[發(fā)明專利]壓力容器下封頭內(nèi)多層熔融池傳熱分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810126135.0
• 申請日: 2018-02-07
• 公開（公告）號: CN108416112B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇光輝;胡亮;張亞培;田文喜;秋穗正;李龍澤
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會俠

1.壓力容器下封頭內(nèi)多層熔融池傳熱分析方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：進(jìn)行熔融池構(gòu)型選擇及衰變熱計算，選擇熔融池多層構(gòu)型，完成氧化物層、金屬層的初始化并得到熔融池的幾何參數(shù)，并計算衰變熱,熔融池構(gòu)型選擇及衰變熱計算具體內(nèi)容：

1)讀取熔融池計算中用到的各常量的值,主要的常量包括：不銹鋼的比熱、二氧化鈾的比熱、鈾比熱、鋯的比熱、二氧化鋯的比熱、鈾氧化份額、鋯氧化份額、陶瓷殼層內(nèi)二氧化鈾導(dǎo)熱系數(shù)、陶瓷殼層內(nèi)二氧化鋯導(dǎo)熱系數(shù)、液體金屬層內(nèi)不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)、液體金屬層內(nèi)鈾的導(dǎo)熱系數(shù)、液體金屬層內(nèi)鋯的導(dǎo)熱系數(shù)、熔融氧化物中二氧化鈾的導(dǎo)熱系數(shù)、熔融氧化物中二氧化鋯的導(dǎo)熱系數(shù)、熔融池上部壓力容器壁面的有效導(dǎo)熱系數(shù)、熔融池相接觸部分壓力容器壁面的有效導(dǎo)熱系數(shù)、堆芯熔融物的再分布時間、裂變產(chǎn)物衰變功率分布常數(shù)、裂變產(chǎn)物衰變功率分布常數(shù)、裂變產(chǎn)物衰變功率分布常數(shù)、裂變產(chǎn)物衰變功率分布系數(shù)、裂變產(chǎn)物衰變功率分布系數(shù)、裂變產(chǎn)物衰變功率分布系數(shù)、再分布的鋯的總質(zhì)量、再分布的不銹鋼的總質(zhì)量、再分布的二氧化鈾的總質(zhì)量、壓力容器的半徑、上部腔室堆芯結(jié)構(gòu)的面積、熔融氧化物的液相線溫度、壓力容器外表面溫度、與熔融池相鄰的壓力容器鋼的液相線溫度、鋯的摩爾質(zhì)量、氧的摩爾質(zhì)量、不銹鋼的的摩爾質(zhì)量、鈾的摩爾質(zhì)量、二氧化鈾的摩爾質(zhì)量、液體金屬層中不銹鋼的熱體積膨脹系數(shù)、液體金屬層中鈾的熱體積膨脹系數(shù)、液體金屬層中鋯的熱體積膨脹系數(shù)、熔融氧化物的熱體積膨脹系數(shù)、估算液體金屬層換熱的壓力容器壁厚、上腔室構(gòu)件厚度、與氧化物熔融池相鄰的壓力容器壁厚、液體金屬層發(fā)射率、壓力容器上腔室構(gòu)件發(fā)射率、液體金屬層中不銹鋼的密度、液體金屬層中鋯的密度熔融氧化物中二氧化鋯的密度熔融氧化物中二氧化鈾的密度Stefan-Boltaman常數(shù)衰變功率金屬層的液相線溫度和衰變功率中錒系元素衰變功率占有的份額；

2)通過改變液體金屬和氧化物在各層的份額來實現(xiàn)熔融池多層構(gòu)型的控制，不同的熔融物構(gòu)型主要包括氧化物層，輕金屬層和重金屬層，即兩層熔融物構(gòu)型由一個氧化物層和一個輕金屬層構(gòu)成，三層熔融物構(gòu)型由一個重金屬層、一個氧化物層和一個輕金屬層構(gòu)成；

