燃料性能的重要參數(shù)，對瞬態(tài)工況下燃料的安全裕量及輻照過程中裂變氣體釋放量等均有影響。

100%功率條件下熱點(diǎn)處燃料棒的徑向溫度分布隨排列方式的變化如圖6所示。圖6中，q′為平均線功率。由圖6可看出：11×11、12×12排列的燃料芯塊峰值溫度增加較多，這是因?yàn)檫@兩種排列方式的環(huán)形燃料芯塊厚度較厚，導(dǎo)致燃料棒徑向溫度梯度較大；而按13× 13、14×14、15×15排列的峰值溫度較為接近，且燃料溫度較低，安全性較好。

圖6　 不同排列方式下芯塊的徑向溫度分布Fig．6 Radial fuel temperature distributions for different arrays

以13×13環(huán)形燃料棒為模型，分別計(jì)算了100%功率及150%功率水平下熱點(diǎn)處燃料棒的徑向溫度分布，如圖7所示。參考壓水堆的熱點(diǎn)峰值溫度為2 000℃左右［4］，與圖7比較可知，100%功率下熱點(diǎn)的最高溫度較參考壓水堆的相應(yīng)溫度低1 300℃。即使在150%功率下，其熱點(diǎn)最高溫度較參考壓水堆的仍低1 100℃。

從芯塊溫度的角度考慮，環(huán)形組件適于按13×13、14×14和15×15排列。

綜合以上分析結(jié)果可看出，按13×13方式排列的環(huán)形燃料組件燃料棒的MDNBR最大，有較大的DNBR裕量，且壓降相對較小、燃料棒的峰值溫度也較低，因此可確定熱工水力性能最優(yōu)的排列方式為13×13，最佳尺寸為序號4。

圖7　 不同功率水平下環(huán)形燃料棒的熱點(diǎn)處徑向溫度分布Fig．7 Radial temperature distributions of annular fuel rod hot spot for different powers

3　結(jié)論

以壓水堆平均參數(shù)為輸入，確定壓水堆環(huán)形燃料組件最合適的排列方式為13×13。本次熱工水力分析確定的最佳參數(shù)只是為后續(xù)物理、安全分析、燃料性能及機(jī)械力學(xué)設(shè)計(jì)等提供初始分析模型，最終環(huán)形燃料結(jié)構(gòu)尺寸需各專業(yè)緊密配合，多次互相反饋才能確定。

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Methodology Study of Thermal－h(huán)ydraulic Analysis for PWR Annular Fuel Assembly Array

DIAO Jun－h(huán)ui，JI Song－tao，HAN Zhi－jie
（China Institute of Atomic Energy，P．O．Box275－64，Beijing102413，China）

Abstract：A typical Qinshan Phase－ⅡPWR plant was selected as the base case for methodology study of thermal－h(huán)ydraulic analysis for the best array of annular fuel assembly applied in the PWR core．A range of arrays from 11×11to 15×15for different sizes was investigated by using a sub－channel analyzer named SAAF．On the consideration of minimum departure from nucleate boiling ratios，pressure drops and fuel temperatures，the most promising option was found to be the 13×13array of annular fuel assembly．The calculation results in this paper provide initial calculation model for correlative analysis．

Key words：PWR；annular fuel；thermal－h(huán)ydraulics；the best array

作者簡介：刁均輝（1979—），男，山東海陽人，副研究員，博士，核能科學(xué)與工程專業(yè)

收稿日期：2014－03－12；修回日期：2015－02－10

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1374

文章編號：1000－6931（2015）08－1374－06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TL334