[發(fā)明專(zhuān)利]一種模擬核反應(yīng)堆流體自然循環(huán)流動(dòng)特性的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710641408.0
• 申請(qǐng)日: 2017-07-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107527664A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭傳新;昝元鋒;周慧輝;張妍;卓文彬;閆曉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院
• 主分類(lèi)號(hào): G21C17/00
• 分類(lèi)號(hào): G21C17/00
• 代理公司: 成都行之專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙)51220
• 代理人: 廖慧敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及可以模擬核反應(yīng)堆系統(tǒng)單相自然循環(huán)流動(dòng)特性的方法，具體涉及一種模擬核 反應(yīng)堆流體自然循環(huán)流動(dòng)特性的方法。

背景技術(shù)

當(dāng)核反應(yīng)堆發(fā)生事故時(shí)，控制棒迅速插入堆芯，觸發(fā)緊急停堆。核反應(yīng)堆停堆后，雖然 堆芯內(nèi)的可持續(xù)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)堆被中止，但是堆芯燃料元件中裂變產(chǎn)物的衰變繼續(xù)產(chǎn)生熱量， 即堆芯衰變熱。為了避免堆芯衰變熱損壞燃料元件，事故條件下仍然需要對(duì)堆芯進(jìn)行有效冷 卻，保護(hù)反應(yīng)堆的安全。采用非能動(dòng)方式在堆芯內(nèi)建立自然循環(huán)流動(dòng)，帶走事故條件下核反 應(yīng)堆堆芯的堆芯衰變熱量是當(dāng)今先進(jìn)核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和研發(fā)的一個(gè)重要方向。由于非能動(dòng)方式 產(chǎn)生的自然循環(huán)流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力較小，且受諸多因素的影響，如冷-熱芯位差、密度差和回路阻力 等，因此新型核反應(yīng)堆事故下堆芯的自然能力以及安全性能需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于核反應(yīng)堆的功率以及幾何尺寸，使得大多數(shù)情況下不能進(jìn)行全尺寸的實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn) 證。因此進(jìn)行縮小功率規(guī)模，減小系統(tǒng)尺寸的方法的模擬研究是非常必要的。但如果簡(jiǎn)單的 縮小功率規(guī)模、減小系統(tǒng)尺寸，反應(yīng)堆堆芯和蒸汽發(fā)生器內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱特性則與實(shí)際特 性存在較大差別，無(wú)法進(jìn)行自然循環(huán)特性的準(zhǔn)確模擬。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：現(xiàn)有核反應(yīng)堆的功率以及幾何尺寸，使得大多數(shù)情況下 不能進(jìn)行全尺寸的實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證，而采用簡(jiǎn)單的縮小功率規(guī)模、減小系統(tǒng)尺寸的方式，反 應(yīng)堆堆芯和蒸汽發(fā)生器內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱特性則與實(shí)際特性存在較大差別，無(wú)法進(jìn)行自然循 環(huán)特性的準(zhǔn)確模擬的問(wèn)題；本發(fā)明目的在于提供了一種模擬核反應(yīng)堆流體自然循環(huán)流動(dòng)特性 的方法，其能夠以小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)規(guī)模比例，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地模擬核反應(yīng)堆發(fā)生事故后堆芯的自 然循環(huán)能力，以及和反應(yīng)堆安全息息相關(guān)的參數(shù)的變化規(guī)律，為先進(jìn)核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和研發(fā) 提供重要的技術(shù)支持。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種模擬核反應(yīng)堆流體自然循環(huán)流動(dòng)特性的方法，包括：

根據(jù)模擬單相自然循環(huán)的準(zhǔn)則數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)則數(shù)與原型反應(yīng)堆系統(tǒng)的準(zhǔn)則數(shù) 相同的限制條件，獲得實(shí)驗(yàn)裝置與原型反應(yīng)堆系統(tǒng)的主要參數(shù)的模擬比例，根據(jù)模擬比例設(shè) 置實(shí)驗(yàn)裝置即可獲得與原型反應(yīng)堆系統(tǒng)相同的自然循環(huán)特性；

所述準(zhǔn)則數(shù)包括表征浮升力和慣性力之間關(guān)系的Richardson數(shù)，即R，表征回路的沿程 阻力和局部阻力的總阻力系數(shù)F_i，表征熱源數(shù)的Q_si，表征幾何相似度的L_i和A_i；

其中，β為流體膨脹系數(shù)，g為重力加速度，ΔT₀為堆芯進(jìn)出口溫度， l₀為設(shè)備和裝置高度比，u₀為自然循環(huán)流速；

其中，f為摩擦系數(shù)，l為一回路管道的長(zhǎng)度，d為一回路管道的直 徑，K為局部摩擦阻力系數(shù)；

其中，q_s為熱源的熱流密度，ρ_s為熱源材料的密度，C_ps為熱源材 料的比熱容；

其中，l_i為弟i個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度，l₀為設(shè)備和裝置高度比，a_i為燃料組件 的流通面積，a₀為堆芯出口的流通面積。

上述模擬單相自然循環(huán)的準(zhǔn)則數(shù)的獲得過(guò)程如下：

通過(guò)對(duì)核反應(yīng)堆自然循環(huán)系統(tǒng)中流體的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方和進(jìn) 行積分，獲得一組能夠表征核反應(yīng)堆自然循環(huán)特征的方程組。

流體質(zhì)量守恒方程：

流體動(dòng)量守恒方程：

流體能量守恒方程：

通過(guò)對(duì)上述方程進(jìn)行無(wú)量綱化，即可得到上述模擬單相自然循環(huán)的準(zhǔn)則數(shù)。

進(jìn)一步，為了簡(jiǎn)化不同參數(shù)組合帶來(lái)的模擬復(fù)雜性，該實(shí)驗(yàn)裝置與原型反應(yīng)堆系統(tǒng)滿(mǎn)足 相同結(jié)構(gòu)材料、相同流體工質(zhì)、等壓、等溫和等高的約束條件。通過(guò)上述約束條件與模擬準(zhǔn) 則數(shù)進(jìn)行組合求解，即可獲得實(shí)驗(yàn)裝置主要參數(shù)的模擬比例。

上述約束條件的主要優(yōu)勢(shì)如下：

(1)、實(shí)驗(yàn)裝置選用與原型反應(yīng)堆相同的結(jié)構(gòu)材料，不僅可以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上要求，而 且可以保證相同熱力學(xué)狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)材料的熱物性與原型一致，如比熱容和熱導(dǎo)率， 為模擬固體內(nèi)熱擴(kuò)散和導(dǎo)熱過(guò)程奠定了基礎(chǔ)。