3)基于2)得到的熔融池多層構(gòu)型，通過熔融氧化物層初始化和物性程序模塊來計算各層中氧化物物性值：

氧化物比熱計算：

式中：

c_p-p——氧化熔融池比熱容；

——二氧化鈾比熱容；

——二氧化鋯比熱容；

——二氧化鈾質(zhì)量份額；

——二氧化鋯質(zhì)量份額；

——氧化熔池比熱計算不確定性系數(shù)；

氧化物熱導(dǎo)率計算：

式中：

k_ox(T)——氧化物熱導(dǎo)率；

——二氧化鈾熱導(dǎo)率；

——二氧化鋯熱導(dǎo)率；

——二氧化鈾摩爾份額；

——二氧化鋯摩爾份額；

——氧化物熱導(dǎo)率計算不確定性系數(shù)；

4)與熔融氧化物層初始化和物性計算一樣，計算各層的金屬層物性值：金屬層比熱計算：

式中：

c_p-l——金屬層比熱容；

c_p-Zr——鋯比熱容；

c_p-ss——不銹鋼比熱容；

c_p-U——鈾比熱容；

f_m-Zr——金屬層內(nèi)鋯質(zhì)量份額；

f_m-ss——金屬層內(nèi)不銹鋼質(zhì)量份額；

f_m-U——金屬層內(nèi)鈾質(zhì)量份額；

——金屬層比熱計算不確定性系數(shù)；

金屬層熱導(dǎo)率計算：

式中：

k_l——金屬層熱導(dǎo)率；

k_l-Zr——鋯的熱導(dǎo)率；

k_l-ss——不銹鋼的熱導(dǎo)率；

C_k-l——金屬層熱導(dǎo)率計算不確定性系數(shù)；

5)在熔融物構(gòu)型選取后以及各層相應(yīng)成分的質(zhì)量和物性值求得后，計算得到對應(yīng)于選擇的熔融物構(gòu)型的幾何參數(shù)庫；

6)在2)、3)、4)、5)的基礎(chǔ)上，輸入所選熔融物構(gòu)型中各層內(nèi)的衰變熱，作為后面換熱計算的基礎(chǔ)；

步驟2：基于步驟1中計算得到的各層物質(zhì)質(zhì)量及物性，熔融池的構(gòu)型和幾何參數(shù)，以及各層的衰變熱，進(jìn)行氧化物層換熱計算，根據(jù)所選取的換熱關(guān)系式計算熔融氧化物層內(nèi)的自然對流換熱過程，即壓力容器外壁面熱流密度、氧化物硬殼的厚度以及熱流密度與臨界熱流密度的比值氧化物層換熱計算具體包括以下內(nèi)容：

建立氧化物層換熱計算的控制方程，如下：

R′＝Nu_up/Nu_dn (7)

式中：

——氧化物層體積釋熱率；

V_o——氧化物層的體積；

q″_o,up——氧化物層向上傳遞的熱流密度；

q″_o,dn——氧化物層向下傳遞的熱流密度；

S_up——氧化物層上表面面積；

S_dn——氧化物層下表面面積；

S_side——氧化物層側(cè)面面積；

Nu_up——氧化物層上部努塞爾數(shù)；

Nu_dn——氧化物層下部努塞爾數(shù)；

在氧化物層內(nèi)衰變熱的作用下，氧化物層內(nèi)的熱量同時向上和向下傳遞，這是具有內(nèi)熱源的熔融池內(nèi)典型的自然對流換熱過程；而且在長期冷卻狀態(tài)下，熔融池的上部存在一個較為強(qiáng)烈的湍流自然對流區(qū)域，下部是具有明顯熱分層的穩(wěn)定區(qū)域；

采用更新的ACOPO關(guān)系式計算氧化物層向上的傳熱，氧化物層上部努塞爾數(shù)計算如下式所示：

Nu_up＝1.95Ra′^0.18 (9)

其適用范圍為10¹⁰<Ra′<10¹⁶；

Ra′為氧化物熔融池的修正瑞利數(shù)，表達(dá)式為：

式中：

g——重力加速度；

β——熔融物的熱膨脹系數(shù)；

ν——熔融物的運(yùn)動粘度；

H——熔融物層的高度；

a——熔融物的熱擴(kuò)散系數(shù)；

λ——熔融物的導(dǎo)熱系數(shù)；

采用Mayinger關(guān)系式計算氧化物層向下的傳熱，氧化物層下部努塞爾數(shù)計算如下式所示：

Nu_dn＝0.55Ra′^0.2 (11)

根據(jù)能量守恒和傅里葉定理，得到氧化物層的熔融物硬殼厚度和壁面厚度的關(guān)系式：

式中：

θ——極角；

δ_cr(θ)——極角θ處的硬殼厚度；

λ_cr——硬殼導(dǎo)熱系數(shù)；

λ_w——壓力容器壁面導(dǎo)熱系數(shù)；

δ_w(θ)——極角θ處的壁面厚度；

T_w,o——壓力容器外壁面溫度；

T_w,m——壓力容器壁面熔點(diǎn)溫度；

氧化物層壁面熱流密度與極角θ的關(guān)系式：

式中：

q″_w(θ)——極角θ處的壁面熱流密度；

步驟3：進(jìn)行金屬層換熱計算，根據(jù)步驟2中熔融氧化物層的計算結(jié)果，求解液體金屬層內(nèi)的自然對流換熱和液體金屬層上表面與上部堆內(nèi)構(gòu)件之間的輻射換熱過程，金屬層換熱計算的具體內(nèi)容如下：

金屬層換熱包含了輕金屬層和重金屬層的換熱計算，首先進(jìn)行輕金屬層的換熱計算，其控制方程如下：

式中：

——輕金屬層體積釋熱率；

V_l——輕金屬層的體積；

q″_l,b——輕金屬層底部的熱流密度；

q″_l,t——輕金屬層頂部的熱流密度；

q″_l,w——輕金屬層側(cè)面的熱流密度；

S_l,b——輕金屬層底部表面面積；

S_l,t——輕金屬層頂部表面面積；

S_l,w——輕金屬層側(cè)面面積；

T_o,m——氧化物的熔點(diǎn)溫度；

——輕金屬層溫度；

δ_cr,t——氧化物層上表面的硬殼厚度；

σ——斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；

T_l,t——輕金屬層上表面溫度；

T_s,i——堆內(nèi)構(gòu)件內(nèi)表面溫度；

ε_l——輕金屬層上表面的發(fā)射率；

ε_s——堆內(nèi)構(gòu)件內(nèi)表面的發(fā)射率；

T_s,o——堆內(nèi)構(gòu)件外表面溫度；

δ_s——堆內(nèi)構(gòu)件厚度；

λ_s——堆內(nèi)構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)；

S_s——堆內(nèi)構(gòu)件表面面積；

然后進(jìn)行重金屬層的換熱計算，其計算的控制方程如下：

輕金屬層和重金屬層內(nèi)的自然對流換熱過程與氧化物熔融池類似，只是一般認(rèn)為輕金屬層內(nèi)不存在衰變熱，在金屬層內(nèi)利用同一個換熱關(guān)系式來描述金屬層內(nèi)向上和向下的換熱過程；用來描述金屬層側(cè)壁面換熱過程采用Churchill-Chu關(guān)系式如下：

其適用范圍為0.1<Ra<10¹²；

式中：

Pr——金屬層的Prandtl數(shù)；

用來計算金屬層頂部和底部換熱過程的換熱關(guān)系式都采用Globe-Dropkin關(guān)系式，如下式：

其適用范圍為3·10⁵<Ra<7·10⁹，0.02<Pr<8750；

氧化物池中的衰變熱份額與重金屬層中的衰變熱份額的和等于總的衰變熱份額，總的衰變熱在氧化物池和重金屬層中的份額分配采用以下關(guān)系式：

式中：

——重金屬層體積釋熱率；

V_h——重金屬層的體積；

q″_o,h——氧化物層向重金屬層傳遞的熱流密度；

q″_h,b——重金屬層頂部的熱流密度；

S_h,b——重金屬層底部表面面積；

θ_h——重金屬層頂部的極角；

T_w,i——壓力容器內(nèi)壁面溫度；

P_decay,t——總體積釋熱率；

m_U——重金屬層中金屬鈾的質(zhì)量；

——氧化物層中二氧化鈾的質(zhì)量；

通過計算壓力容器壁面熱流密度與壓力容器外壁面臨界熱流密度的比值來判斷壓力容器壁面失效及壓力容器堆內(nèi)滯留裕量，在計算過程中設(shè)置壓力容器的外壁面溫度為反應(yīng)堆條件下堆腔壓力對應(yīng)的飽和溫度400K；

其中臨界熱流密度的計算如下式：

q″_CHF(θ)＝C₁+C₂θ+C₃θ²+C₄θ³+C₅θ⁴ (29)

系式中的常系數(shù)C₁到C₅通過輸入文件由用戶輸入，對于不同的CHF關(guān)系式只需改變常系數(shù)C₁到C₅的數(shù)值；

在金屬層中的熱流密度與臨界熱流密度的比值為：

DNBR＝q″_w(θ)/q″_CHF(θ) (30)

DNBR越小，說明安全裕量越大，DNBR超過1，說明不安全。